石济客运专线济南黄河桥正交异性钢桥面板设计研究

张 上，李凤芹

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

1 概述

1.1 工程概况

拟建的济南黄河桥为石济铁路客运专线工程、邯济胶济联络线以及济南市I级城市道路跨越黄河的公铁两用桥。主桥为跨度128 m+3×180 m+128 m的刚性悬索加劲连续钢桁梁桥，三片主桁结构，六车道公路位于上弦，四线铁路位于下弦。公路桥面系经过结合梁和正交异性桥面板两个方案的经济技术比选，最终采用自重轻、整体性好的正交异性钢桥面板;考虑到高速铁路对结构的整体刚度、耐久性和轨道的平顺性要求均较高，铁路桥面也使用正交异性钢桥面板。

1.2 公路桥面系结构

公路桥面采用纵横梁体系的正交异性板整体桥面。节点处设横梁，间距12.8 m和13.0 m，节点横梁中间设置3道横肋，肋间距3.2～3.25 m，均为倒T形截面。横梁高度1 345～1 600 mm，腹板厚度16 mm，翼缘板尺寸采用560 mm×24 mm;横肋高度为890～1 145 mm，腹板厚度16 mm，翼缘板尺寸采用400 mm×20 mm。桥面板厚16 mm，桥面板设闭口U形加劲肋，肋间距630 mm，板厚度8 mm，在弦杆附近设置板式肋加劲。横梁位置公路桥面板布置见图1。

1.3 铁路桥面系结构

铁路桥面也采用纵横梁体系的正交异性板整体桥面。横梁和横肋间距和形式与公路桥面类似。横梁高度1 595～1 600 mm，腹板厚度16 mm，翼缘板尺寸采用600 mm×28 mm;横肋高度为1 000～1 005 mm，腹板厚度16 mm，翼缘板尺寸采用500 mm×24 mm。为了提高轨道的竖向刚度，桥面板上对应每条铁路的两根钢轨分别设置高0.6 m的倒T形纵梁。桥面板厚16 mm，桥面板与道砟槽底座相对应的部位设闭口加劲肋，肋间距600 mm，板厚度8 mm，在弦杆附近设置板式肋加劲，铁路桥面系结构见图2。

图1 横梁位置公路桥面板布置(单位:mm)

图2 横梁位置铁路桥面板布置(单位:mm)

2 正交异性钢桥面板的构造

正交异性板在桥梁结构中承担多种作用，既是纵横梁的上盖板，又是把桥面荷载传递到横梁和主桁上的构件，同时又参与主桁的整体受力，一物三用，比较节省材料，对于大跨度桥梁的好处是不言而喻的。

经典的分析理论将正交异性板的受力特征划分为3个受力体系:第一体系，由面板和纵肋组成主梁的上翼缘，与主梁一同构成主要承重构件——主梁体系;第二体系，由纵肋、横肋和桥面板组成的结构——桥面系，其中桥面板被看成纵肋和横肋的共同上翼缘;第三体系，仅指桥面板，它被视作支承在纵肋和横肋上的各向同性连续板——面板体系。由于正交异性板的这种复杂受力以及较多的不连续焊缝，使得其疲劳开裂问题时有发生，而我国规范对正交异性板的构造规定较少，为此，笔者查阅了欧洲规范，日本规范，及国内外相关文献、专著，现将设计要点总结如下。

2.1 桥面板、U肋、横梁/肋之间的匹配性

正交异性钢桥面板是一个协调工作的结构，片面增大某一构件并不能提高其安全性，甚至有不利影响。为了使其具有必要的刚度和强度、降低面外变形引起的次应力，并便于组装和焊接，确保其疲劳耐久性和合理的经济性，面板的厚度、U肋的断面尺寸和刚度、横肋间距之间应有合理的匹配性。

公路正交异性桥面板各规范的限值见表1。

表1 公路桥面系面板、U肋、横肋间的匹配性

对于公路正交异性桥面板，考虑到国内公路超载现象较为普遍，其桥面板厚度取16 mm(沥青铺装8 cm)。纵肋腹板间距e与桥面板厚度之比为:e/td=20.625，横肋间距为 3.2 ～ 3.25 m，横梁/肋腹板厚 16 mm，纵肋高度与横肋高度比值为0.19～0.34。各项结构数值都满足欧洲规范要求。

