大跨度公鐵兩用橋梁公路橋面系設計研究

簡方梁,楊永明,焦亞萌,李 昊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

鋼桁梁由于剛度大，并可很好適應公路和鐵路的上下分層布置，是目前大跨度公鐵兩用橋梁常用的主梁結構形式。鄭濟黃河橋[1]、蕪湖長江大橋[2]，銅陵長江大橋[3-4]、天興洲長江大橋[5]、滬通長江大橋等[6-9]公鐵兩用橋梁均采用了鋼桁梁主梁，另有部分大跨鐵路橋梁也采用了鋼桁梁結構形式，如德大黃河橋[10]，鄭焦黃河橋[11]等。鋼桁梁主梁橋面系結構有多種形式，其中，早期普通的鐵路鋼桁梁橋面多采用縱橫梁體系，縱橫梁之上直接支承枕木與軌道。這種結構構造簡單，維修方便，但橋面系整體剛度較小，振動和噪聲較大，不利于高速行車，近些年在高速鐵路橋梁上已經較少采用，鐵路橋面系通常采用正交異性鋼橋面板結構形式，對于特大跨度橋梁，鐵路橋面系也可采用箱形截面增加橋面系剛度。而公路橋面板可采用正交異性鋼橋面板、縱橫梁加鋼筋混凝土橋面板、擱置式橋面板、預應力混凝土橋面板等形式[12-17]。結合鄭濟高鐵鄭州黃河特大橋公鐵兩用主橋，針對公路橋面板進行了選型研究、總體設計及結構計算分析研究等，所采用的設計方法可為類似項目參考。

鄭濟高鐵鄭州黃河公鐵兩用橋為鄭濟高速鐵路、鄭新市域鐵路和鄭新快速路(公路)的合建橋梁，按4線鐵路和6車道城市快速路合建橋梁標準建設。鄭州黃河特大橋公鐵兩用主橋采用(112+6×168+112) m三桁下加勁連續鋼桁梁方案，平行弦部分邊桁桁高15.0 m、中桁桁高15.27 m，中支點桁高加高15.0 m，桁寬(13.4+13.4) m，邊跨節間長10.25，10.5，12 m，中跨節間長度12.0 m。立面布置如圖1所示。

圖1 鄭濟鐵路鄭州黃河公鐵兩用橋主橋立面布置(單位：m)

橫斷面采用公路與鐵路交通分層布置，下層為4線鐵路，上層為6線公路。橋面總寬32.5 m，如圖2所示。

圖2 典型橫斷面(單位：mm)

2 公路橋面板選型

2.1 設計方案簡介

考慮各種方案的利弊，公路橋面比選了如下3種方案。

(1)正交異性鋼橋面板方案(方案1)

公路橋面采用正交異性鋼橋面板，為克服單純瀝青鋪裝帶來的鋼結構疲勞問題，其上鋪設15 cm厚混凝土板，然后再鋪設瀝青，增加橋面板的局部剛度。公路橫梁截面等高，每幅路面呈2%的單向坡以便于排水。橫梁采用倒T形截面，節點處設節點橫梁，相鄰節點橫梁間設3片節間橫梁，等間距布置。公路橋面系不設縱梁，如圖3所示。

圖3 正交異形鋼橋面板方案(單位:cm)

(2)預應力混凝土結合橋面方案(方案2)

該方案公路混凝土橋面板與鋼桁梁上弦桿上翼緣通過剪力釘結合，形成組合結構，公路橋面系不設置縱、橫梁結構。公路橋面板采用肋板式構造，每幅路面呈2%的單向坡以便于排水。混凝土橋面板厚度為30 cm，沿橋梁縱向間隔3.0 m橋面板設置橫肋，橫肋高40 cm，寬37 cm。橋面板內配置縱、橫向預應力筋以滿足受力要求，如圖4所示。

圖4 預應力混凝土橋面板方案(單位:cm)

(3)擱置式橋面方案(方案3)

該方案公路橋面系在節點處設置節點橫梁，擱置式橋面板采用多片小縱梁的組合板結構，左右側分幅設置。每幅公路橋面設置小縱梁5片，小縱梁沿順橋向根據節間長度分段，標準長度為12.0 m，各節段間橋上工地焊接為整體。在公路橫梁上方對應位置設置橫肋，工地焊接將5片小縱梁連接成整體。在由小縱梁、橫肋形成的格子梁體系上方鋪設8 mm厚鋼板，焊接φ19 mm×150 mm剪力釘，現澆20 cm厚混凝土橋面板，形成組合板結構，如圖5所示。

