大跨度鐵路鋼桁架-混凝土組合連續梁設計方案

張武鵬飛

中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043

鋼桁架-混凝土組合連續梁的大規模應用始于20世紀末，知名的橋梁有建成于1993年的德國南滕巴赫美因河橋［1］］和建成于2015 年的西班牙大西洋高速鐵路烏拉河橋［2］］，這兩座橋均為鐵路橋梁。南滕巴赫美因河橋為（83.2 + 208 + 83.2）m 三跨連續梁橋，烏拉河橋孔跨為（50+80+3×120+225+240+225+3×120+80）m，四個中跨主墩采用剛構體系。國內對該橋型的研究較少，目前還沒有同類鐵路大橋在國內應用的先例。

相比于傳統的鋼箱-混凝土組合梁，鋼桁架-混凝土組合連續梁用鋼桁架代替了鋼箱部分，其主要特點是在上層橋面采用上弦桿和混凝土橋面板相結合的組合結構，在墩頂負彎矩區的下弦桿也采用與混凝土底板結合的組合結構，形成雙組合截面。因此，在跨中正彎矩區的上弦桿和墩頂負彎矩區的下弦桿都充分利用了混凝土抗壓性。鋼桁架-混凝土組合連續梁的獨特結構使其具備很多優點：與普通鋼橋相比，該橋型剛度大、用鋼量小，降低了工程造價；與混凝土梁橋相比，鋼桁架-混凝土組合連續梁采用鋼主桁，減少了主梁混凝土用量，顯著減輕自重，減小了地震作用，降低了基礎造價［3-4］。鋼桁部分可采用節段懸臂拼裝法施工，合龍之后采用移動模架法施工混凝土橋面，施工便捷，且對環境影響小。另外，混凝土底板可作為檢修平臺，便于后期養護維修。

本文以一座設計中的主跨246 m 鐵路大橋為背景，建立有限元模型計算不同結構體系、桁式、桁高、負彎矩區處理方式下結構的響應，通過比選分析，給出了適合該橋的最優方案。

1 工程概況

大橋總長607.75 m，為雙線無砟軌道鐵路橋，線間距9.8 m，設計荷載為ZKH 活載，設計速度為200 km/h。該橋位于高原山區，橋址處溝谷呈U 形，溝床寬淺，線路海拔3 716 m，地震基本烈度為8 度，地震動反應譜特征周期為0.45 s，橋梁受高原氣候和地震作用影響較大。

大橋主跨采用（124 + 246 + 124）m 鋼桁架-混凝土組合梁，邊跨采用（2×48）m 混凝土T構連續梁。橋梁立面見圖1。

圖1 橋梁立面（單位：cm）

主跨鋼桁架采用Q420qE 及Q500qE 鋼材，橋墩采用C45混凝土，橋面板和底板采用C55混凝土，并通過剪力釘與鋼桁架結合。混凝土橋面板寬17.1 m，板厚25 ～ 71 cm，混凝土底板寬8.6 m，厚0.5 ～ 1.2 m。上下弦桿及腹桿均采用矩形截面，普通截面尺寸為1.4 m（高）×1.2 m（寬），在主墩墩頂附近由于受力較大，弦桿截面尺寸相應增大，弦桿板厚為20 ～60 mm；腹桿截面尺寸為1.2 m × 1.2 m，板厚為20 ～ 48 mm。主跨邊墩采用一個橫向固定縱向放開的活動支座和一個縱橫向均放開的活動支座。

2 結構計算

采用MIDAS/Civil 軟件建立各比選方案的全橋模型，并對結構進行對比計算分析，計算內容主要包含成橋狀態和運營狀態下結構的內力、應力和變形。

主墩墩底采用節點彈性支承并考慮了基礎剛度，橋面板根據TBJ 24—89《鐵路結合梁設計規定》考慮了有效寬度。主要計算荷載包括恒載、活載、風荷載、溫度荷載。恒載包括自重、二期恒載和基礎不均勻沉降；活載包括列車靜活載、制動力、橫向搖擺力；風荷載按縱向和橫向分別加載；溫度荷載分為整體升溫、降溫和鋼桁溫差；各荷載取值均依照TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》。荷載組合主要有：主力、主力+縱向附加力、主力+橫向附加力三種。計算結果顯示，結構主要受主力控制。受篇幅所限，在后續分析中只列出主力工況的計算結果。

3 結構體系選擇

連續梁（如德國南滕巴赫美因河橋）、連續剛構（如西班牙烏拉河橋）是鐵路橋梁中等跨度的設計首選和應用主流［5-6］。結合本橋的特點，對（124 + 246 +124）m 鋼桁架-混凝土組合連續梁和連續剛構進行分析、比選。兩種體系的模型采用相同的橋墩基礎、邊墩支座和梁高，連續梁在44.5 m 高主墩設置固定支座。各結構體系計算結果見表1。

