大跨度公铁两用桥梁公路桥面系设计研究

简方梁,杨永明,焦亚萌,李 昊

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

钢桁梁由于刚度大，并可很好适应公路和铁路的上下分层布置，是目前大跨度公铁两用桥梁常用的主梁结构形式。郑济黄河桥[1]、芜湖长江大桥[2]，铜陵长江大桥[3-4]、天兴洲长江大桥[5]、沪通长江大桥等[6-9]公铁两用桥梁均采用了钢桁梁主梁，另有部分大跨铁路桥梁也采用了钢桁梁结构形式，如德大黄河桥[10]，郑焦黄河桥[11]等。钢桁梁主梁桥面系结构有多种形式，其中，早期普通的铁路钢桁梁桥面多采用纵横梁体系，纵横梁之上直接支承枕木与轨道。这种结构构造简单，维修方便，但桥面系整体刚度较小，振动和噪声较大，不利于高速行车，近些年在高速铁路桥梁上已经较少采用，铁路桥面系通常采用正交异性钢桥面板结构形式，对于特大跨度桥梁，铁路桥面系也可采用箱形截面增加桥面系刚度。而公路桥面板可采用正交异性钢桥面板、纵横梁加钢筋混凝土桥面板、搁置式桥面板、预应力混凝土桥面板等形式[12-17]。结合郑济高铁郑州黄河特大桥公铁两用主桥，针对公路桥面板进行了选型研究、总体设计及结构计算分析研究等，所采用的设计方法可为类似项目参考。

郑济高铁郑州黄河公铁两用桥为郑济高速铁路、郑新市域铁路和郑新快速路(公路)的合建桥梁，按4线铁路和6车道城市快速路合建桥梁标准建设。郑州黄河特大桥公铁两用主桥采用(112+6×168+112) m三桁下加劲连续钢桁梁方案，平行弦部分边桁桁高15.0 m、中桁桁高15.27 m，中支点桁高加高15.0 m，桁宽(13.4+13.4) m，边跨节间长10.25，10.5，12 m，中跨节间长度12.0 m。立面布置如图1所示。

图1 郑济铁路郑州黄河公铁两用桥主桥立面布置(单位：m)

横断面采用公路与铁路交通分层布置，下层为4线铁路，上层为6线公路。桥面总宽32.5 m，如图2所示。

图2 典型横断面(单位：mm)

2 公路桥面板选型

2.1 设计方案简介

考虑各种方案的利弊，公路桥面比选了如下3种方案。

(1)正交异性钢桥面板方案(方案1)

公路桥面采用正交异性钢桥面板，为克服单纯沥青铺装带来的钢结构疲劳问题，其上铺设15 cm厚混凝土板，然后再铺设沥青，增加桥面板的局部刚度。公路横梁截面等高，每幅路面呈2%的单向坡以便于排水。横梁采用倒T形截面，节点处设节点横梁，相邻节点横梁间设3片节间横梁，等间距布置。公路桥面系不设纵梁，如图3所示。

图3 正交异形钢桥面板方案(单位:cm)

(2)预应力混凝土结合桥面方案(方案2)

该方案公路混凝土桥面板与钢桁梁上弦杆上翼缘通过剪力钉结合，形成组合结构，公路桥面系不设置纵、横梁结构。公路桥面板采用肋板式构造，每幅路面呈2%的单向坡以便于排水。混凝土桥面板厚度为30 cm，沿桥梁纵向间隔3.0 m桥面板设置横肋，横肋高40 cm，宽37 cm。桥面板内配置纵、横向预应力筋以满足受力要求，如图4所示。

图4 预应力混凝土桥面板方案(单位:cm)

(3)搁置式桥面方案(方案3)

该方案公路桥面系在节点处设置节点横梁，搁置式桥面板采用多片小纵梁的组合板结构，左右侧分幅设置。每幅公路桥面设置小纵梁5片，小纵梁沿顺桥向根据节间长度分段，标准长度为12.0 m，各节段间桥上工地焊接为整体。在公路横梁上方对应位置设置横肋，工地焊接将5片小纵梁连接成整体。在由小纵梁、横肋形成的格子梁体系上方铺设8 mm厚钢板，焊接φ19 mm×150 mm剪力钉，现浇20 cm厚混凝土桥面板，形成组合板结构，如图5所示。

