公路組合橋面下承鋼桁梁橋減小橫梁水平彎曲措施優(yōu)化

伏永鵬, 鄭凱鋒, 劉云飛

(西南交通大學(xué)，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(dǎo)致縱梁產(chǎn)生軸力，橫梁產(chǎn)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(dǎo)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(shè)計(jì)中，鐵路TB1002.1-2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(以下簡稱《橋規(guī)》)中對基本構(gòu)件的計(jì)算規(guī)定是將整個(gè)橋跨結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)平面結(jié)構(gòu)，再按承受各自平面上的荷載計(jì)算桿件內(nèi)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(shí)，下弦桿將伸長變形，與此同時(shí)下弦各節(jié)點(diǎn)橫梁也隨之一起移動(dòng)，同時(shí)卻受到了縱梁的牽制。因此，縱梁將因橫梁的移動(dòng)而受拉，而橫梁將因縱梁的牽制產(chǎn)生面外變形，同時(shí)弦桿的外力也將因此減小而產(chǎn)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(yīng)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(guī)》規(guī)定跨度大于80 m的簡支桁梁，應(yīng)設(shè)有縱梁斷開。一般縱梁斷開設(shè)置在跨中的一個(gè)節(jié)間內(nèi)?？v梁的活動(dòng)端通過一對特制的支座支撐于短伸臂上，可以縱向滑動(dòng)，也可轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)調(diào)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(yīng)，所有縱聯(lián)放在二期恒載施工完畢后再作無應(yīng)力固定連接?？紤]到橋面板較重，施工橋面板前應(yīng)使結(jié)構(gòu)具有一定的剛度和穩(wěn)定性，先將橫梁與其兩側(cè)的縱梁作臨時(shí)連接，以釋放橋面板對橫梁產(chǎn)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(yīng)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(shí)因?yàn)闃蛎嫦蹬c主桁共同作用，主桁的撓度也相應(yīng)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(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)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(jìn)行計(jì)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(chǎn)生的應(yīng)力、縱梁受到的軸力以及桁梁的豎向撓度。

(1)方案一：常規(guī)施工順序即先架設(shè)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(yù)先留出跨中節(jié)間的縱梁和橋面板，先安裝其余節(jié)間的縱梁并澆筑混凝土橋面板，凝固后再連接跨中節(jié)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(shè)鋼梁時(shí)先將縱梁和橫梁初擰，吊裝分塊預(yù)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(jì)算對比

計(jì)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(yīng)力、組合應(yīng)力、縱梁軸力對比。橫梁的最大最小水平彎曲應(yīng)力與組合應(yīng)力見表1。

從橫梁的受力情況來看，整個(gè)90 m鋼桁梁共9個(gè)節(jié)間，28個(gè)橫梁，橫梁長18 m，將每根橫梁端部的水平彎曲應(yīng)力繪制成折線圖見圖3，組合應(yīng)力見圖4。

從圖中可以看出，橫梁的水平彎曲應(yīng)力最大值出現(xiàn)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?yàn)槎藱M梁處水平彎矩大，但最大水平彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在其相鄰的次橫梁處是因?yàn)榇螜M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(yīng)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(yīng)力分別是76.7 MPa、57.3 MPa、54.7 MPa。由數(shù)據(jù)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(yīng)力峰值，方案三減小效果最明顯，方案二除了跨中節(jié)間縱梁斷開位置橫梁水平彎曲應(yīng)力稍大，其余位置均比方案一小。綜合考量，方案三整體應(yīng)力水平小于方案一，對結(jié)構(gòu)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(yīng)力比較 MPa

圖3 不同施工方案下橫梁水平應(yīng)力比較

圖4 不同施工方案下橫梁組合應(yīng)力比較

將3個(gè)模型恒載作用下的縱梁軸力進(jìn)行對比，對比數(shù)據(jù)見圖5，方案二和方案三的軸力均小于方案一，并依次減??；同時(shí)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(yīng)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(jié) 論

針對減小共同作用的諸多方法中，通過加強(qiáng)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(jié)合梁有裂縫隱患區(qū)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(shè)置縱梁臨時(shí)或永久斷縫也會存在問題，比如縱梁設(shè)置斷縫構(gòu)造勢必影響鋼桁梁的整體剛度，斷縫處結(jié)構(gòu)處理不當(dāng)，容易出現(xiàn)漏水、端頭振動(dòng)等，影響結(jié)構(gòu)耐久性；縱梁斷開，同一節(jié)間的平聯(lián)斜撐將承受更大的內(nèi)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(jié)合公路寬幅大跨鋼桁梁工程實(shí)例，提出的改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)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(jià)，增強(qiáng)了該橋面體系的競爭力。