公铁合建钢桁结合梁混凝土桥面板横向分析研究

焦亚萌,简方梁,张世基,彭 澍

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

郑济高铁黄河特大桥全长34.322 km，其中公铁合建段长12.180 km，为郑济高铁、市域铁路、郑新快速路共四线铁路、六线公路跨越黄河的共同通道。合建段范围内共设置4种钢桁结合梁桥，依次是跨越北大堤(73+139+73) m连续钢桁结合梁[1]，跨越主河槽7-112 m简支钢桁结合梁、(112+6×168+112) m下变高连续钢桁梁结合梁[2]，跨越南大堤120 m简支钢桁结合梁。

钢桁结合梁均采用上下双层布置[3-4]，六线公路在上，四线铁路在下，下面钢桁梁为三主桁华伦式结构[5-6]，标准段边桁桁高15.0 m、中桁桁高15.24 m。桁宽(13.4+13.4) m。上层公路桥面板为预应力混凝土桥面板，总宽32.5 m，采用预制板+湿接缝组合形式[7-8]，桥面板内设置横向预应力筋[9-10]，连续钢桁结合梁桥面板内还设有纵向预应力筋。全桥断面布置与桥面板平面分别见图1、图2。

图1 断面布置(单位：mm)

图2 公路桥面板局部平面(单位：mm)

1 桥面板结构与施工顺序

1.1 桥面板结构

公路混凝土桥面板全宽32.5 m，支撑于钢桁梁上弦杆上，为增大板跨越能力，公路桥面板结构采用带肋板的T形断面形式，跨中板厚30 cm，肋高40 cm，肋宽39 cm，靠近支承附近加宽至52 cm。边桁和中桁支点处板厚70 cm，边桁外不再设置肋板。根据其部位及施工顺序分为预制板、横向湿接缝[15-16]、纵向湿接缝、剪力槽四部分。

预制板横向分为2块，每块长15.88 m，沿中桁中心线对称布置，横桥向中桁顶两块预制板之间设置74～90 cm的纵向湿接缝，纵桥向两块预制板之间设置50～80 cm横向湿接缝。一个主桁节间长度内布置4块预制板，标准预制板块分为A、B类两种类型。A类预制板纵向宽2.02 m， B类预制板纵向宽2.3 m。两类桥面板与不同宽度的横向湿接缝组合，适用于合建段4种钢桁结合梁不同长度的主桁节间组合。桥面板立面与截面布置分别见图3、图4。

图3 1/2桥面板结构(括号内为B类板，单位：mm)

图4 A类桥面板截面(括号内为B类板，单位：mm)

为加强预制板与边桁的结合，预制板在边桁上间断设置剪力钉槽，为提高现浇缝新老混凝土之间的纵、横向抗剪能力，预制板边缘开有锯齿形剪力槽，并按要求进行凿毛处理。纵向湿接缝与剪力槽内设置有φ22 mm圆柱头剪力钉来加强钢桁梁与桥面板的连接[11-12]。

为减少混凝土收缩徐变对结构产生的不利影响[13-14]，要求预制板存放时间不少于6个月。

横向预应力采用先张束与后张束相结合的布置方式。先张束采用7φ5 mm的钢绞线，后张束分为两种，肋板内布置为15-7φ5 mm钢铰线，顶板内布置5-7φ5 mm钢绞线。以A类桥面板为例，预应力截面布置见图5。先张束全部布置在预制板范围内，预制时通过先张台座进行张拉，后张束则穿过纵向湿接缝和剪力钉槽，或者布置在横向湿接缝内，在桥面板吊装就位，湿接缝混凝土完成后进行张拉。

图5 A类桥面板预应力布置截面(单位：mm)(点表示先张束，方框表示后张束)

1.2 桥面板施工顺序

桥面板的施工顺序，就是预制板、湿接缝、剪力槽三部分混凝土结构和先张束、后张束两部分预应力钢束相组合的施工顺序，设计的施工顺序如下。

(1)桥面板预制。绑扎桥面板钢筋，在台座上张拉第1批先张预应力筋，浇筑桥面板，养生，待混凝土强度和弹模均达到设计值90%并不小于3 d后，放张先张预应力，桥面板的移梁、存放。存放时间不少于6个月。

