跨既有鐵路多箱斜交簡支鋼－混結合梁橋設計

李傳琳

(中國中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，昆明 650200)

1 概述

昆明新機場高速公路李其村大橋上跨鐵路部分，受規劃、用地及地面構筑物的影響，高速公路主線與鐵路中心線的夾角僅32°～40°，且由于上部高壓線和下部鐵路凈空的雙重限制，上部結構和施工共同可用高度僅剩3.35 m。經與鐵路相關單位反復協商、充分論證最終確定了以(45+52)m斜交60°的孔跨形式跨越鐵路。其平面關系詳見圖1。

圖1 李其村大橋上跨鐵路部分平面(單位:cm)

2 施工方案與結構形式的選擇

由于大橋跨越的鐵路線均有較繁忙的運營要求，橋梁結構的選擇應在滿足成橋后鐵路凈空要求的前提下，還應充分考慮施工過程可能對鐵路運輸的影響。設計初期針對預應力混凝土連續梁、預應力混凝土簡支T梁、連續鋼箱梁等結構形式進行了研究。預應力混凝土連續梁施工階段懸灌掛籃不能滿足橋下鐵路電氣化安全要求;預應力混凝土簡支T梁最大吊裝重力達1 970 kN，架設難度大;連續鋼箱梁同樣是架設困難，拼接支架侵占鐵路凈空等問題，因此否定了這幾種梁部結構形式。經過前期的研究，總結出梁部結構形式應滿足以下幾個限制條件:(1)梁部結構高度不能大于3.0 m。(2)施工階段梁下需要使用的空間不應大于0.5 m(鐵路搭設防護棚架后可用空間)。(3)橋孔中間不能搭設臨時支墩，墩傍支架寬度應小于1.5 m。(4)單片架設重力不宜大于1 000 kN。

經過比選分析后，最終確定采用多箱斜交簡支鋼－混結合梁，鋼結構部分按輕型架橋機架設的施工方法進行設計。分兩個施工階段，第一施工階段鋼梁分段廠制，運抵施工場地單梁組拼成型，吊上引橋橋面后架橋機架設就位，以鋼梁為模架進行鋼筋混凝土預制橋面板安裝并澆筑濕接縫，此時一期恒載由鋼梁承擔;第二施工階段橋面設備施工，二期恒載及活載由鋼梁與鋼筋混凝土橋面板形成的組合截面承擔。能夠滿足上述限制條件。

3 鋼-混結合梁的結構設計

3.1 主梁布置

該橋位于半徑4 000 m的曲線上，鋼梁采用直線平行布置，通過調整混凝土橋面板邊緣寬度順適線形。單幅橋面總寬為19.95 m，每幅橋采用6榀單室敞口鋼箱梁，各榀鋼箱梁間用箱內橫隔板和箱外橫梁聯結成梁格體系(圖2)。梁格體系與鋼筋混凝土橋面板形成閉合多箱單室結構形式。

圖2 52 m跨簡支鋼-混結合梁鋼梁平面(單位:cm)

3.2 橫斷面設計

本橋單幅橋面由6根等高度鋼箱梁組成，鋼箱梁寬1.7 m，高2.6 m，橋面板厚0.25 m，結構總高2.85 m。各鋼箱梁相鄰腹板間間距1.7 m，全橋每隔4.5 m左右設置橫梁、橫隔板，將各箱梁連成具有強大整體剛度的空間結構(圖3)。每根鋼箱梁采用U形開口斷面，每道腹板上設0.6 m寬上翼緣，每箱下翼緣寬1.76 m。鋼梁上翼緣板厚25 mm，下翼緣板厚34 mm，腹板板厚30 mm。為減小下翼緣板厚，箱內下翼緣設兩道縱向通長加勁肋，為提高腹板局部穩定性，縱向間距1.5 m左右設豎向腹板加勁肋。豎向加勁肋還能防止上翼緣在施工過程產生屈曲失穩。

圖3 52 m跨簡支鋼-混結合梁橫斷面(單位:mm)

3.3 橋面板設計

鋼-混結合梁的橋面板不僅起到把橋面荷載分配并傳達給梁格承重體系的作用，還作為局部構件直接承受車輛荷載，更重要的是作為組合結構中的一部分與鋼梁形成一體共同負擔荷載。混凝土橋面板一般有現澆橋面板和預制橋面板兩種形式。現澆橋面板雖然施工工序較少，施工較為方便，但由于混凝土橋面板的收縮變形受到鋼梁及剪力連接件的約束，往往早期在非荷載階段就出現裂縫，大大影響了結構的耐久性。鑒于本橋橋面面積較大，混凝土橋面板的收縮徐變影響更為明顯，最終采用預制橋面板。橋面板分塊預制后放置一定的時間加以養護，在完成大部分的水化熱反應及收縮變形后進行架設。再施作橋面板位于主梁上翼緣和橫梁位置的濕接縫。濕接縫采用與橋面板同強度等級的微膨脹鋼纖維混凝土。

