城市鋼箱梁橋面結構方案分析及對比

桂曉明，蔡憲棠

(廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州510060)

0 前言

鋼箱梁是一種跨越能力大、建筑高度小、整體性好的梁橋型式，具有技術經濟效益好、施工工期短、施工期間對既有交通干擾小、景觀效果佳等諸多優點。這些特點使鋼箱梁結構在城市高架橋梁的建設中應用越來越多[1]。

按照橋面構造及受力特點，城市鋼箱梁的橋面結構形式主要有三種：鋼橋面鋪裝、設置混凝土過渡層、設置混凝土結合層。本文以一聯鋼箱梁為工程實例，借助Midas有限元分析程序，建立三維空間模型，通過對各方案進行詳細的力學分析，從受力性能、技術經濟等方面進行全面對比分析。分析結果能夠為城市鋼箱梁橋設計提供理論依據。

1 橋面結構形式[2]

1.1 鋼橋面鋪裝

鋪裝層直接鋪設于鋼橋面板是目前國內普遍的做法，常用的有澆注式瀝青混凝土、改性瀝青馬蹄脂碎石、環氧樹脂瀝青混凝土等鋪裝(見圖1)。其建筑高度小，能有效減輕結構自重，但普遍存在滑移脫層、裂縫等病害。

圖1 鋼橋面鋪裝示意圖

1.2 設置混凝土過渡層

為了減小橋面系局部撓度，增強瀝青混凝土與橋面的粘結性，同時改善橋面板受力狀態，可采用瀝青鋪裝與鋼橋面板間設置混凝土渡過層的方式，但這層混凝土增加了橋面自重(見圖2)。由于其與鋼橋面板粘結力相對較小，一般不考慮其對主梁整體剛度的貢獻。

圖2 混凝土過渡層鋪裝示意圖

1.3 設置混凝土結合層

為了解決橋面鋪裝病害，同時增強結構剛度，在鋼橋面板上加設一層15 cm左右厚度的結合層，其間通過抗剪栓釘連接，如圖3所示，形成整體受力的截面。在結構負彎矩區，梁頂受拉，需要控制其內力以保證結合層的正常使用，通常采用的方法有：(1)施加預應力，減小支點截面負彎矩；(2)優化施工順序，將跨中部分結合層與二期荷載先行施工，可減小負彎矩區結合層混凝土拉力；(3)對跨中進行預壓，待負彎矩區混凝土滿足強度要求后，撤去壓重，產生的反向內力可改善其受力；(4)利用邊支點頂升或中支點預頂升成橋再歸位的方法，可提高負彎矩區壓應力儲備；(5)通過結合層合理配置鋼筋網、添加鋼纖維、微膨脹劑等手段優化結合層受力。其中對跨中進行預壓的方法最經濟且施工方便，在廣東市政建設中廣泛應用，效果較好。

圖3 鋼-混結合梁橋面布置示意圖

目前，城市鋼箱梁橋主要采用上述三種橋面構造形式。本文以某三跨連續鋼箱梁橋為工程背景，采用有限元分析方法，對比分析各自受力性能、技術經濟等方面的差異，全面分析各方案的優缺點，以期為同類橋梁設計提供參考。

2 工程實例概況

2.1 截面形式

以(40+60+40)m三跨連續梁為實例進行分析，鋼梁截面及主要尺寸如圖4所示，橋寬9.9 m，頂、底、腹板采用Q345qC，加勁肋及隔板采用Q235qC；橫隔板間距為3 m，強、弱橫隔交替布置。方案一為鋼箱梁上鋪8 cm環氧改性瀝青混凝土，方案二為鋼箱梁上鋪7 cm混凝土調平層+8 cm瀝青混凝土，方案三采用15 cm結合層+8 cm瀝青混凝土。為方便對比，取建筑高度(包括鋪裝層)相同，均為1.89 m，則三個方案鋼箱梁高度分別為1.81 m、1.74 m、1.66 m。通過多工況的計算，調整頂、底、腹板厚度，將應力控制在較小的差異范圍，以便對比其受力特性和技術經濟指標。為保證構件穩定，將頂底板最小厚度定為14 mm(方案三橋面板結合層參與受力，頂板厚適當減小為12 mm)，腹板最小厚度為12 mm。

圖4 橋梁斷面示意圖(單位：mm)

2.2 計算荷載及荷載組合

計算荷載：(1)自重；(2)汽車荷載(公路 I級，雙向兩車道)；(3)二期恒載(鋪裝、防撞護欄)；(4)整體升降溫(±30℃)；(5)溫度梯度；(6)不均勻沉降(10mm)；(7)結合層收縮、徐變。以標準組合驗算。

3 有限元計算模型

3.1 主梁第一體系

整體分析采用三維梁單元建模(見圖5)，方案一、方案二鋪裝及過渡層均考慮為二期恒載，不參與受力，全橋按一次成梁模擬；方案三的瀝青鋪裝作為荷載考慮，15 cm厚結合層由于有剪力釘的連接作用，按施工階段聯合截面考慮其受力貢獻。

為了減小負彎矩區現澆層拉力，方案三采用分段鋪裝與施工階段壓重結合的方法[4]。模擬的施工過程為：(1)鋼箱梁一次成梁；(2)澆筑 I區(如圖6所示)結合層，并安裝該部分防撞墻；(3)待結合層達到設計強度后對各跨跨中施加壓重；(4)澆筑Ⅱ區結合層，并形成整體受力截面；(5)撤除壓重并安裝Ⅱ區防撞墻；(7)鋪瀝青鋪裝；(8)運營階段。