欧洲规范规定铁路正交异性桥面板各构件尺寸限值见表2，表中各种参数见图3。

表2 铁路桥面系面板、U肋、横肋间的匹配性

图3 铁路正交异性板参数示意

对于铁路正交异性桥面板，采用U形闭口肋，桥面板厚度取16 mm(其上设置钢筋混凝土道砟槽板)。纵肋腹板间距为600 mm，横肋间距为3.2～3.25 m，横梁/肋腹板厚16 mm，横梁翼缘板厚度28 mm，横肋翼缘板厚度24 mm。纵肋高度与横肋高度比值为0.19～0.3。各项结构数值都满足欧洲规范要求。

2.2 行车道(重车道)范围内是否设置纵梁的问题

正交异性板的U形加劲肋是通长的，除主纵梁(若为密布横梁则无)外，U肋之间是否设置小纵梁则应该具体分析。设置小纵梁，则可增加竖向刚度，但小纵梁与U肋惯性矩差距较大，在偏载作用下易造成不均匀变形，进而发展成疲劳裂缝。在公路荷载下，欧洲规范建议在重车道不设置纵梁。文献［4］认为“大型货车轮载的正下方，原则上不得设置纵梁/纵隔板，应设置在两车道间的车道线下方附近。不得已设置时，纵梁腹板应采用坡口全熔透角焊缝”。可见，在公路桥面，特别是重车道，在刚度允许的条件下，以不设置小纵梁为宜。

对于铁路桥面，则可在对应钢轨下设置小纵梁，一则可增加刚度，满足平顺性要求，二则铁路荷载通过轨枕、道砟(轨道板)、道砟槽板等构件层层分散，作用到桥面时，已经接近均布荷载，且铁路荷载位置是固定的，不存在公路荷载的随意性，也就不存在偏载造成的疲劳开裂。

综上所述铁路桥面对应钢轨正下方设置了小纵梁，而在公路桥面未设置小纵梁。

2.3 U肋与横梁/横肋的连接

除特殊情况外，U肋应穿过横梁腹板。这样，U肋受力十分明确，为弹性支承在横梁上的连续梁。在活载作用下，U肋的竖向挠曲在横梁的支承处产生转动，导致横梁腹板的面外变形，受到焊缝在连接处的约束产生次应力，因此，应在横梁上开弧形切口，以降低次应力。国外规范规定的公路及铁路桥面开孔形状见图4。

图4 国外规范建议的横梁/肋开口尺寸(单位:mm)

可见，对开孔尺寸，欧洲及日本规范基本已有统一的认识，济南黄河桥U肋开口设置见图5。

图5 U肋开口设置(单位:mm)

在横梁腹板、U肋与桥面板的交叉处，欧洲规范明确规定不应设置过焊孔，推荐做法见图6。由于此处存在U肋与面板之间的连续焊缝，可在横梁腹板上开10 mm×10 mm的三角形缺口。

2.4 U肋之间的连接

过去U肋间的连接多采用带嵌补段的焊接，这种焊接疲劳强度很低，其主要原因如下:

(1)桥面板焊接完成后才能进行U肋连接，因此只能采用仰焊，焊接质量差;

图6 有无过焊孔对比(单位:mm)

(2)U肋焊接时底部需使用钢衬垫，钢衬垫刚度小，易造成焊接缺陷;

(3)焊缝检测时，此部位多采用磁粉探伤，不易检测到焊缝底部的缺陷;

(4)钢衬垫与U肋直接的固定焊点，在存梁时易锈蚀，进而造成焊接缺陷。

基于以上原因，最近采用较多的是一种新的连接工艺，即桥面板采用焊接，U形肋采用高强度螺栓连接。日本已将此方案作为首选方案纳入设计规范。“我国自南京二桥首次采用这种连接方式，现在已广泛采用”［9］。由于U肋接头设有螺栓安装的手孔，接头处抗弯刚度较差，因此，连接接头应设置在U肋受力的反弯点处，欧洲规范明确规定应设置在横梁间距的1/5位置。值得注意的是，欧洲规范中依然给出了按嵌补段焊接的U肋连接工艺。可见，当焊接质量可控时，焊接也是一个可行的选择，毕竟，全焊桥梁是钢桥发展的一个方向。

