采用UHPC桥面的铁路耐候钢钢箱梁设计研究

张 上，左家强，张 海，王宗丰

(中国铁路设计集团有限公司土建院，天津 300308)

1 概述

1.1 工程概况

郑济高铁在济南附近同时跨越京沪高铁、津浦铁路及水白铁路，为三层立交结构。桥梁平面及立面布置分别如图1、图2所示。

图1 桥梁平面布置

图2 桥梁立面布置(单位：m)

考虑高速铁路对轨道平顺性要求高[1-2]，应尽量减小新建铁路施工引起京沪高铁沉降。因此，宜采用自重轻、施工方便的钢结构。经比选研究，本工点采用跨度(50+85+50)m钢箱梁[3-4]，桥面采用UHPC铺装。

1.2 主要技术标准

钢箱梁桥主要技术标准如下。

设计速度：160 km/h。

设计活载：ZK活载。

轨道类型：有砟轨道。

线路情况：单线，平面位于R=950 m的圆曲线上。

设计使用年限：主体结构在正常养护维修条件下设计使用年限为100年。

2 结构形式研究

2.1 桥式比选研究

对于主跨85 m的铁路钢桥，可采用的桥式有钢桁梁和钢箱梁，分别对两种桥型进行研究，其主要技术指标见表1。两种桥式刚度均可满足要求且有较大储备。本工点位于R=950 m的曲线上，可以曲梁曲做的钢箱梁桥面宽比钢桁梁小1 m，每延米用钢量也较小。钢箱梁支座布置在腹板下，支座间距4.3 m，约为钢桁梁的1/2，桥墩横向尺寸有较大优势。同时考虑钢箱梁与相邻混凝土箱梁协调统一，景观性好，最终采用了钢箱梁形式。

表1 桥式技术指标比选

2.2 主要设计原则和内容

(1)主要建筑材料

本桥同时跨越多条既有铁路，为减小养护维修对下方铁路运营的影响，全梁采用免涂装耐候钢。耐候钢桥一次投资稍高，但整个生命周期内经济性具有明显优势[5]。钢箱梁主结构钢材采用Q370qENH，要求可焊性Pcm<0.2，屈强比≯0.85[6]，耐候钢的耐大气腐蚀性指数I≥6.0[7]；高性能耐候钢焊接材料除满足常规焊接的性能要求外，其熔敷金属的耐大气腐蚀性指数也要求I≥6.0。桥面防护栏等附属结构均采用Q235NH。在正交异性钢桥面板上设置6 cm厚超高强混凝土层[8-9]。

(2)桥面布置

钢桥桥面宽7.5 m，桥面设置挡砟墙、竖墙、人行道、接触网立柱基础等常规构造外，在桥面最外侧还设置2 m高的防护屏，以防止道砟或异物掉落，影响下方既有铁路运营安全。防护屏也采用耐候钢材质，每隔2.5 m设置断缝，断缝间采用填缝剂填充，并设置挡水板，防止漏水影响下方铁路。桥面布置如图3所示。

图3 桥面布置(单位：mm)

2.3 结构构造及受力研究

主梁采用等高度单箱单室截面，顶板顶最低点距底板底高4.8 m，桥面宽7.5 m，箱室外宽4.3 m，两侧设置1.6 m悬臂翼缘，悬臂端部高0.33 m，悬臂根部高0.51 m。一般位置纵向每隔5 m设置普通横隔板，两道普通横隔板之间设置环形横隔板。

顶板采用正交异性板+UHPC方案，箱室范围内横向共设置6道U肋+2道板肋；悬挑翼缘范围每侧设置4道纵肋；顶板厚20～36 mm，为方便U肋加工及制作，顶板板厚变化向外加厚。腹板采用直腹板，腹板设置水平加劲肋，底板设置纵向T形加劲肋，腹板及底板板厚均向外加厚[10]。

2.4 静力计算成果

考虑钢箱梁位于曲线上，为更好地明确钢箱梁扭转、翘曲作用[11]及曲线内外侧支反力差值，分别建立梁单元和板单元模型，构件均按结构设计尺寸建模。板单元模型共有板单元9 318个，节点8 531个，计算模型如图4所示。两个模型主要计算结果对比见表2。从计算结果来看，板单元模型与梁单元模型计算差别不大，但值得注意的是，板单元模型计算得到曲线内外侧反力差较梁单元模型大。

图4 全梁板单元模型离散图

表2 两种模型主要计算指标

3 桥面结构形式研究

3.1 桥面结构形式比选研究

当钢桥面上设置铁路有砟轨道时，为防止道砟对桥面钢板防腐涂装的磨损，一般在钢桥面板上设置混凝土道砟槽[12-13]，混凝土道砟槽与钢桥面板直接采用剪力钉连接。近年来，铁路桥有采用不锈钢复合钢板(不锈钢板+Q370qE钢板复合)作为桥面板顶板的实例，在不锈钢面层上铺设道砟，解决了腐蚀问题。另外，在公路桥上用UHPC作为桥面铺装，解决正交异形板的疲劳开裂问题。本桥针对这3种结构形式，分别进行了比选研究，详见表3。

表3 桥面结构形式综合比选

由表3可见，UHPC作为桥面具有自重小、可改善正交异性板疲劳问题、耐久性好、技术风险小等优点，由于UHPC可参与整体受力而减小钢箱梁顶板厚度，造价与不锈钢复合钢板方案基本持平，因此，本桥采用UHPC桥面方案。