圖5 擱置式橋面方案(單位:cm)

3種方案優缺點如表1所示，從表1可見，各個方案各有優缺點，故需對公路橋面系的不同方案進行進一步比選。

表1 不同橋面系方案比較

2.2 技術經濟比選

(1)結構豎向撓度

靜活載作用下，3種公路橋面方案的跨中撓度和梁端轉角如表2所示。從表2可知，預應力混凝土橋面板方案豎向剛度最優，擱置式橋面板方案由于橋面板不參與整體受力，剛度最差。

表2 主桁跨中豎向撓度 mm

(2)結構受力

各種方案的結構最大桿件軸力如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可見，預應力混凝土結合橋面方案橋面板質量最大，因此主桁桿件內力有所增加；但同時混凝土也提供了較大的剛度，且施加的預應力解決了支點上方混凝土受拉問題，使得大部分桿件軸向拉力較正交異性鋼橋面板方案減小，在一定程度上優化了主桁結構用鋼量。擱置式橋面板方案由于不考慮公路橋面系的共同作用，因此其上弦桿內力相對較大。而就正交異性鋼橋面板整體而言，桿件內力均較小。

圖6 各方案平行弦軸力

圖7 各方案加勁弦軸力

(3)工程數量

各方案主要材料用量如表3所示，從表3可知，預應力混凝土橋面板方案結構自身質量為79.6 t/m，正交異性鋼橋面板方案為63.4 t/m，擱置式橋面板方案為67.1 t/m，正交異性鋼橋面板方案較預應力混凝土橋面板方案小20.4%，擱置式橋面板方案較預應力混凝土橋面板方案小15.7%；預應力混凝土橋面板方案用鋼量為36.7 t/m，正交異性鋼橋面板方案為44.3 t/m，擱置式橋面板方案為43.5 t/m，正交異性鋼橋面板方案較預應力混凝土橋面板方案增加20.7%，擱置式橋面板方案增加18.5%，主橋上部結構主體工程造價預應力混凝土橋面板方案最優。

表3 各方案每延米工程量對比 t/m

2.3 小結

從結構豎向剛度、結構受力、工程造價3個方面對公路預應力混凝土橋面方案、正交異性鋼橋面板方案與擱置式橋面板方案進行了分析比選。在結構豎向剛度和梁端轉角方面，預應力混凝土橋面板方案優于正交異性鋼橋面板方案和擱置式橋面板方案；在結構受力方面，盡管預應力混凝土橋面板方案延米質量略大，但其剛度相對較大，改善了主桁桿件的受力性能，主桁用鋼量與后兩個方案相差不大；公路橋面系用鋼量方面，預應力混凝土橋面方案用鋼量大大節省，其用鋼量明顯優于正交異性鋼橋面板方案和擱置式橋面板方案，經濟性好。綜合考慮，本項目中公路橋面系采用預應力混凝土橋面板方案。

3 公路橋面系結構設計

3.1 總體布置

公路混凝土橋面板全寬32.5 m，分為預制和現澆兩部分。預制板橫向分為2塊，每塊長15.8 m，沿中桁中心線對稱布置，中桁頂寬設74～90 cm的現澆縱縫；縱橋向標準預制板寬包括230，220，202 cm三種，梁端板寬179 cm。預制板間設置46.5～80 cm的現澆橫縫，梁端伸縮縫處現澆橫縫寬173.5 cm。為適應邊桁上弦桿頂面布置的剪力釘，預制板在邊桁位置設剪力釘槽，槽口尺寸分為86 cm×30 cm、86 cm×40 cm、86 cm×50 cm、86 cm×60 cm四種規格。

總體布置需要特別注意：應結合鋼桁梁的節間布置，預制板縱向分塊長度，預應力筋布置等情況，準確確定整個公路橋面板的布置情況和各種板件的分類數量。本橋最終確定的預制板分類如表4所示。預制橋面分為AA、AC、BA、BC、BD、BE、BF、CA等8類，其中，為錨固需要，AC、BC、BE類板厚350 mm，其他板厚300 mm。