(2)浇筑纵缝和横缝。安装及焊接公路桥面板的纵缝内钢筋及横缝钢筋，浇筑纵缝及横缝内的自密实混凝土(注意预留横缝内对应的边桁上方剪力槽不浇筑)，待混凝土强度和弹模均达到设计值100%并不小于10 d后，张拉桥面板内的后张横向预应力筋并封锚。

(3)纵向预应力钢束张拉。

(4)最后浇筑预制板剪力槽和横缝预留的剪力槽，待混凝土强度和弹模均达到设计值100%并不小于7 d后，进行后续工作。

上述施工顺序中，边桁钢梁与混凝土板的结合放在后张横向预应力筋张拉之后，可以有效提高预应力筋的效力，同时要注意核实张拉后桥面板在边桁上的支撑点不至于出现脱空。

以上施工步骤主要为桥面板横桥向上相关的施工顺序。跨主河槽(112+6×168+112) m和跨北大堤 (73+139+73) m的两联连续钢桁结合梁，在全桥施工方案中采取纵向分段浇筑湿接缝，分段张拉纵向预应力筋，同时还伴有支点的顶落梁措施。因此，全桥的混凝土桥面板的施工组织上还需要结合纵桥向施工顺序做全盘考虑。

2 带肋板与无肋板对比分析

桥面板采用带肋板结构，分别进行无肋板与带肋板模型计算分析，对比两种结构形式的受力特征。桥面板采用板单元模拟，两侧钢桁上弦与混凝土加厚段采用梁单元模拟，横肋采用梁单元模拟，间距3 m。边界条件约束按间距15 m主桁节点考虑，建立3跨模型见图6。

图6 无肋板与带肋板的分析模型

2.1 集中力

分别在无肋板和带肋板跨中纵向不同位置单独作用100 kN的集中力F1～F5，作用点位置见图7。无肋板和带肋板在对应各工况下的横向延米弯矩Myy、纵向延米弯矩Mxx及横肋弯矩分别见图8、图9和表1。

图7 带肋板集中荷载工况作用点位示意

图8 F4工况弯矩图(上面为无肋板，下面是带肋板)

图9 F5工况弯矩图(上面为无肋板，下面是带肋板)

由表1可以看出：

表1 集中力下弯矩 kN·m

(1)两边钢桁上弦与混凝土加厚梁段具有足够的刚度。无肋板各工况下的横向弯矩、纵向弯矩基本相同，与荷载作用点位无关。带肋板作用于横肋上或横肋跨中时，其横向弯矩值、纵向弯矩值也基本相同。

(2)集中力下，带肋板由于横肋的设置，相比无肋板，板的横向弯矩与纵向弯矩均明显减小。而且由于板肋的设置，板由横向传力为主变为纵向传力为主。

(3)当集中力作用肋板位置处，由于肋的加劲作用，板的纵、横向弯矩减小幅度相比集中力作用在两肋中间时更大。当集中力在两肋中间位置时，横向弯矩大约为无肋板的65%，纵向弯矩大约为无肋板的85%。

2.2 线荷载

分别在无肋板和带肋板跨中作用F11=100 kN/m的线荷载。无肋板和带肋板的横向延米弯矩Myy、纵向延米弯矩Mxx分别见图10和表2。

图10 线荷载作用下弯矩图(上面为无肋板，下面是带肋板)

表2 线荷载下弯矩 kN·m/m

由表2可以看出：

(1)线荷载作用下，无肋板呈现出典型的单向板特性(由于泊松比存在，纵横向弯矩值之比为0.2)。

(2)线荷载作用下，带肋板由于横肋的设置，相比无肋板，板的横向弯矩与纵向弯矩均明显减小。且横肋和横肋中间位置处的横向、纵向弯矩值差别不大。

(3)线荷载作用下，带肋板横向弯矩大约为无肋板的22%，纵向弯矩大概为38%左右。

可见，通过横肋的设置，无论在集中荷载下还是线荷载作用下，均可以有效减小桥面板的横向和纵向弯矩。

以本桥中桥面板为例，甚至横肋，单块预制板肋增加约2 m3混凝土，折算板厚约4 cm。可见，带肋板增加较少混凝土取得较大的跨越能力。而且将增加的肋板设置在预制板块上，现场湿接缝的浇筑仍是面板之间的连接，不增加现场施工的复杂性。

