城市钢箱梁桥面结构方案分析及对比

桂晓明，蔡宪棠

(广州市市政工程设计研究院，广东广州510060)

0 前言

钢箱梁是一种跨越能力大、建筑高度小、整体性好的梁桥型式，具有技术经济效益好、施工工期短、施工期间对既有交通干扰小、景观效果佳等诸多优点。这些特点使钢箱梁结构在城市高架桥梁的建设中应用越来越多[1]。

按照桥面构造及受力特点，城市钢箱梁的桥面结构形式主要有三种：钢桥面铺装、设置混凝土过渡层、设置混凝土结合层。本文以一联钢箱梁为工程实例，借助Midas有限元分析程序，建立三维空间模型，通过对各方案进行详细的力学分析，从受力性能、技术经济等方面进行全面对比分析。分析结果能够为城市钢箱梁桥设计提供理论依据。

1 桥面结构形式[2]

1.1 钢桥面铺装

铺装层直接铺设于钢桥面板是目前国内普遍的做法，常用的有浇注式沥青混凝土、改性沥青马蹄脂碎石、环氧树脂沥青混凝土等铺装(见图1)。其建筑高度小，能有效减轻结构自重，但普遍存在滑移脱层、裂缝等病害。

图1 钢桥面铺装示意图

1.2 设置混凝土过渡层

为了减小桥面系局部挠度，增强沥青混凝土与桥面的粘结性，同时改善桥面板受力状态，可采用沥青铺装与钢桥面板间设置混凝土渡过层的方式，但这层混凝土增加了桥面自重(见图2)。由于其与钢桥面板粘结力相对较小，一般不考虑其对主梁整体刚度的贡献。

图2 混凝土过渡层铺装示意图

1.3 设置混凝土结合层

为了解决桥面铺装病害，同时增强结构刚度，在钢桥面板上加设一层15 cm左右厚度的结合层，其间通过抗剪栓钉连接，如图3所示，形成整体受力的截面。在结构负弯矩区，梁顶受拉，需要控制其内力以保证结合层的正常使用，通常采用的方法有：(1)施加预应力，减小支点截面负弯矩；(2)优化施工顺序，将跨中部分结合层与二期荷载先行施工，可减小负弯矩区结合层混凝土拉力；(3)对跨中进行预压，待负弯矩区混凝土满足强度要求后，撤去压重，产生的反向内力可改善其受力；(4)利用边支点顶升或中支点预顶升成桥再归位的方法，可提高负弯矩区压应力储备；(5)通过结合层合理配置钢筋网、添加钢纤维、微膨胀剂等手段优化结合层受力。其中对跨中进行预压的方法最经济且施工方便，在广东市政建设中广泛应用，效果较好。

图3 钢-混结合梁桥面布置示意图

目前，城市钢箱梁桥主要采用上述三种桥面构造形式。本文以某三跨连续钢箱梁桥为工程背景，采用有限元分析方法，对比分析各自受力性能、技术经济等方面的差异，全面分析各方案的优缺点，以期为同类桥梁设计提供参考。

2 工程实例概况

2.1 截面形式

以(40+60+40)m三跨连续梁为实例进行分析，钢梁截面及主要尺寸如图4所示，桥宽9.9 m，顶、底、腹板采用Q345qC，加劲肋及隔板采用Q235qC；横隔板间距为3 m，强、弱横隔交替布置。方案一为钢箱梁上铺8 cm环氧改性沥青混凝土，方案二为钢箱梁上铺7 cm混凝土调平层+8 cm沥青混凝土，方案三采用15 cm结合层+8 cm沥青混凝土。为方便对比，取建筑高度(包括铺装层)相同，均为1.89 m，则三个方案钢箱梁高度分别为1.81 m、1.74 m、1.66 m。通过多工况的计算，调整顶、底、腹板厚度，将应力控制在较小的差异范围，以便对比其受力特性和技术经济指标。为保证构件稳定，将顶底板最小厚度定为14 mm(方案三桥面板结合层参与受力，顶板厚适当减小为12 mm)，腹板最小厚度为12 mm。

图4 桥梁断面示意图(单位：mm)

2.2 计算荷载及荷载组合

计算荷载：(1)自重；(2)汽车荷载(公路 I级，双向两车道)；(3)二期恒载(铺装、防撞护栏)；(4)整体升降温(±30℃)；(5)温度梯度；(6)不均匀沉降(10mm)；(7)结合层收缩、徐变。以标准组合验算。

3 有限元计算模型

3.1 主梁第一体系

整体分析采用三维梁单元建模(见图5)，方案一、方案二铺装及过渡层均考虑为二期恒载，不参与受力，全桥按一次成梁模拟；方案三的沥青铺装作为荷载考虑，15 cm厚结合层由于有剪力钉的连接作用，按施工阶段联合截面考虑其受力贡献。

为了减小负弯矩区现浇层拉力，方案三采用分段铺装与施工阶段压重结合的方法[4]。模拟的施工过程为：(1)钢箱梁一次成梁；(2)浇筑 I区(如图6所示)结合层，并安装该部分防撞墙；(3)待结合层达到设计强度后对各跨跨中施加压重；(4)浇筑Ⅱ区结合层，并形成整体受力截面；(5)撤除压重并安装Ⅱ区防撞墙；(7)铺沥青铺装；(8)运营阶段。