表4 公路橋面板分類

各種縱向濕接縫和橫向濕接縫也應合理確定分類，并應注意橫縫中包含上弦桿預拱度調整量，部分橫縫由于預應力錨固需要加厚。

總體布置還應結合整體設計分析，合理確定橋面板的施工工序。

3.2 結構詳細設計

(1)結構構造

混凝土橋面板厚度為30 cm，沿橋梁縱向間隔3.0 m設置橫肋，橫肋高40 cm，寬37 cm。典型的橋面板布置如圖8、圖9所示。

圖8 典型橋面板平面布置(單位:mm)

圖9 典型橋面板斷面(單位:mm)

(2)縱向整體計算

由于公路橋面板與鋼桁上弦桿結合，形成整體共同受力，因此，橋面板的縱向計算必須采用整體模型計算[18-20]。在計算中，采用板單元及梁單元兩種模型模擬公路橋面板。

首先采用板單元進行公路橋面板的模擬，便于準確把握結構受力在三片主桁之間的傳遞及分配規律。后期，為便于配筋計算，公路橋面板采用梁單元模擬，三片主桁上公路橋面板恒載分配比例可參照前述板單元模型，公路橋面板與鋼桁上弦之間的剪力釘采用彈性連接模擬，整體計算模型如圖10所示。

圖10 整體計算模型

關鍵計算參數確定如下。

鋼混彈模比參照相關規范[21]取為：恒載計算鋼混彈模比取為n=15，活載計算采用n=10，溫度計算采用n=6。

剪力釘抗剪剛度查閱相關文獻[22-23]，最終取每個剪力釘為50 kN/mm。

值得一提的是由于預應力效應由整個結構承受，在對連續梁支點上沿混凝土板施加預應力的同時，鋼結構也會承受預應力效應，因此合理的確定預應力度比較關鍵，本次橋面板按A類構件設計檢算，避免配置過多預應力筋造成結構整體受力的改變。

橋面板有效寬度按照相關規范計算[24]。通過配置合理的縱向預應力筋，縱向整體檢算結果如圖11、圖12所示。從圖10、圖11可見，在長期效應組合下，混凝土板上下緣應力均為壓應力，最小壓應力1.92 MPa；在短期效應組合下，邊桁對應混凝土板下緣有0.17 MPa的拉應力，滿足A類構件要求。

圖11 不同位置混凝土橋面板長期組合應力

圖12 不同位置混凝土橋面板短期組合應力

(3)橫向計算

橋面板除了與鋼桁梁整體受力之外，還承受橋面板之上的恒載、活載等局部荷載，表現為板的橫向受力。因此需對橫向進行分析。

橫向計算采用MIDAS軟件建立每種類型單板模型，為更好的考慮單板在鋼桁梁上的支撐條件，建立了一個節段的鋼桁梁模型。橫向模型考慮先簡支后連續，分階段施加先張、后張預應力，并利用MIDAS的橫向加載功能，自動考慮跨中及中支點的最不利布載位置。按照CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》[25]中城A級車輛荷載布載，車輪荷載縱向分布寬度按照JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋涵設計規范》[26]計算。

建立的有限元分析模型如圖13所示。

圖13 橫向分析模型

在典型組合下的板應力如表5所示。驗算結果滿足要求。

表5 短期效應組合

(4)預應力錨固設計

考慮到縱向預應力錨固會在公路橋面板底產生鋸齒塊，封錨混凝土后期有脫落風險，影響下層鐵路的運營安全。在本次設計中，對預應力筋的錨固采取在橫向濕接縫中預留錨固方槽的形式進行，在預應力筋張拉完畢后，進行槽口封閉，并張拉濕接縫中的橫向預應力，避免了后期對下層鐵路的安全隱患。

4 結論

(1)從結構剛度、受力及工程造價幾個方面綜合比選，采用預應力混凝土橋面結構作為公路橋面系為較優選擇。

(2)公路橋面系的整體設計中應著重根據鋼梁節間長度、混凝土縱向分塊、預應力布置等情況，合理確定板件分類及布置情況，便于預制板的加工及安裝。

(3)在橋面板的縱向整體計算中，通過結合板單元與梁單元計算結果，合理確定各片主桁之間力的分配，并通過合理選擇預應力度，完成了混凝土橋面板縱向設計。

(4)通過在橫向濕接縫中設置張拉錨槽，避免封錨混凝土后期的脫落風險。

(5)本文所采用的公鐵兩用橋梁公路橋面系設計研究方法可為后續公鐵兩用橋梁參考。