4 多箱鋼-混結合梁的結構分析

4.1 總體思路及相關參數

結構體系分為兩個階段計算，第一階段為鋼梁吊裝就位后，以鋼梁為模架澆筑混凝土橋面板時，一期恒載(包括鋼梁自重和聯結系、橋面板)等施工荷載均由鋼梁承擔;第二階段為橋面板混凝土終凝形成組合梁后，二期恒載(橋面鋪裝、防撞護欄)和活載等其他荷載由組合梁承受。計算分析采用兩種方法分別計算，首先采用單梁桿單元模型進行初步計算，確定合理梁高及鋼梁各部位板厚，混凝土橋面板厚等主要結構尺寸。再采用板單元模型進行整體計算分析進一步優化各部位結構尺寸。

主梁鋼材均采用Q345，彎拉最大設計應力取σt=［σ］=210 MPa;考慮到受壓翼緣的局部穩定問題，第一階段的彎壓最大設計應力假設為σc1=0.85［σ］=178 MPa，組合梁橋使用階段彎壓最大設計應力取σc2=［σ］=210 MPa。

計算荷載考慮恒載、車輛荷載、溫度荷載、部分混凝土收縮徐變等主要荷載。恒載除結構自重外，二期恒載瀝青混凝土橋面鋪裝采用2.4 kN/m2;防撞護欄采用15 kN/m。活載按照《公路橋涵設計通用規范》公路－Ⅰ級，并考慮沖擊系數。溫度梯度:正溫差效應:T1=14℃，T2=5.5℃;負溫差效應:T1=－7℃，T2=－2.75℃;系統溫度:39、－1℃。

4.2 單梁桿單元模型分析

單梁桿單元模型的首要問題就是確定主梁的活載橫向分配系數，計算時先根據主梁和橫梁的剛度、橋梁寬度、計算跨徑等相關因素用偏心受壓法分別計算出邊梁和中梁的橫向分配系數(表1)。

表1 52 m結合梁橫向分配系數統計

鋼與混凝土的彈性模量比值采用《鐵路結合梁設計規定》(TBJ24—90)中考慮了徐變的彈性模量比值。單梁桿單元模型用同濟大學開發的《橋梁博士》軟件進行計算(表2)。

4.3 板單元模型整體分析

板單元模型計算采用Midas有限元計算軟件，按實際施工過程，真實模擬。鋼箱梁采用薄板單元、混凝土橋面板采用厚板單元模擬。全橋上部結構劃分為26 304個板單元、25 431個節點。

表2 單梁桿單元模型計算結果匯總 MPa

板單元模型整體分析計算結果匯總見表3。

表3 板單元模型整體分析計算結果匯總 MPa

通過計算分析可得，結構恒載撓度67.5 mm，為跨度的1/750;汽車荷載作用下跨中結構撓度為27.4 mm，為跨度的1/1 860;說明結構整體具有較好的豎向剛度。

4.4 鋼-混連接件的設計

連接件是連接鋼梁和混凝土的構件，它作為鋼梁與混凝土板之間的傳力構件，使二者共同受力。鑒于本橋的連接件主要用于承擔鋼梁與混凝土橋面板間的剪力。設計時選用了圓柱頭焊釘作為連接件。

一般計算時按照彈性設計方法進行計算，鋼梁與混凝土橋面板之間的縱向水平剪力，由剪力鍵承受。每排剪力鍵個數n按下式計算

式中 Q——截面上第二階段豎向荷載引起的計算剪力;

Io——換算慣性矩;

S——橋面板對中性軸的面積矩;

an——焊釘縱向間距;

［N］——單個焊釘承載能力。

板單元模型計算時，采用彈性連接模擬鋼梁于混凝土板之間的剪力鍵連接，按計算結果中彈性連接的反力大小，計算焊釘個數。

設計中抗剪聯結器采用φ22 mm焊釘，承載力50 kN，剪力幅不大于25 kN。焊釘沿梁跨方向的布置根據剪力的大小調整。在支點至1/4跨處焊釘適當加密，跨中范圍布置稀疏一些。

5 結語

多箱斜交簡支鋼-混結合梁具有結構高度小，自重輕，剛度大，承載能力高，施工簡便的優點，鋼-混結合梁的鋼梁部分可以工廠加工，現場吊裝和拼接，不僅可以保證建設工期，而且不影響橋下交通。該種結構形式可以適用在路幅較寬的高速公路、城市道路跨越交通繁忙的鐵路、公路、城市干道等的橋梁上部結構形式。

通過計算比較，在準確計算多箱斜交簡支鋼-混結合梁各梁的橫向分配系數的條件下，采用單梁桿單元模型計算，可以滿足精度要求，簡化計算過程，大大減少實際工作量。

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