3.2 UHPC桥面设计研究

桥面采用6 cm厚的UHPC材料，UHPC层内设置普通钢筋，并采用小尺寸剪力钉与钢桥面结合。通过支点分阶段落梁措施，UHPC桥面板主力工况下最大拉应力12.9 MPa，最大压应力14.6 MPa；主+附工况下最大拉应力21.6 MPa，最大压应力24.8 MPa。根据相关技术规程[14]，采用钢筋间距40 mm的STC25桥面，名义弯拉应力容许值为25.4 MPa，满足规范要求。对UHPC桥面的抗疲劳性能进行设计，STC层(含接缝)的疲劳强度以容许等效最大应力水平定义，其中，容许等效最大应力水平是指STC层的等效最大名义应力与其静力名义弯拉应力容许值之比。500万次疲劳寿命时STC的容许等效最大应力水平为0.48，STC的设计等效最大应力水平应按照下式计算

4 耐候钢应用研究

耐候钢在大气腐蚀条件下，可以形成稳定、致密、连续的锈层，阻止锈蚀继续发展，保护锈层以下的基体[15]。钢箱梁采用耐候钢并裸露使用，除了第2节中对钢材及焊接材料的要求外，参考国内外耐候钢研究应用情况，本工点耐候钢采用了如下特殊设计。

4.1 锈层稳定措施

耐候钢在锈层稳定前期会有锈水流下，为避免锈水污染下方铁路，需采用锈层稳定措施。目前，国内针对不同成分的耐候钢，有相应的锈层稳定剂可供采用，也可采用周期性洒水的方式加速锈层稳定，根据现场气候条件，洒水频率为1～2次/d，以保证耐候钢表面保持干-湿交替的情况为宜[16]。

4.2 防排水措施

耐候钢应保证表面不积水，因此，应特别注意排水措施设计，本梁采用了如下防排水措施。

(1)桥面不设排水孔，通过17‰的纵坡，将桥面积水排至相邻的简支梁，并加密简支梁上的泄水孔，既避免了排水对下方既有高铁和铁路的影响，又解决了桥面积水影响钢材耐候性的问题。

(2)在桥墩顶帽四周设置挡水台，并通过泄水孔将顶帽上积水集中排出，防止顶帽位置锈水污染桥墩。

(3)桥面的UHPC通过分阶段落梁、配置钢筋等措施控制名义拉应力，参考相关技术规程[14]，可将UHPC裂缝控制在0.05 mm以下，避免了桥面板的锈蚀。

(4)在钢箱梁底板靠近桥墩位置设置截水条，防止锈水通过底板流入桥墩范围，污染支座和桥墩。

(5)参考国外耐候钢桥经验[17-18]，在梁端及U肋拼接处，采用部分防腐涂装。

4.3 养护维修措施

耐候钢桥在我国应用较少，应注意做好养护维修工作，积累使用经验。建议桥梁建成后的第3年、第5年及今后每5年对全桥锈层进行全面检查，并留有影像资料，锈层情况应采用红外测厚仪或电磁膜厚度仪测量锈层厚度，厚度检测结果与锈层外观相结合，当锈层厚度小于400 μm且锈层外观合格时，可认为结构有保护性锈层；当锈层厚度大于400 μm时且出现鳞片状粗锈或层状剥离时，应查明原因并解决[19-20]。日常检查时应注意钢结构上是否有杂物、脏物等，若有应采用低压水去除，避免采用高压水损伤锈层。同时应注意钢结构是否有积水，伸缩缝位置是否漏水等，避免经常性积水或漏水影响锈层稳定，进而影响结构耐久性。

5 施工方案研究

钢箱梁同时跨越京沪高铁、津浦铁路及水白铁路，在保证施工方案安全经济的同时，要确保对下方既有线影响小。考虑到现场条件，拟定了全悬臂顶推、吊装及顶推等3个施工方案，如图5所示。方案1采用顶推施工，在工点大里程侧设临时墩，拼装钢箱梁及导梁，导梁长55 m。此方案优点为施工工法成熟可靠[21]，对既有线影响小；缺点为顶推施工无法在一个天窗点内实现导梁上墩。按连续顶推10～12 m/h的速度，高铁4 h的天窗点计算，一个天窗点内最大顶推距离50 m左右，因此，会出现导梁处于悬臂状态，下方铁路运营的工况，需要既有铁路主管部门审批同意。

图5 3种施工方案示意(单位：m)

方案2设置85 m长导梁，导梁采用吊装的方式安装到位，与钢箱梁连接，继续顶推施工。虽然吊装时回转半径较大，但目前国内汽车吊起重能力已经达到2 000 t以上，导梁吊装方案可行。本方案优点为施工速度快，对既有线影响小，不会出现上部导梁处于悬臂状态，下方铁路运营的工况；缺点为吊装85 m导梁时安全风险高。

方案3在85 m主跨设置2个临时墩，减小了吊装导梁的长度，但靠近高铁的临时墩施工及拆除均对既有铁路运营安全有影响。

综合参建各方意见及与铁路主管部门沟通情况，本项目拟按方案2实施。

6 结论

针对郑济高铁跨越京沪高铁、津浦铁路及水白线工程，进行了桥式方案比选研究，采用了可以曲梁曲做，经济性及景观性好的钢箱梁形式。钢箱梁采用免涂装耐候钢，减小了后期养护维修工作，并针对铁路耐候钢钢箱梁进行了专项设计研究，对耐候钢的材质、锈层稳定、防排水提出要求。针对铺设有砟轨道的钢桥面铺装形式，对混凝土道砟槽、不锈钢复合钢板、UHPC层3个方案进行比选，最终采用了自重小、耐疲劳性能好的UHPC桥面方案，并通过分步落梁减小了UHPC拉应力。设计中提出了顶推、顶推+吊装等施工方案，最大限度减少了施工对既有线的影响，保证既有线运营安全。