大跨度公鐵兩用橋梁公路橋面系設(shè)計(jì)研究

簡方梁,楊永明,焦亞萌,李 昊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

鋼桁梁由于剛度大，并可很好適應(yīng)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(jié)構(gòu)形式。鄭濟(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jīng)較少采用，鐵路橋面系通常采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力混凝土橋面板等形式[12-17]。結(jié)合鄭濟(jì)高鐵鄭州黃河特大橋公鐵兩用主橋，針對公路橋面板進(jìn)行了選型研究、總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析研究等，所采用的設(shè)計(jì)方法可為類似項(xiàng)目參考。

鄭濟(jì)高鐵鄭州黃河公鐵兩用橋?yàn)猷崫?jì)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(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。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(xù)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(diǎn)桁高加高15.0 m，桁寬(13.4+13.4) m，邊跨節(jié)間長10.25，10.5，12 m，中跨節(jié)間長度12.0 m。立面布置如圖1所示。

圖1 鄭濟(jì)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(shè)計(jì)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?yōu)r青鋪裝帶來的鋼結(jié)構(gòu)疲勞問題，其上鋪設(shè)15 cm厚混凝土板，然后再鋪設(shè)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(jié)點(diǎn)處設(shè)節(jié)點(diǎn)橫梁，相鄰節(jié)點(diǎn)橫梁間設(shè)3片節(jié)間橫梁，等間距布置。公路橋面系不設(shè)縱梁，如圖3所示。

圖3 正交異形鋼橋面板方案(單位:cm)

(2)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)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(jié)合，形成組合結(jié)構(gòu)，公路橋面系不設(shè)置縱、橫梁結(jié)構(gòu)。公路橋面板采用肋板式構(gòu)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(shè)置橫肋，橫肋高40 cm，寬37 cm。橋面板內(nèi)配置縱、橫向預(yù)應(yīng)力筋以滿足受力要求，如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)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(jié)點(diǎn)處設(shè)置節(jié)點(diǎn)橫梁，擱置式橋面板采用多片小縱梁的組合板結(jié)構(gòu)，左右側(cè)分幅設(shè)置。每幅公路橋面設(shè)置小縱梁5片，小縱梁沿順橋向根據(jù)節(jié)間長度分段，標(biāo)準(zhǔn)長度為12.0 m，各節(jié)段間橋上工地焊接為整體。在公路橫梁上方對應(yīng)位置設(shè)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(shè)8 mm厚鋼板，焊接φ19 mm×150 mm剪力釘，現(xiàn)澆20 cm厚混凝土橋面板，形成組合板結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 擱置式橋面方案(單位:cm)

3種方案優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，從表1可見，各個方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，故需對公路橋面系的不同方案進(jìn)行進(jìn)一步比選。

表1 不同橋面系方案比較

2.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

(1)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角如表2所示。從表2可知，預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板方案豎向剛度最優(yōu)，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(jié)構(gòu)受力

各種方案的結(jié)構(gòu)最大桿件軸力如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可見，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)合橋面方案橋面板質(zhì)量最大，因此主桁桿件內(nèi)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(yù)應(yīng)力解決了支點(diǎn)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(yōu)化了主桁結(jié)構(gòu)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(nèi)力相對較大。而就正交異性鋼橋面板整體而言，桿件內(nèi)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(shù)量

各方案主要材料用量如表3所示，從表3可知，預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板方案結(jié)構(gòu)自身質(zhì)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(yù)應(yīng)力混凝土橋面板方案小20.4%，擱置式橋面板方案較預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板方案小15.7%；預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)主體工程造價預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板方案最優(yōu)。

表3 各方案每延米工程量對比 t/m

2.3 小結(jié)

從結(jié)構(gòu)豎向剛度、結(jié)構(gòu)受力、工程造價3個方面對公路預(yù)應(yīng)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(jìn)行了分析比選。在結(jié)構(gòu)豎向剛度和梁端轉(zhuǎn)角方面，預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板方案優(yōu)于正交異性鋼橋面板方案和擱置式橋面板方案；在結(jié)構(gòu)受力方面，盡管預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板方案延米質(zhì)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(yù)應(yīng)力混凝土橋面方案用鋼量大大節(jié)省，其用鋼量明顯優(yōu)于正交異性鋼橋面板方案和擱置式橋面板方案，經(jīng)濟(jì)性好。綜合考慮，本項(xiàng)目中公路橋面系采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板方案。

3 公路橋面系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體布置

公路混凝土橋面板全寬32.5 m，分為預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分。預(yù)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(shè)74～90 cm的現(xiàn)澆縱縫；縱橋向標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制板寬包括230，220，202 cm三種，梁端板寬179 cm。預(yù)制板間設(shè)置46.5～80 cm的現(xiàn)澆橫縫，梁端伸縮縫處現(xiàn)澆橫縫寬173.5 cm。為適應(yīng)邊桁上弦桿頂面布置的剪力釘，預(yù)制板在邊桁位置設(shè)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(guī)格。

