高速公路下承钢桁梁桥采用组合桥面和钢桥面的计算比较分析

楚 得，郑凯锋，伏永鹏

(西南交通大学，四川成都610031)

下承式简支钢桁梁桥结构自重小，跨越能力强，刚度大。与上承梁桥相比，虽然结构高度较大，但桥面离墩台顶面距离小，桥面标高能够大幅度降低，且施工、安装快捷方便，因此，在公路、铁路工程中应用广泛。随着我国基础建设飞速发展，交通路网密度越来越大，新建铁路与公路交叉点也越来越多。当线路需要建造单跨60～110 m的简支桥梁，同时桥下净空和桥上高程均受到限制时，采用下承式简支钢桁梁桥的优势非常明显［1］。

采用钢混组合桥面和正交异性钢桥面的下承式简支钢桁梁陆续在公路、铁路工程中出现，部分学者也展开了一些研究工作。下承式钢桁梁的桥面位于受拉区，在桥面的结构形式、材料选择上，往往需要结合具体工程才能形成适宜的方案。桥面结构设计是钢桁梁设计的一项重要内容，其形式、材料选择对整体刚度、维修养护、工程质量及耐久性等都有影响［2］。本文以某3车道高速公路90 m跨度下承式钢桁梁为研究对象，分别采用组合桥面和钢桥面形式，建立整体有限元模型进行计算分析，对比其受力特点，为同类设计提供参考。

1 主桁和桥面构造形成

主桁采用整体节点无竖杆三角形桁式，计算跨度90 m，全长92 m，节间长度为10 m，主桁中心距18 m，主桁高度12 m，上、下弦杆采用箱形截面，腹杆除端斜杆采用箱形截面外，其余杆件采用H形截面，主桁结构形式见图1。针对桥面布置，设计了密横梁钢混组合桥面和正交异性钢桥面两种方案。下面分别进行介绍。

图1 主桁立面布置形式(单位：mm)

1.1 密横梁钢混组合桥面

混凝土桥面板采用C40混凝土，全部设置在主桁内侧，在节点处设置主横梁，节间设两道次横梁，每两道横梁中心距为3.3 m；在横梁中部1/3和2/3处分别设置一道小纵梁，中心距为6 m，纵梁上翼缘与横梁上翼缘齐平。横梁、纵梁截面形式均为工字形，横梁梁高1.5 m，纵梁梁高1.2 m。所有横梁均与主桁刚性连接，桥面板与横梁、纵梁采用全结合方式，即横梁、纵梁上满布剪力钉。混凝土桥面板板厚0.25 m，宽度为17 m，主桁中心线以内两侧各有0.5 m区域无混凝土板，也无混凝土边梁。桥面布置形式见图2。

图2 密横梁钢混组合桥面布置(单位：mm)

1.2 正交异性钢桥面

钢桥面板采用Q345qD钢材，钢桥面的结构布置与上述钢混组合桥面结构相似，有差异的是将混凝土板改为钢板。钢桥面方案中横梁、纵梁的上翼缘即为桥面钢板，其腹板和下翼缘尺寸与组合桥面方案相同。此时横梁、纵梁即成为正交异性钢桥面的横肋、纵肋，横肋中心距为3.3 m，两道纵肋位于横肋中部1/3和2/3处，中心距为6 m。桥面钢板与主桁下弦杆完全焊接，板厚16 mm。U肋按等间距600 mm布置，上宽300 mm，下宽170 mm，高280 mm，板厚为8 mm。桥面布置形式见图3。

2 计算模型与加载

为研究上述两种桥面对全桥结构性能的影响，采用Midas/Civil程序分别建立有限元模型进行计算。主桁杆件、纵横梁、上平联均采用空间梁单元，混凝土板、钢板采用矩形板单元。按平截面假定考虑主桁下弦杆、纵梁、横梁和混凝土板、钢板之间的偏心，不考虑钢与混凝土板的滑移。主桁各杆之间、纵梁与横梁之间、上平联杆件与主桁上弦杆之间都按共节点刚结处理；横梁与主桁下弦杆之间、桥面板与纵横梁之间通过弹性连接中的刚性连接单元实现［3］。计算模型如图4所示。

图3 正交异性钢桥面布置(单位：mm)

图4 全桥计算模型

模型中加载可分为一期恒载、二期恒载、活载三部分，以下对两种桥面方案的施工阶段和设计荷载分别进行介绍。

2.1 密横梁钢混组合桥面

组合桥面的施工阶段依次为主桁架设、混凝土板铺设、二期铺装、运营四个阶段。一期恒载包含主桁架设、混凝土板铺设两个施工阶段产生的荷载；二期恒载包含桥面铺装、防撞护栏及检查设施安装所产生的荷载。其中一期恒载由钢结构独自承受，二期恒载和活载由组合结构共同承受［4］。恒载和活载如下：

一期恒载(D1)：258 kN/m；二期恒载(D2)：70 kN/m；活载(L)：公路I级车道荷载。

2.2 正交异性钢桥面

钢桥面的施工阶段依次为主桁架设、二期铺装、运营三个阶段，钢桥面的施工包含在主桁架设阶段中。一期恒载包含主桁架设产生的荷载，二期恒载包含桥面铺装、防撞护栏及检查设施安装所产生的荷载。恒载和活载均由钢结构独自承受。恒载和活载如下：