由表1 可知，連續剛構的豎向剛度明顯優于連續梁，橫向剛度略優于連續梁。主力作用下，上下弦桿件的受力情況連續剛構總體優于連續梁，尤其是上弦桿的受力。連續剛構最大軸力比連續梁小4 495 kN，因此，上弦桿最大截面采用1.4 m × 1.2 m 的普通截面，無需像連續梁一樣進行局部加寬處理，這樣有利于上弦桿與混凝土橋面板連接構造統一。

表1 各結構體系計算結果

本橋采用無砟軌道，對軌道平順性尤其是梁端轉角控制較嚴，必須控制在1‰rad以內。連續梁剛度較小，為控制梁端轉角滿足要求，增大了梁端附近的桿件板厚，用鋼量增加較多，其每延米用鋼量比連續鋼構多1.26 t，經濟性較差。另外，連續剛構抗震性能優，還可以節省支座，減少支座維修養護。綜合比選，推薦采用連續剛構。

4 關鍵參數

4.1 桁式

鋼桁架常用三種桁式方案［7-8］，見表 2。N 形桁架所有節點都在斜桿交匯，桿件夾角較小，受力不利，且節點板尺寸較大，節點板用鋼量多；帶豎桿華侖型桁架桿件較多，節點板尺寸比N 形桁架更大；三角形桁沒有豎桿，減少了桿件數量，桿件夾角相對較大，節點板尺寸最小，可大量節省用于腹桿拼接的鋼材。另外，對于變高度鋼桁梁，N形桁架和帶豎桿華侖型桁架桿件種類較多，構造復雜，增加了施工難度。從結構受力、外觀、經濟性方面考慮，采用華倫型的三角形桁架。

表2 桁式方案對比

4.2 下弦曲線

設計3 種主桁下弦輪廓形式（圖2）：方案1 下弦曲線沿直線段變化，下弦輪廓變化簡單，鋼桁立面十分簡潔，桿件易加工，但剛度變化大，材料有一定浪費，經濟性稍差；方案2 下弦曲線采用y=-0.001 766x1.8拋物線形式，主梁下弦曲線優美，結構美觀，多應用于混凝土連續梁；方案3 下弦曲線采用反向相切，半徑為427.4 m 的圓曲線，下弦曲線類似魚腹，輪廓優美，造型更加飽滿，有利于結構受力［7］。不同下弦曲線方案計算結果見表3。

表3 不同下弦曲線方案計算結果

由表3 可知：三個方案的剛度和受力情況相差較小，但方案1用鋼量較大，經濟性較差。方案2和方案3各方面都非常接近，其中方案2 用鋼量比方案3 少28 t，經濟性略優。另外，方案2 下弦桿控制截面軸壓力比方案3 小5 670 kN，因此下弦桿最大截面更小，但下弦桿不同于上弦桿，特殊截面不會引起鋼桁-混凝土連接復雜化，截面尺寸更靈活。方案2 各方面都略占優勢，但考慮結構的經濟性、新穎性和美觀性，推薦采用方案3。

4.3 桁高

桁高是由受力性能、用鋼量等要求共同確定的。桁高越高主梁豎向剛度越大，桁高增加時上下弦桿的受力和截面尺寸會減小，看似減少了用鋼量，但腹桿長度的增加會增大用鋼量，反之亦然。因此，為了得到合適的桁高，計算對比桁高為7.6～16.5 m，9.6～18.5 m，11.6～20.5 m 三個方案在主力工況下的受力情況和用鋼量，結果見表4。

由表4 可知：方案1 因桁高低，主梁剛度小，桿件內力較大，為了滿足梁端轉角的要求，桿件截面和板厚都須增大，導致用鋼量較大，經濟性較差；方案3 主梁剛度最大，桁架內力較小，弦桿截面尺寸小，弦桿用鋼量較小，但桁高的增高導致腹桿長度增大，腹桿用鋼量較大，總體用鋼量較多。綜合考慮，選取用鋼量最小的方案2，即梁高為9.6～18.5 m。

4.4 節間長度

節間長度直接影響弦桿、腹桿長度以及斜腹桿的傾角。節間長度小，腹桿用鋼量較大，不經濟；節間長度大，則上弦桿跨度大，受力較不利。

斜腹桿傾角由節間長度與主桁高度的比值決定。傾角過小腹桿數量會增加，此種情況下節點板數量多且節點板尺寸大。傾角過大腹桿內力較大，腹桿截面尺寸會增大。

本文設計了三種主桁節間布置方案，見圖3。可知：方案1 腹桿角度相對較大，對減小節點板尺寸有利，對弦桿、腹桿的受力較為不利；方案2 中相鄰腹桿的夾角不均勻，對墩頂部分的節點板設置較為不利；方案3 為方案1 和方案2 的折中方案，腹桿夾角均勻，節點板尺寸較小，腹桿數量、長度適中，節間比例勻稱美觀。因此，選擇方案3的節間布置。

4.5 桁間距及主桁傾角

鋼桁梁主桁中心距（桁間距）由桁梁橫向剛度、橫向穩定性以及線路行車要求共同決定。本橋為雙線鐵路大橋，線間距9.8 m。為便于主桁傳力和橋面板輕量化設計，擬定上弦桿桁間距采用9.8 m，在保持截面高度、桿件尺寸不變的情況下分別對腹板為直桁、腹板外傾、腹板內傾進行對比分析，腹板外傾、腹板內傾均按17.5∶1 設計。三個方案跨中和墩頂截面構造見圖4—圖6，不同腹桿傾角方案計算結果見表5。