图5 搁置式桥面方案(单位:cm)

3种方案优缺点如表1所示，从表1可见，各个方案各有优缺点，故需对公路桥面系的不同方案进行进一步比选。

表1 不同桥面系方案比较

2.2 技术经济比选

(1)结构竖向挠度

静活载作用下，3种公路桥面方案的跨中挠度和梁端转角如表2所示。从表2可知，预应力混凝土桥面板方案竖向刚度最优，搁置式桥面板方案由于桥面板不参与整体受力，刚度最差。

表2 主桁跨中竖向挠度 mm

(2)结构受力

各种方案的结构最大杆件轴力如图6、图7所示。从图6、图7可见，预应力混凝土结合桥面方案桥面板质量最大，因此主桁杆件内力有所增加；但同时混凝土也提供了较大的刚度，且施加的预应力解决了支点上方混凝土受拉问题，使得大部分杆件轴向拉力较正交异性钢桥面板方案减小，在一定程度上优化了主桁结构用钢量。搁置式桥面板方案由于不考虑公路桥面系的共同作用，因此其上弦杆内力相对较大。而就正交异性钢桥面板整体而言，杆件内力均较小。

图6 各方案平行弦轴力

图7 各方案加劲弦轴力

(3)工程数量

各方案主要材料用量如表3所示，从表3可知，预应力混凝土桥面板方案结构自身质量为79.6 t/m，正交异性钢桥面板方案为63.4 t/m，搁置式桥面板方案为67.1 t/m，正交异性钢桥面板方案较预应力混凝土桥面板方案小20.4%，搁置式桥面板方案较预应力混凝土桥面板方案小15.7%；预应力混凝土桥面板方案用钢量为36.7 t/m，正交异性钢桥面板方案为44.3 t/m，搁置式桥面板方案为43.5 t/m，正交异性钢桥面板方案较预应力混凝土桥面板方案增加20.7%，搁置式桥面板方案增加18.5%，主桥上部结构主体工程造价预应力混凝土桥面板方案最优。

表3 各方案每延米工程量对比 t/m

2.3 小结

从结构竖向刚度、结构受力、工程造价3个方面对公路预应力混凝土桥面方案、正交异性钢桥面板方案与搁置式桥面板方案进行了分析比选。在结构竖向刚度和梁端转角方面，预应力混凝土桥面板方案优于正交异性钢桥面板方案和搁置式桥面板方案；在结构受力方面，尽管预应力混凝土桥面板方案延米质量略大，但其刚度相对较大，改善了主桁杆件的受力性能，主桁用钢量与后两个方案相差不大；公路桥面系用钢量方面，预应力混凝土桥面方案用钢量大大节省，其用钢量明显优于正交异性钢桥面板方案和搁置式桥面板方案，经济性好。综合考虑，本项目中公路桥面系采用预应力混凝土桥面板方案。

3 公路桥面系结构设计

3.1 总体布置

公路混凝土桥面板全宽32.5 m，分为预制和现浇两部分。预制板横向分为2块，每块长15.8 m，沿中桁中心线对称布置，中桁顶宽设74～90 cm的现浇纵缝；纵桥向标准预制板宽包括230，220，202 cm三种，梁端板宽179 cm。预制板间设置46.5～80 cm的现浇横缝，梁端伸缩缝处现浇横缝宽173.5 cm。为适应边桁上弦杆顶面布置的剪力钉，预制板在边桁位置设剪力钉槽，槽口尺寸分为86 cm×30 cm、86 cm×40 cm、86 cm×50 cm、86 cm×60 cm四种规格。

总体布置需要特别注意：应结合钢桁梁的节间布置，预制板纵向分块长度，预应力筋布置等情况，准确确定整个公路桥面板的布置情况和各种板件的分类数量。本桥最终确定的预制板分类如表4所示。预制桥面分为AA、AC、BA、BC、BD、BE、BF、CA等8类，其中，为锚固需要，AC、BC、BE类板厚350 mm，其他板厚300 mm。