一期恒载(D1)：174 kN/m；二期恒载(D2)：70 kN/m；活载(L)：公路I级车道荷载。

可以看出，由于桥面板的不同，导致两种桥面方案一期恒载的数值差异很大，而二期恒载和活载则保持一致。

3 梁体变形计算对比

变形计算没有考虑混凝土桥面板产生裂缝引起的刚度折减，两种桥面系的梁体变形见表1。

表1 不同桥面的梁体挠度

混凝土板自重较大，故组合桥面方案的结构恒载大于钢桥面方案，在恒载作用下组合桥面方案的梁体挠度较大。而由于组合桥面的刚度大于钢桥面，所以在活载作用下钢桥面方案的梁体挠度较大。两种方案的活载挠度均满足公路钢桥规范中L/500的要求［5］。

4 主桁杆件受力计算对比

不同施工阶段、荷载组合下的弦杆和腹杆最大应力见表2。其中拉应力为正值，压应力为负值。恒载+汽车组合考虑了分项系数，组合桥面方案桥面板恒载分项系数为1.2，钢桥面方案恒载分项系数为1.1，汽车活载分项系数为1.4［6］。

表2 不同桥面方案的主桁杆件应力 MPa

从表中数据可以看出，在整个施工及运营阶段中，钢桥面方案下弦杆的应力水平均低于组合桥面方案。由于桥面钢板与主桁完全焊接，钢桥面板与主桁形成一个整体，参与整体受力，可以分担主桁下弦杆的受力，故钢桥面方案的下弦杆应力较小。

由表中另可看出，在主桁架设阶段，钢桥面方案的上弦杆、腹杆应力大于组合桥面方案，除此之外的其它施工阶段则组合桥面方案更大。在主桁架设阶段，钢桥面方案中同时完成桥面钢板的安装，而组合桥面方案的混凝土板在此阶段尚未吊装，故主桁架设阶段钢桥面方案的结构自重较大，上弦杆、腹杆的应力大于组合桥面方案。在其它施工阶段中，混凝土板已经铺设完成，组合桥面方案自重较大，其上弦杆、腹杆应力均小于钢桥面方案。

图5和图6、图7和图8为两组分别采用组合桥面方案和钢桥面方案的主桁杆件梁单元应力图。图中采用的荷载组合均为恒载+汽车组合，等值线和数值均为梁单元的组合应力值。其中图5和图6为主桁应力最大值包络图，图7和图8为主桁应力最小值包络图。

图5 组合桥面方案主桁应力包络最大值(单位：MPa)

图6 钢桥面方案主桁应力包络最大值(单位：MPa)

图7 组合桥面方案主桁应力包络最小值(单位：MPa)

图8 钢桥面方案主桁应力包络最小值(单位：MPa)

由上述应力包络图可以直观对比两种桥面方案每根主桁杆件的应力，同时计算其应力变化幅度，按如下公式计算降低幅度：

式中：σ1为组合桥面方案各主桁杆件的应力；σ2为钢桥面方案各主桁杆件的应力。

通过对比两种方案主桁所有杆件的应力降低幅度，可以得出：上弦杆拉应力最大降幅为26.7%，下弦杆拉应力最大降幅为28.2%，腹杆拉应力最大降幅为23.1%，腹杆压应力最大降幅为22.7%。

与组合桥面方案相比，采用钢桥面时主桁杆件的应力水平大致可降低1/4，截面的优化空间较大，可节约钢材。

5 横梁和横肋受力计算对比

不同施工阶段、荷载组合下组合桥面横梁、钢桥面横肋的最大拉、压应力见表3。其中符号规定、组合分项系数与前述应力表格相同。

表3 不同桥面方案的横梁、横肋应力 MPa

钢桥面板自重较小，钢桥面方案的恒载更小，在恒载作用下，钢桥面横肋应力水平基本低于组合桥面横梁应力水平。由于混凝土板刚度大于钢桥面板，在活载作用下，横肋将更大程度地分担桥面的受力，其应力水平显著上升。

6 桥面板重量估算和施工分析对比

根据两种桥面方案中桥面板的结构尺寸，结合材料容重，可大致估算桥面板的重量(表4)。

表4 不同桥面的桥面板重量对比

由表中数据可以看出，钢桥面板的重量仅为混凝土桥面板的1/3，大幅度减轻了结构的自重。

钢桥面方案的桥面安装方便、快速，施工周期较短，但桥面铺装难度较大，且耐久性差，总体造价偏高。组合桥面方案在经济上具有一定的优势，桥面铺装比较容易、耐久性好，但混凝土预制板吊装、湿接缝现场浇筑的工艺比较复杂，工期较长，混凝土板横向和纵向也都需要配置钢筋以防止其开裂。

7 结论

(1)下承式简支钢桁梁具有其它梁桥所不能替代的优势，同时由于结构形式的特殊性，也存在着一些缺点，桥面结构与主桁的共同作用非常明显。在设计时须充分考虑其不利和有利两方面的因素，合理选择适宜的桥面结构形式［4］。

(2)采用组合桥面和钢桥面的钢桁梁整体变形、杆件应力均能满足要求。钢桥面板重量远小于混凝土桥面板。组合桥面系整体刚度更大，梁体变形更小；钢桥面系主桁杆件受力更优，截面优化空间更大。

(3)钢桥面施工便捷、快速，但铺装难度较大，耐久性差，造价高。组合桥面在经济上具有一定的优势，桥面铺装容易、耐久性好，但施工较为复杂。

(4)钢桥面板可在一定程度上分担主桁下弦杆的受力，在设计中应考虑其协同作用，以节省材料，提高经济性［7］。