3 桥面板横向分析处理

桥面板横向计算时，对预制板和湿接缝两部分进行分析[17-18]，可以看出：

(1)横向湿接缝混凝土达到强度前，预制板自重、先张预应力筋、湿接缝混凝土湿重等荷载仅由预制板结构承担。

(2)当横向湿接缝混凝土达到强度后，二期恒载、活载、不均匀沉降、温度等成桥荷载则由预制桥面板和湿接缝共同承担。

由于横向湿接缝达到强度前后，截面不同，承担荷载也不同，很难用一个模型来进行模拟。因此在设计中根据施工顺序，采用了两个模型分别计算，手动进行应力叠加的方式进行预制板和湿接缝部分各自应力的详细分析。

(1)第一个模型，按预制板的截面尺寸建立模型，包括以下施工过程：生成预制板—横向先张预应力张拉—放置6个月—横向湿接缝湿重—中桁上纵缝固结，此时上下缘应力记为σ1。

(2)第二个模型，按照横向湿接缝达到强度后的整体板的截面尺寸建立模型，包括以下施工过程：生成整体板(预制板+湿接缝截面，不计这两部分自重)—横向后张预应力张拉—二期恒载加载—收缩徐变完成，此时上下缘应力记为σ2。

在第二模型上，进行成桥阶段的各工况的荷载分析，分别统计上下缘应力结果：沉降工况σ3，活载工况σ4，温度工况σ5。

预制板和湿接缝各部分应考虑的应力组合见表3。

表3 各部分应力组合

需要说明的是，由于肋板设置在预制板上，所以预制板的截面下缘点在整体截面肋板下缘。而湿接缝部分的下缘点则不在整体截面肋板下缘，而位于桥面板下，考虑其值不控制，所以统计湿接缝部分的应力时，不考虑整体截面中肋板部分的下缘应力值。

按照公路设计规范[19-20]，标准组合和频遇组合下预制板和湿接缝上、下缘应力分别见图11、图12。

图11 标准组合下各部位上、下缘压应力(半幅)

图12 频遇组合下各部位上、下缘拉应力(半幅)

由图11、图12可以看出，在标准组合和频遇组合下，预制板、湿接缝的上、下缘应力均满足规范要求。

4 预制板局部应力分析

为提高横向预应力的效力，设计后张横向预应力束张拉后再进行边桁上方的剪力槽的浇筑，实现边桁与桥面板的结合。

每个剪力槽内穿过有1束5-7φ5 mm的钢绞线，需要先进行锚固再浇筑剪力槽。相当于预应力筋要锚固在剪力槽空洞的前方，需通过有限元实体单元对该工况下的局部应力情况进行分析。实体单元有限元模型见图13，剪力槽侧壁主拉应力云图见图14。

图13 实体单元有限元模型

图14 剪力槽侧壁主拉应力云图

从图14可见，预应力钢束张拉后，在剪力槽侧壁大约出现5 MPa左右的主拉应力。为此，在预制板剪力槽横向侧面内，设计中采用φ25 mm的钢筋，竖向间距100 mm布置进行了加强，保证预应力张拉时预制板的局部安全。

5 结语

结合郑济高铁黄河特大桥公铁合建钢桁结合梁混凝土桥面板结构，通过对其桥面板结构、预应力筋、横向计算等方面的分析研究，结论如下。

(1)相较于无肋板，带肋混凝土桥面板在集中荷载和线荷载作用下，板的横向弯矩与纵向弯矩均大幅降低。桥面板通过设置肋板，板的横向跨越能力会得到较大增强。

(2)通过先张预应力与后张预应力的合理布置，可以很好地匹配预制板+湿接缝的桥面板形式，充分发挥先张预应力与后张预应力各自特点。

(3)预制板+湿接缝的横向分析，由于其截面形式与承受荷载的不同，通过采用两个模型，按照其施工成形时间与对应荷载情况，可实现对预制板和湿接缝两部分分别进行详细分析计算。