3.2 板殼模型及第二體系

由于薄壁箱梁存在剪力滯效應，針對三個方案分別建立板殼模型[3][4]，其中方案三結合層以實體單元模擬，與箱梁頂板無滑移連接。對于橋面板，第二體系應力以有限元法方法求解[5]，建立板殼節段模型，如圖7所示，并加以車輛局部荷載求解橋面板應力，第三體系應力忽略不計。

根據計算結果，提取支點、跨中處頂、底板剪力滯系數，分別與對應初等梁計算的應力結果相乘(橋面板計入第二體系應力)，得到截面應力最大值。

4 計算結果對比分析

4.1 正應力

根據多工況計算，得到三個方案板件厚度如表1所列；正應力計算結果見表2所列。根據初等梁理論計算的結果可知，方案二各關鍵點應力均大于方案一，這是因為方案二增加了過渡層的自重，鋼結構高度比方案一小，且過渡層沒有提供剛度；方案三橋面板厚度雖然較薄，但由于有結合層的分擔作用，上緣應力仍然最小，而由于質心上移的緣故，其下緣應力較大。

在自重與汽車荷載作用下，以有限元方法計算剪力滯系數，如圖8所示，以截面頂(底)緣應力最大值與均值的比值取值。從計算結果可看到，方案一、方案二剪力滯系數相差不大，而與方案三卻有較大差別，這是由于方案三頂底板厚度不同且有結合層作用的結果，因此在計算結合梁剪力滯系數(或有效寬度)時不能忽略結合層的作用。方案三支點處頂板剪力滯效應相對較明顯，但總體看其上緣應力仍然是最小的。

圖5 空間三維梁單元模型

圖6 方案三橋面結合層施工分段圖

圖7 板殼節段模型

表1 板件厚度一覽表(單位：mm)

表2 有效正應力計算結果一覽表(單位：MPa)

圖8 方案一支點頂板剪力滯效應圖

根據第二體系應力計算結果(見圖9，限于篇幅，僅給出方案一應力分布圖)，方案一頂板應力為18 MPa，U肋達42 MPa；方案二頂板應力為11 MPa，U肋為15MPa；方案三頂板應力為8MPa，U肋7MPa。可以看出，橋面系第二體系應力比較顯著，在設計時應符合規范相關規定，必要時須對橋面板進行單獨分析。同時可知，混凝土過渡層與結合層對橋面系應力改善作用十分明顯，各種作用綜合后方案三橋面系應力最小，在設計時可考慮減小頂板厚度并適當增大U肋間距以方便施工和節約投資。

圖9 方案一橋面板第二體系局部應力圖

4.2 剪應力及撓度

由表3可知，由于荷載的增加，同時承受剪力的腹板高度減小(板厚相同)，方案二剪應力比方案一為大，而方案三剪應力最大，通常剪應力強度富余較大，不是控制設計的因素。表3顯示，汽車荷載作用下方案三撓度比方案一、方案二減小較為明顯，因此，在梁高受限時，若要增加橋梁剛度，宜優先采用方案三的設置橋面結合層的方案。

4.3 經濟性

各方案主梁材料用量如表4所列，工程建設費用分別為：方案一966萬元，方案二884萬元，方案三922萬元。可以看出，總體上三個方案價格相差不大，其中方案一造價略高，這是由于環氧瀝青混凝土單價較高；方案二經濟性最好；方案三用料較多，經濟性居中。應當說明的是，方案三鋪裝與梁體整體性較好，后期維護費用較低，設計時可綜合考慮。

表3 剪應力及撓度計算結果一覽表

表4 材料用量表

5 結語

(1)采用混凝土過渡層與結合層，能有效地改善鋼箱梁橋面系受力狀態，其中采用混凝土結合層效果最明顯，在設計時可適當減小頂板厚度并適當增大橋面加勁肋間距，以方便施工、節約投資。

(2)鋼-混結合結構由于結合層的作用，截面質心上移，導致下緣應力明顯增大，在設計時應根據注意對底板進行加強。

(3)從整體結果上看，剪力滯系數與第二體系應力對結果影響較大，設計此類橋梁時需予以考慮。

(4)采用混凝土過渡層或結合層，會增大橋梁自重，從而使剪應力增大，在剪應力控制設計的情況下，應進行充分對比。

(5)在建筑高度一定時，采用混凝土過渡層的方案會使活載位移增大，而鋼-混結合梁活載位移最小。因此，在梁高受限的情況下，為了得到較大的橋梁剛度，可首選橋面設置結合層方案，避免用設置砼過渡層的方案。

(6)通過對三個方案的材料用量進行對比，可知三個方案總體上造價相差不大(10%以內)，相對來說，從建設造價上看，方案二經濟性最好，方案三次之，方案一造價最高。

(7)綜合建設經驗及計算分析結果，不同橋面結構的鋼箱梁方案各有優劣(見表5)，在設計時應綜合考慮。

[1]吳沖.現代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]黃衛.大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝設計理論與方法[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[3]Luo Q Z，LiQ S，Tang J.Finite segmentmethod for shear lag analysis of cable-stayed bridges[J].Struct Engrg，2002，128(12)：1617-1622.

[4]沈桂平，曹雪琴.正交異性鋼橋面板應力分析及試驗研究[A].92全國橋梁結構學術大會論文集[C].

[5]樊啟武.正交異性橋面系第二體系應力計算方法研究[D].成都：西南交通大學，2005.