石濟客運專線濟南黃河橋正交異性鋼橋面板設計研究

張 上，李鳳芹

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

1.1 工程概況

擬建的濟南黃河橋為石濟鐵路客運專線工程、邯濟膠濟聯絡線以及濟南市I級城市道路跨越黃河的公鐵兩用橋。主橋為跨度128 m+3×180 m+128 m的剛性懸索加勁連續鋼桁梁橋，三片主桁結構，六車道公路位于上弦，四線鐵路位于下弦。公路橋面系經過結合梁和正交異性橋面板兩個方案的經濟技術比選，最終采用自重輕、整體性好的正交異性鋼橋面板;考慮到高速鐵路對結構的整體剛度、耐久性和軌道的平順性要求均較高，鐵路橋面也使用正交異性鋼橋面板。

1.2 公路橋面系結構

公路橋面采用縱橫梁體系的正交異性板整體橋面。節點處設橫梁，間距12.8 m和13.0 m，節點橫梁中間設置3道橫肋，肋間距3.2～3.25 m，均為倒T形截面。橫梁高度1 345～1 600 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板尺寸采用560 mm×24 mm;橫肋高度為890～1 145 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板尺寸采用400 mm×20 mm。橋面板厚16 mm，橋面板設閉口U形加勁肋，肋間距630 mm，板厚度8 mm，在弦桿附近設置板式肋加勁。橫梁位置公路橋面板布置見圖1。

1.3 鐵路橋面系結構

鐵路橋面也采用縱橫梁體系的正交異性板整體橋面。橫梁和橫肋間距和形式與公路橋面類似。橫梁高度1 595～1 600 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板尺寸采用600 mm×28 mm;橫肋高度為1 000～1 005 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板尺寸采用500 mm×24 mm。為了提高軌道的豎向剛度，橋面板上對應每條鐵路的兩根鋼軌分別設置高0.6 m的倒T形縱梁。橋面板厚16 mm，橋面板與道砟槽底座相對應的部位設閉口加勁肋，肋間距600 mm，板厚度8 mm，在弦桿附近設置板式肋加勁，鐵路橋面系結構見圖2。

圖1 橫梁位置公路橋面板布置(單位:mm)

圖2 橫梁位置鐵路橋面板布置(單位:mm)

2 正交異性鋼橋面板的構造

正交異性板在橋梁結構中承擔多種作用，既是縱橫梁的上蓋板，又是把橋面荷載傳遞到橫梁和主桁上的構件，同時又參與主桁的整體受力，一物三用，比較節省材料，對于大跨度橋梁的好處是不言而喻的。

經典的分析理論將正交異性板的受力特征劃分為3個受力體系:第一體系，由面板和縱肋組成主梁的上翼緣，與主梁一同構成主要承重構件——主梁體系;第二體系，由縱肋、橫肋和橋面板組成的結構——橋面系，其中橋面板被看成縱肋和橫肋的共同上翼緣;第三體系，僅指橋面板，它被視作支承在縱肋和橫肋上的各向同性連續板——面板體系。由于正交異性板的這種復雜受力以及較多的不連續焊縫，使得其疲勞開裂問題時有發生，而我國規范對正交異性板的構造規定較少，為此，筆者查閱了歐洲規范，日本規范，及國內外相關文獻、專著，現將設計要點總結如下。

2.1 橋面板、U肋、橫梁/肋之間的匹配性

正交異性鋼橋面板是一個協調工作的結構，片面增大某一構件并不能提高其安全性，甚至有不利影響。為了使其具有必要的剛度和強度、降低面外變形引起的次應力，并便于組裝和焊接，確保其疲勞耐久性和合理的經濟性，面板的厚度、U肋的斷面尺寸和剛度、橫肋間距之間應有合理的匹配性。

公路正交異性橋面板各規范的限值見表1。

表1 公路橋面系面板、U肋、橫肋間的匹配性

對于公路正交異性橋面板，考慮到國內公路超載現象較為普遍，其橋面板厚度取16 mm(瀝青鋪裝8 cm)。縱肋腹板間距e與橋面板厚度之比為:e/td=20.625，橫肋間距為 3.2 ～ 3.25 m，橫梁/肋腹板厚 16 mm，縱肋高度與橫肋高度比值為0.19～0.34。各項結構數值都滿足歐洲規范要求。

歐洲規范規定鐵路正交異性橋面板各構件尺寸限值見表2，表中各種參數見圖3。

表2 鐵路橋面系面板、U肋、橫肋間的匹配性

圖3 鐵路正交異性板參數示意

對于鐵路正交異性橋面板，采用U形閉口肋，橋面板厚度取16 mm(其上設置鋼筋混凝土道砟槽板)。縱肋腹板間距為600 mm，橫肋間距為3.2～3.25 m，橫梁/肋腹板厚16 mm，橫梁翼緣板厚度28 mm，橫肋翼緣板厚度24 mm。縱肋高度與橫肋高度比值為0.19～0.3。各項結構數值都滿足歐洲規范要求。