圖4 方案1（單位：cm）

圖5 方案2（單位：cm）

圖6 方案3（單位：cm）

由表5 可知：①方案2 腹板與下弦橫梁角度最大，方案1 次之，方案3 最小，而3 個方案的豎向剛度基本一致。②方案3 上弦桿軸力最小，方案2 最大，下弦正好相反，整體來說，桿件受力相差不大。③無論是用鋼量和混凝土用量，方案2 都較大，方案1 略大于方案3。考慮到直桁腹桿位于線路中心線正下方，受力簡單、傳力明確，構造處理相對簡單，推薦方案1，即腹板與橫梁垂直的直桁斷面形式。

表5 不同腹桿傾角方案計算結果

4.6 負彎矩區橋面板開裂解決方案比選

鋼桁架-混凝土組合連續梁負彎矩區混凝土處于受拉狀態，極易在外荷載作用下發生開裂，進而引起結構的剛度退化以及結構耐久性問題。為控制與防止負彎矩區混凝土開裂，本文提出三種解決方案，分別為高配筋方案；抗拔不抗剪連接件+預應力方案；橋面板、鋼桁不結合方案。

4.6.1 方案1

該方案允許負彎矩區橋面板開裂，但是通過提高橋面板縱向配筋率以及調整施工工序，使得橋面板裂縫寬度始終在限值范圍內，從而保證橋梁滿足耐久性要求。該方案的主要優點是可以最大程度地利用鋼與混凝土兩種材料的受力優勢，減少鋼材用量，并且施工工藝簡單，造價較低。缺點是普通鋼筋用量較大。經計算，該方案在負彎矩區縱向普通鋼筋配筋率為3.5%，其他位置為2.4%。

4.6.2 方案2

該方案通過調整施工工序增大跨中橋面板壓力儲備，利用抗拔不抗剪連接件釋放負彎矩區橋面板拉力，并采用預應力調整橋面板內力，使得橋面板拉應力不超限，從而保證橋面板不開裂［9-11］。在橋梁墩頂負彎矩區域，混凝土橋面板與鋼桁梁結構之間剪力釘采用抗拔不抗剪的結合方式；其他區域采用全結合的連接方式，抗拔不抗剪連接與全結合連接之間設置斷縫，剪力釘布置見圖7。

圖7 剪力釘布置

預應力鋼束采用1 860 MPa 鋼絞線，鋼束規格采用12‐7φ5。在抗拔不抗剪剪力釘布置區域，橋面板斷面布置10根預應力鋼束，全結合剪力釘布置區域橋面板布置14 根預應力鋼束，預應力鋼束布置見圖8。該方案的主要優點是可以避免橋面板開裂，保證結構的耐久性，同時用鋼量以及普通鋼筋用量都較低。缺點是由于預應力體系中的鋸齒塊構造復雜，預應力施工工序及工藝要求較高，導致施工難度相對較高，施工質量不易保證。

圖8 橋面板預應力鋼束布置

4.6.3 方案3

采用沿縱向密集斷縫分塊的橋面結構，以此釋放橋面板負彎矩區的拉力，并降低混凝土收縮徐變效應和溫度效應的影響，此時橋面板對結構縱橋向的受力貢獻很小，結構受力主要由鋼桁梁承擔。該方案的主要優點是施工簡單，受力明確，結構耐久性和可靠度都較好，缺點是用鋼量大，造價較高。主力作用下三個方案主桁應力見圖9，具體計算結果見表6。

圖9 主力作用下三個方案主桁應力（單位：MPa）

表6 各負彎矩區橋面板處理方案計算結果

由表6 可知：①方案1 豎向剛度最大，用鋼量最少，雖然普通鋼筋用量最大，但綜合來看經濟性依然最優。由于方案1在負彎矩區充分利用了普通鋼筋受力，所以上弦桿軸力最小，上弦桿截面尺寸最小。②方案2通過抗拔不抗剪連接件部分利用了鋼桁架和橋面板組合作用，減少了一定用鋼量，但連接構造相對復雜，施工難度最大。③方案3 由于未能利用橋面板參與縱向受力，所以用鋼量最大，經濟性較差。因此，綜合考慮經濟性和施工便捷性，推薦采用方案1。

5 結語

本文通過比選研究發現，大跨度鋼桁架-混凝土組合連續梁鐵路橋更適合采用連續鋼構形式；下弦采用漸變高度的曲線形式比直線形式更省材料；桁高存在合理經濟值，使主桁剛度既能滿足使用要求，又能減少材料用量；主桁腹桿從內傾到外傾變化時，豎向剛度基本不變，橫向剛度逐漸增加，材料用量也逐漸增加；墩頂負彎矩區采用高配筋允許混凝土橋面板開裂，但限制裂縫寬度的方式經濟性最優。