表4 公路桥面板分类

各种纵向湿接缝和横向湿接缝也应合理确定分类，并应注意横缝中包含上弦杆预拱度调整量，部分横缝由于预应力锚固需要加厚。

总体布置还应结合整体设计分析，合理确定桥面板的施工工序。

3.2 结构详细设计

(1)结构构造

混凝土桥面板厚度为30 cm，沿桥梁纵向间隔3.0 m设置横肋，横肋高40 cm，宽37 cm。典型的桥面板布置如图8、图9所示。

图8 典型桥面板平面布置(单位:mm)

图9 典型桥面板断面(单位:mm)

(2)纵向整体计算

由于公路桥面板与钢桁上弦杆结合，形成整体共同受力，因此，桥面板的纵向计算必须采用整体模型计算[18-20]。在计算中，采用板单元及梁单元两种模型模拟公路桥面板。

首先采用板单元进行公路桥面板的模拟，便于准确把握结构受力在三片主桁之间的传递及分配规律。后期，为便于配筋计算，公路桥面板采用梁单元模拟，三片主桁上公路桥面板恒载分配比例可参照前述板单元模型，公路桥面板与钢桁上弦之间的剪力钉采用弹性连接模拟，整体计算模型如图10所示。

图10 整体计算模型

关键计算参数确定如下。

钢混弹模比参照相关规范[21]取为：恒载计算钢混弹模比取为n=15，活载计算采用n=10，温度计算采用n=6。

剪力钉抗剪刚度查阅相关文献[22-23]，最终取每个剪力钉为50 kN/mm。

值得一提的是由于预应力效应由整个结构承受，在对连续梁支点上沿混凝土板施加预应力的同时，钢结构也会承受预应力效应，因此合理的确定预应力度比较关键，本次桥面板按A类构件设计检算，避免配置过多预应力筋造成结构整体受力的改变。

桥面板有效宽度按照相关规范计算[24]。通过配置合理的纵向预应力筋，纵向整体检算结果如图11、图12所示。从图10、图11可见，在长期效应组合下，混凝土板上下缘应力均为压应力，最小压应力1.92 MPa；在短期效应组合下，边桁对应混凝土板下缘有0.17 MPa的拉应力，满足A类构件要求。

图11 不同位置混凝土桥面板长期组合应力

图12 不同位置混凝土桥面板短期组合应力

(3)横向计算

桥面板除了与钢桁梁整体受力之外，还承受桥面板之上的恒载、活载等局部荷载，表现为板的横向受力。因此需对横向进行分析。

横向计算采用MIDAS软件建立每种类型单板模型，为更好的考虑单板在钢桁梁上的支撑条件，建立了一个节段的钢桁梁模型。横向模型考虑先简支后连续，分阶段施加先张、后张预应力，并利用MIDAS的横向加载功能，自动考虑跨中及中支点的最不利布载位置。按照CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》[25]中城A级车辆荷载布载，车轮荷载纵向分布宽度按照JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》[26]计算。

建立的有限元分析模型如图13所示。

图13 横向分析模型

在典型组合下的板应力如表5所示。验算结果满足要求。

表5 短期效应组合

(4)预应力锚固设计

考虑到纵向预应力锚固会在公路桥面板底产生锯齿块，封锚混凝土后期有脱落风险，影响下层铁路的运营安全。在本次设计中，对预应力筋的锚固采取在横向湿接缝中预留锚固方槽的形式进行，在预应力筋张拉完毕后，进行槽口封闭，并张拉湿接缝中的横向预应力，避免了后期对下层铁路的安全隐患。

4 结论

(1)从结构刚度、受力及工程造价几个方面综合比选，采用预应力混凝土桥面结构作为公路桥面系为较优选择。

(2)公路桥面系的整体设计中应着重根据钢梁节间长度、混凝土纵向分块、预应力布置等情况，合理确定板件分类及布置情况，便于预制板的加工及安装。

(3)在桥面板的纵向整体计算中，通过结合板单元与梁单元计算结果，合理确定各片主桁之间力的分配，并通过合理选择预应力度，完成了混凝土桥面板纵向设计。

(4)通过在横向湿接缝中设置张拉锚槽，避免封锚混凝土后期的脱落风险。

(5)本文所采用的公铁两用桥梁公路桥面系设计研究方法可为后续公铁两用桥梁参考。