2.2 行車道(重車道)范圍內是否設置縱梁的問題

正交異性板的U形加勁肋是通長的，除主縱梁(若為密布橫梁則無)外，U肋之間是否設置小縱梁則應該具體分析。設置小縱梁，則可增加豎向剛度，但小縱梁與U肋慣性矩差距較大，在偏載作用下易造成不均勻變形，進而發展成疲勞裂縫。在公路荷載下，歐洲規范建議在重車道不設置縱梁。文獻［4］認為“大型貨車輪載的正下方，原則上不得設置縱梁/縱隔板，應設置在兩車道間的車道線下方附近。不得已設置時，縱梁腹板應采用坡口全熔透角焊縫”。可見，在公路橋面，特別是重車道，在剛度允許的條件下，以不設置小縱梁為宜。

對于鐵路橋面，則可在對應鋼軌下設置小縱梁，一則可增加剛度，滿足平順性要求，二則鐵路荷載通過軌枕、道砟(軌道板)、道砟槽板等構件層層分散，作用到橋面時，已經接近均布荷載，且鐵路荷載位置是固定的，不存在公路荷載的隨意性，也就不存在偏載造成的疲勞開裂。

綜上所述鐵路橋面對應鋼軌正下方設置了小縱梁，而在公路橋面未設置小縱梁。

2.3 U肋與橫梁/橫肋的連接

除特殊情況外，U肋應穿過橫梁腹板。這樣，U肋受力十分明確，為彈性支承在橫梁上的連續梁。在活載作用下，U肋的豎向撓曲在橫梁的支承處產生轉動，導致橫梁腹板的面外變形，受到焊縫在連接處的約束產生次應力，因此，應在橫梁上開弧形切口，以降低次應力。國外規范規定的公路及鐵路橋面開孔形狀見圖4。

圖4 國外規范建議的橫梁/肋開口尺寸(單位:mm)

可見，對開孔尺寸，歐洲及日本規范基本已有統一的認識，濟南黃河橋U肋開口設置見圖5。

圖5 U肋開口設置(單位:mm)

在橫梁腹板、U肋與橋面板的交叉處，歐洲規范明確規定不應設置過焊孔，推薦做法見圖6。由于此處存在U肋與面板之間的連續焊縫，可在橫梁腹板上開10 mm×10 mm的三角形缺口。

2.4 U肋之間的連接

過去U肋間的連接多采用帶嵌補段的焊接，這種焊接疲勞強度很低，其主要原因如下:

(1)橋面板焊接完成后才能進行U肋連接，因此只能采用仰焊，焊接質量差;

圖6 有無過焊孔對比(單位:mm)

(2)U肋焊接時底部需使用鋼襯墊，鋼襯墊剛度小，易造成焊接缺陷;

(3)焊縫檢測時，此部位多采用磁粉探傷，不易檢測到焊縫底部的缺陷;

(4)鋼襯墊與U肋直接的固定焊點，在存梁時易銹蝕，進而造成焊接缺陷。

基于以上原因，最近采用較多的是一種新的連接工藝，即橋面板采用焊接，U形肋采用高強度螺栓連接。日本已將此方案作為首選方案納入設計規范。“我國自南京二橋首次采用這種連接方式，現在已廣泛采用”［9］。由于U肋接頭設有螺栓安裝的手孔，接頭處抗彎剛度較差，因此，連接接頭應設置在U肋受力的反彎點處，歐洲規范明確規定應設置在橫梁間距的1/5位置。值得注意的是，歐洲規范中依然給出了按嵌補段焊接的U肋連接工藝。可見，當焊接質量可控時，焊接也是一個可行的選擇，畢竟，全焊橋梁是鋼橋發展的一個方向。

2.5 U肋與橋面板之間的焊縫

正交異性板直接承受輪載作用，U肋與面板之間會產生較大的面外變形，這就造成U肋與面板之間的焊縫頻繁承受較大的循環荷載，容易疲勞開裂。對此，歐洲規范給出了明確的構造細節，二者之間需采用部分熔透焊縫。其中，公路橋面熔透深度不小于75%，鐵路橋面熔透深度不小于90%。對僅承受人行荷載的部位，則規定此部位可采用角焊縫。

