公路組合橋面下承鋼桁梁橋減小橫梁水平彎曲措施優化

伏永鵬, 鄭凱鋒, 劉云飛

(西南交通大學，四川成都 610031)

對于縱橫梁橋面系，在荷載作用下，縱梁與主桁弦桿變形不同步，導致縱梁產生軸力，橫梁產生面外彎矩，稱為橋面系與主桁的共同作用[1]。對于寬幅大跨鋼桁梁來說，由于主桁變形較大，引起縱梁變形加大，從而導致橫梁面外彎矩變大，橋面系參與主桁受力更加顯著[2]。在桁架梁橋的設計中，鐵路TB1002.1-2005《鐵路橋涵設計基本規范》(以下簡稱《橋規》)中對基本構件的計算規定是將整個橋跨結構分成若干個平面結構，再按承受各自平面上的荷載計算桿件內力。對于橋面系，假定縱梁簡支在橫梁上，橫梁簡支在主桁架上。這種方法不能考慮橋面系中縱、橫梁和主桁架間的共同作用問題[3]。共同作用的原理是在鋼桁梁受到豎向荷載作用時，下弦桿將伸長變形，與此同時下弦各節點橫梁也隨之一起移動，同時卻受到了縱梁的牽制。因此，縱梁將因橫梁的移動而受拉，而橫梁將因縱梁的牽制產生面外變形，同時弦桿的外力也將因此減小而產生減載。雖然橫梁的水平彎矩較豎向彎矩小的多，但是由于其面外剛度較小，橫梁水平彎曲應力較大。因此，需要研究減小共同作用的方法。通常減小共同作用的方法有以下2種。

(1)縱梁斷開，鐵路《橋規》規定跨度大于80 m的簡支桁梁，應設有縱梁斷開。一般縱梁斷開設置在跨中的一個節間內。縱梁的活動端通過一對特制的支座支撐于短伸臂上，可以縱向滑動，也可轉動。

(2)調整施工順序，縱梁滯后連接。為了減少橫梁中部水平彎曲效應，所有縱聯放在二期恒載施工完畢后再作無應力固定連接。考慮到橋面板較重，施工橋面板前應使結構具有一定的剛度和穩定性，先將橫梁與其兩側的縱梁作臨時連接，以釋放橋面板對橫梁產生的部分水平彎曲作用，橋面板施工完畢，二期荷載施工前再把相應位置的橫梁和縱梁固接[4]。

1 減小共同作用的三種施工方案

橋面系參與主桁共同作用，縱梁受拉，橫梁水平彎曲，同時因為橋面系與主桁共同作用，主桁的撓度也相應減小。本文針對90 m公路組合橋面簡支鋼桁梁橋，試算對比三種方法，由此來確定減小橋面系與主桁共同作用的有效方法。橋長90 m，兩片主桁中心距18 m，全橋分為9個節間，每個節間長10 m，桁高12 m，采用三角形無豎桿腹桿形式，簡支組合橋面的鋼桁梁橋。主桁和橋面系見圖1和圖2。

采用Midas/Civil建立全橋模型進行計算分析，橋面板采用板單元模擬，其余采用梁單元模擬。分別對比不同措施下橫梁的水平彎矩產生的應力、縱梁受到的軸力以及桁梁的豎向撓度。

(1)方案一：常規施工順序即先架設鋼梁，后澆筑混凝土橋面板，最后完成橋面鋪裝等。

(2)方案二：預先留出跨中節間的縱梁和橋面板，先安裝其余節間的縱梁并澆筑混凝土橋面板，凝固后再連接跨中節間縱梁，并澆筑混凝土橋面板，最后完成橋面鋪裝等。

(3)方案三：架設鋼梁時先將縱梁和橫梁初擰，吊裝分塊預制橋面板，終擰縱梁與橫梁的連接并澆筑濕接縫，最后完成橋面鋪裝等。

2 三種方案的計算對比

計算分析在不同的施工措施下，分別在恒載和恒載+活載工況下，橫梁的水平彎曲應力、組合應力、縱梁軸力對比。橫梁的最大最小水平彎曲應力與組合應力見表1。

從橫梁的受力情況來看，整個90 m鋼桁梁共9個節間，28個橫梁，橫梁長18 m，將每根橫梁端部的水平彎曲應力繪制成折線圖見圖3，組合應力見圖4。

從圖中可以看出，橫梁的水平彎曲應力最大值出現在與端橫梁緊挨著的次橫梁，并依次向跨中減小，呈中心對稱分布，這是因為端橫梁處水平彎矩大，但最大水平彎曲應力出現在其相鄰的次橫梁處是因為次橫梁的面外剛度小于端橫梁；恒載作用下三種方案的橫梁最大水平彎曲應力分別是42.8 MPa、20.1 MPa、10.2 MPa；三種方案的橫梁最大組合應力分別是76.7 MPa、57.3 MPa、54.7 MPa。由數據的分布可以看出，方案二和方案三都能減小橫梁的水平彎曲應力峰值，方案三減小效果最明顯，方案二除了跨中節間縱梁斷開位置橫梁水平彎曲應力稍大，其余位置均比方案一小。綜合考量，方案三整體應力水平小于方案一，對結構的受力是有利的。

圖1 立面圖(單位：mm)

圖2 橋面系(單位：mm)

表1 不同施工方案下的橫梁應力比較 MPa

圖3 不同施工方案下橫梁水平應力比較

圖4 不同施工方案下橫梁組合應力比較

將3個模型恒載作用下的縱梁軸力進行對比，對比數據見圖5，方案二和方案三的軸力均小于方案一，并依次減小；同時恒載作用下三種方案桁梁的撓度依次增大，分別為139.5 mm、175.4 mm、183.9 mm；縱梁軸力減小說明了它們對橫梁的制約減小，相應地，桁梁的撓度就會增加，這也正是共同作用減小的原因。

圖5 不同施工方案下縱梁軸力比較

3 結 論

針對減小共同作用的諸多方法中，通過加強橋面系本身，比如采用密橫梁體系和正交異性鋼橋面會帶來橋面系本身用 鋼量的增加；其次，密布橫梁混凝土結合梁有裂縫隱患區域較多，對橋面板的耐久性較為不利；正交異性板鋼橋面尚需解決鋼橋面鋪裝問題。設置縱梁臨時或永久斷縫也會存在問題，比如縱梁設置斷縫構造勢必影響鋼桁梁的整體剛度，斷縫處結構處理不當，容易出現漏水、端頭振動等，影響結構耐久性；縱梁斷開，同一節間的平聯斜撐將承受更大的內力，連接部位易被拉裂[2]。

橋面系和主桁共同作用主要是主桁和縱梁的變形不一致，縱梁限制橫梁的變形，適度的釋放掉橫梁和縱梁間的約束是可以減小共同作用的。顯然方案三的施工措施(在混凝土橋面板澆筑前，先釋放掉一部分縱橫梁的約束，再將混凝土橋面板澆筑后，將橫梁和縱梁固接，最后完成橋面鋪裝。)效果更好些。

本文結合公路寬幅大跨鋼桁梁工程實例，提出的改善結構受力狀態的施工措施較好地解決了縱橫梁鋼混組合橋面系共同作用問題，與正交異性橋面板方案相比減少了用鋼量及工程造價，增強了該橋面體系的競爭力。