總體布置需要特別注意：應(yīng)結(jié)合鋼桁梁的節(jié)間布置，預(yù)制板縱向分塊長度，預(yù)應(yīng)力筋布置等情況，準(zhǔn)確確定整個公路橋面板的布置情況和各種板件的分類數(shù)量。本橋最終確定的預(yù)制板分類如表4所示。預(yù)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(yīng)合理確定分類，并應(yīng)注意橫縫中包含上弦桿預(yù)拱度調(diào)整量，部分橫縫由于預(yù)應(yīng)力錨固需要加厚。

總體布置還應(yīng)結(jié)合整體設(shè)計(jì)分析，合理確定橋面板的施工工序。

3.2 結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

混凝土橋面板厚度為30 cm，沿橋梁縱向間隔3.0 m設(shè)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(jì)算

由于公路橋面板與鋼桁上弦桿結(jié)合，形成整體共同受力，因此，橋面板的縱向計(jì)算必須采用整體模型計(jì)算[18-20]。在計(jì)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(jìn)行公路橋面板的模擬，便于準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)受力在三片主桁之間的傳遞及分配規(guī)律。后期，為便于配筋計(jì)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(jì)算模型如圖10所示。

圖10 整體計(jì)算模型

關(guān)鍵計(jì)算參數(shù)確定如下。

鋼混彈模比參照相關(guān)規(guī)范[21]取為：恒載計(jì)算鋼混彈模比取為n=15，活載計(jì)算采用n=10，溫度計(jì)算采用n=6。

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

值得一提的是由于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)由整個結(jié)構(gòu)承受，在對連續(xù)梁支點(diǎn)上沿混凝土板施加預(yù)應(yīng)力的同時，鋼結(jié)構(gòu)也會承受預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，因此合理的確定預(yù)應(yīng)力度比較關(guān)鍵，本次橋面板按A類構(gòu)件設(shè)計(jì)檢算，避免配置過多預(yù)應(yīng)力筋造成結(jié)構(gòu)整體受力的改變。

橋面板有效寬度按照相關(guān)規(guī)范計(jì)算[24]。通過配置合理的縱向預(yù)應(yīng)力筋，縱向整體檢算結(jié)果如圖11、圖12所示。從圖10、圖11可見，在長期效應(yīng)組合下，混凝土板上下緣應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最小壓應(yīng)力1.92 MPa；在短期效應(yīng)組合下，邊桁對應(yīng)混凝土板下緣有0.17 MPa的拉應(yīng)力，滿足A類構(gòu)件要求。

圖11 不同位置混凝土橋面板長期組合應(yīng)力

圖12 不同位置混凝土橋面板短期組合應(yīng)力

(3)橫向計(jì)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(xiàn)為板的橫向受力。因此需對橫向進(jìn)行分析。

橫向計(jì)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(jié)段的鋼桁梁模型。橫向模型考慮先簡支后連續(xù)，分階段施加先張、后張預(yù)應(yīng)力，并利用MIDAS的橫向加載功能，自動考慮跨中及中支點(diǎn)的最不利布載位置。按照CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[25]中城A級車輛荷載布載，車輪荷載縱向分布寬度按照J(rèn)TG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[26]計(jì)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(yīng)力如表5所示。驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。

表5 短期效應(yīng)組合

(4)預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)

考慮到縱向預(yù)應(yīng)力錨固會在公路橋面板底產(chǎn)生鋸齒塊，封錨混凝土后期有脫落風(fēng)險(xiǎn)，影響下層鐵路的運(yùn)營安全。在本次設(shè)計(jì)中，對預(yù)應(yīng)力筋的錨固采取在橫向濕接縫中預(yù)留錨固方槽的形式進(jìn)行，在預(yù)應(yīng)力筋張拉完畢后，進(jìn)行槽口封閉，并張拉濕接縫中的橫向預(yù)應(yīng)力，避免了后期對下層鐵路的安全隱患。

4 結(jié)論

(1)從結(jié)構(gòu)剛度、受力及工程造價幾個方面綜合比選，采用預(yù)應(yīng)力混凝土橋面結(jié)構(gòu)作為公路橋面系為較優(yōu)選擇。

(2)公路橋面系的整體設(shè)計(jì)中應(yīng)著重根據(jù)鋼梁節(jié)間長度、混凝土縱向分塊、預(yù)應(yīng)力布置等情況，合理確定板件分類及布置情況，便于預(yù)制板的加工及安裝。

(3)在橋面板的縱向整體計(jì)算中，通過結(jié)合板單元與梁單元計(jì)算結(jié)果，合理確定各片主桁之間力的分配，并通過合理選擇預(yù)應(yīng)力度，完成了混凝土橋面板縱向設(shè)計(jì)。

(4)通過在橫向濕接縫中設(shè)置張拉錨槽，避免封錨混凝土后期的脫落風(fēng)險(xiǎn)。

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