3 鐵路橋面系數值分析結果

橋面系結構受力分析宜在總體模型中進行，以便正交異性橋面局部受力與體系的縱向力相疊加。

3.1 模型及加載情況

選用程序Midas Civil 2010，在整體模型中選取次主跨90 m長度的鐵路橋面板，采用板單元建模。局部模型與整體模型之間采用剛性連接。模型共計21 391個梁單元，84 362個板單元，96個桿單元。計算模型見圖7。鐵路活載及公路活載按最不利位置加載。公路活載采用車道荷載，計入多車道折減系數、動力系數及公鐵共同作用時的折減系數。鐵路活載按線路及控制工況采用中-活載或特種荷載，并計入動力系數。

圖7 鐵路橋面板計算模型

3.2 強度計算結果(表3、表4)

表3 鐵路橫梁/肋下翼緣控制點應力 MPa

由表3計算結果可以看出，主桁桿件對橫梁和橫肋有一定的約束作用，且支點處約束作用強于跨中處，橫梁和橫肋下翼緣最大拉應力均發生在次主跨跨中附近的橫梁跨中部位，其值為154.6 MPa，最大壓應力發生在支點附近與中桁連接部位，其值為-150.9 MPa。橫肋下翼緣構造上不與弦桿連接，因此，下翼緣局部應力比相應位置的橫梁應力偏高，但其應力仍滿足規范要求。由于正交異性橋面結構中橫肋數量較多，而橫肋的主要作用是將縱肋豎向荷載傳遞至弦桿，橫肋下翼緣不與弦桿焊接，可減小焊接難度、減少焊接工作量，并有效改善橫肋與弦桿連接部位的疲勞性能，避免焊縫開裂，同時，由于橫肋焊接在主桁桿件上的接頭板面外剛度較小，對于橋面板塊單元與預留在主桁桿件連接接頭之間的制作偏差有較好的適應性，可有效降低由于制作偏差而產生的結構次內力。

表4 鐵路U肋、縱梁及橋面板應力 MPa

由表4可以看出，橋面板疊加體系應力后，其縱向應力遠大于橫向應力，U肋、縱肋和橋面板中的體系應力分別約占總應力的30%、35%、25%，說明正交異性板對結構的整體剛度貢獻較大。

3.3 疲勞計算結果

疲勞開裂是始于某些敏感點的，所以本次疲勞計算關注的是橋面系構件存在疲勞問題的焊縫及接頭。敏感點位置及計算結果見表5。

表5 疲勞應力幅檢算MPa

通過對橋面板模型的對比分析，得到其敏感點的疲勞應力幅，均小于鐵路橋梁鋼結構設計規范的容許疲勞應力幅，說明橋面系各部位的抗疲勞性能滿足要求。

4 公路橋面系數值分析結果

公路橋面系構造與鐵路橋面系類似，由于公路荷載較鐵路荷載小，相應地減小了橫梁和橫肋的尺寸。公路橋面系傳力途徑與大部分構件受力特點與鐵路橋面系類似，不再贅述。對于支點部位的橫梁，由于支點部位加勁弦的影響，在整體效應下應力水平較低;同時，此部位橫梁下翼緣與橫聯相接，橫聯減小了橫梁的計算跨度，因此，支點部位橫梁的應力水平較其他橫梁低。對于橋面板，最大主壓應力出現在加勁弦與上弦相接部位，這是由于加勁弦存在較大的拉應力，在一定程度上減小了跨中橋面板的應力水平。

4.1 模型及加載情況

模型及加載情況與鐵路橋面類似，不再贅述。

4.2 強度計算結果

各構件強度結果見表6、表7，各構件應力均未超過規范規定的允許應力。

表6 公路橫梁/肋控制點應力 MPa

表7 公路U肋及橋面板應力 MPa

5 結語

正交異性板的設計是一個涉及范圍很廣的課題，文中總結了國內長期的實踐經驗和研究成果，要點如下。

(1)橋面板的厚度、U肋的斷面尺寸和剛度、橫肋間距之間應有合理的匹配性，以保證橋面系的整體和局部剛度。節段分割應在1/5橫梁/肋跨度處。

(2)應選用疲勞性能較好的焊接構造和細節，同時應盡量減少使用由于面外變形引起次彎曲應力的構造。

(3)應選擇合理的焊接工藝、并控制組裝精度，確保焊接質量。

石濟客運專線濟南黃河橋的正交異性橋面板吸取了這些成功的經驗，各種構造和焊接細節均滿足國內外規范要求，同時通過數值分析驗證了設計的可靠性，符合技術先進、安全可靠、經濟合理等設計原則，其構造形式及分析方法可供類似結構借鑒。

［1］BS EN 1993—2:2006.Eurocode 3 — Design ofsteel structures-Part 2:Steel bridges［S］.BSI.2006:70-90.

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［7］唐亮，黃李驥，劉高.正交異性鋼橋面板橫梁弧形切口周邊應力分析［J］.公路交通科技，2011(6).

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