3.2 板壳模型及第二体系

由于薄壁箱梁存在剪力滞效应，针对三个方案分别建立板壳模型[3][4]，其中方案三结合层以实体单元模拟，与箱梁顶板无滑移连接。对于桥面板，第二体系应力以有限元法方法求解[5]，建立板壳节段模型，如图7所示，并加以车辆局部荷载求解桥面板应力，第三体系应力忽略不计。

根据计算结果，提取支点、跨中处顶、底板剪力滞系数，分别与对应初等梁计算的应力结果相乘(桥面板计入第二体系应力)，得到截面应力最大值。

4 计算结果对比分析

4.1 正应力

根据多工况计算，得到三个方案板件厚度如表1所列；正应力计算结果见表2所列。根据初等梁理论计算的结果可知，方案二各关键点应力均大于方案一，这是因为方案二增加了过渡层的自重，钢结构高度比方案一小，且过渡层没有提供刚度；方案三桥面板厚度虽然较薄，但由于有结合层的分担作用，上缘应力仍然最小，而由于质心上移的缘故，其下缘应力较大。

在自重与汽车荷载作用下，以有限元方法计算剪力滞系数，如图8所示，以截面顶(底)缘应力最大值与均值的比值取值。从计算结果可看到，方案一、方案二剪力滞系数相差不大，而与方案三却有较大差别，这是由于方案三顶底板厚度不同且有结合层作用的结果，因此在计算结合梁剪力滞系数(或有效宽度)时不能忽略结合层的作用。方案三支点处顶板剪力滞效应相对较明显，但总体看其上缘应力仍然是最小的。

图5 空间三维梁单元模型

图6 方案三桥面结合层施工分段图

图7 板壳节段模型

表1 板件厚度一览表(单位：mm)

表2 有效正应力计算结果一览表(单位：MPa)

图8 方案一支点顶板剪力滞效应图

根据第二体系应力计算结果(见图9，限于篇幅，仅给出方案一应力分布图)，方案一顶板应力为18 MPa，U肋达42 MPa；方案二顶板应力为11 MPa，U肋为15MPa；方案三顶板应力为8MPa，U肋7MPa。可以看出，桥面系第二体系应力比较显著，在设计时应符合规范相关规定，必要时须对桥面板进行单独分析。同时可知，混凝土过渡层与结合层对桥面系应力改善作用十分明显，各种作用综合后方案三桥面系应力最小，在设计时可考虑减小顶板厚度并适当增大U肋间距以方便施工和节约投资。

图9 方案一桥面板第二体系局部应力图

4.2 剪应力及挠度

由表3可知，由于荷载的增加，同时承受剪力的腹板高度减小(板厚相同)，方案二剪应力比方案一为大，而方案三剪应力最大，通常剪应力强度富余较大，不是控制设计的因素。表3显示，汽车荷载作用下方案三挠度比方案一、方案二减小较为明显，因此，在梁高受限时，若要增加桥梁刚度，宜优先采用方案三的设置桥面结合层的方案。

4.3 经济性

各方案主梁材料用量如表4所列，工程建设费用分别为：方案一966万元，方案二884万元，方案三922万元。可以看出，总体上三个方案价格相差不大，其中方案一造价略高，这是由于环氧沥青混凝土单价较高；方案二经济性最好；方案三用料较多，经济性居中。应当说明的是，方案三铺装与梁体整体性较好，后期维护费用较低，设计时可综合考虑。

表3 剪应力及挠度计算结果一览表

表4 材料用量表

5 结语

(1)采用混凝土过渡层与结合层，能有效地改善钢箱梁桥面系受力状态，其中采用混凝土结合层效果最明显，在设计时可适当减小顶板厚度并适当增大桥面加劲肋间距，以方便施工、节约投资。

(2)钢-混结合结构由于结合层的作用，截面质心上移，导致下缘应力明显增大，在设计时应根据注意对底板进行加强。

(3)从整体结果上看，剪力滞系数与第二体系应力对结果影响较大，设计此类桥梁时需予以考虑。

(4)采用混凝土过渡层或结合层，会增大桥梁自重，从而使剪应力增大，在剪应力控制设计的情况下，应进行充分对比。

(5)在建筑高度一定时，采用混凝土过渡层的方案会使活载位移增大，而钢-混结合梁活载位移最小。因此，在梁高受限的情况下，为了得到较大的桥梁刚度，可首选桥面设置结合层方案，避免用设置砼过渡层的方案。

(6)通过对三个方案的材料用量进行对比，可知三个方案总体上造价相差不大(10%以内)，相对来说，从建设造价上看，方案二经济性最好，方案三次之，方案一造价最高。

(7)综合建设经验及计算分析结果，不同桥面结构的钢箱梁方案各有优劣(见表5)，在设计时应综合考虑。

[1]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]Luo Q Z，LiQ S，Tang J.Finite segmentmethod for shear lag analysis of cable-stayed bridges[J].Struct Engrg，2002，128(12)：1617-1622.

[4]沈桂平，曹雪琴.正交异性钢桥面板应力分析及试验研究[A].92全国桥梁结构学术大会论文集[C].

[5]樊启武.正交异性桥面系第二体系应力计算方法研究[D].成都：西南交通大学，2005.