2.5 U肋与桥面板之间的焊缝

正交异性板直接承受轮载作用，U肋与面板之间会产生较大的面外变形，这就造成U肋与面板之间的焊缝频繁承受较大的循环荷载，容易疲劳开裂。对此，欧洲规范给出了明确的构造细节，二者之间需采用部分熔透焊缝。其中，公路桥面熔透深度不小于75%，铁路桥面熔透深度不小于90%。对仅承受人行荷载的部位，则规定此部位可采用角焊缝。

3 铁路桥面系数值分析结果

桥面系结构受力分析宜在总体模型中进行，以便正交异性桥面局部受力与体系的纵向力相叠加。

3.1 模型及加载情况

选用程序Midas Civil 2010，在整体模型中选取次主跨90 m长度的铁路桥面板，采用板单元建模。局部模型与整体模型之间采用刚性连接。模型共计21 391个梁单元，84 362个板单元，96个杆单元。计算模型见图7。铁路活载及公路活载按最不利位置加载。公路活载采用车道荷载，计入多车道折减系数、动力系数及公铁共同作用时的折减系数。铁路活载按线路及控制工况采用中-活载或特种荷载，并计入动力系数。

图7 铁路桥面板计算模型

3.2 强度计算结果(表3、表4)

表3 铁路横梁/肋下翼缘控制点应力 MPa

由表3计算结果可以看出，主桁杆件对横梁和横肋有一定的约束作用，且支点处约束作用强于跨中处，横梁和横肋下翼缘最大拉应力均发生在次主跨跨中附近的横梁跨中部位，其值为154.6 MPa，最大压应力发生在支点附近与中桁连接部位，其值为-150.9 MPa。横肋下翼缘构造上不与弦杆连接，因此，下翼缘局部应力比相应位置的横梁应力偏高，但其应力仍满足规范要求。由于正交异性桥面结构中横肋数量较多，而横肋的主要作用是将纵肋竖向荷载传递至弦杆，横肋下翼缘不与弦杆焊接，可减小焊接难度、减少焊接工作量，并有效改善横肋与弦杆连接部位的疲劳性能，避免焊缝开裂，同时，由于横肋焊接在主桁杆件上的接头板面外刚度较小，对于桥面板块单元与预留在主桁杆件连接接头之间的制作偏差有较好的适应性，可有效降低由于制作偏差而产生的结构次内力。

表4 铁路U肋、纵梁及桥面板应力 MPa

由表4可以看出，桥面板叠加体系应力后，其纵向应力远大于横向应力，U肋、纵肋和桥面板中的体系应力分别约占总应力的30%、35%、25%，说明正交异性板对结构的整体刚度贡献较大。

3.3 疲劳计算结果

疲劳开裂是始于某些敏感点的，所以本次疲劳计算关注的是桥面系构件存在疲劳问题的焊缝及接头。敏感点位置及计算结果见表5。

表5 疲劳应力幅检算MPa

通过对桥面板模型的对比分析，得到其敏感点的疲劳应力幅，均小于铁路桥梁钢结构设计规范的容许疲劳应力幅，说明桥面系各部位的抗疲劳性能满足要求。

4 公路桥面系数值分析结果

公路桥面系构造与铁路桥面系类似，由于公路荷载较铁路荷载小，相应地减小了横梁和横肋的尺寸。公路桥面系传力途径与大部分构件受力特点与铁路桥面系类似，不再赘述。对于支点部位的横梁，由于支点部位加劲弦的影响，在整体效应下应力水平较低;同时，此部位横梁下翼缘与横联相接，横联减小了横梁的计算跨度，因此，支点部位横梁的应力水平较其他横梁低。对于桥面板，最大主压应力出现在加劲弦与上弦相接部位，这是由于加劲弦存在较大的拉应力，在一定程度上减小了跨中桥面板的应力水平。

4.1 模型及加载情况

模型及加载情况与铁路桥面类似，不再赘述。

4.2 强度计算结果

各构件强度结果见表6、表7，各构件应力均未超过规范规定的允许应力。

表6 公路横梁/肋控制点应力 MPa

表7 公路U肋及桥面板应力 MPa

5 结语

正交异性板的设计是一个涉及范围很广的课题，文中总结了国内长期的实践经验和研究成果，要点如下。

(1)桥面板的厚度、U肋的断面尺寸和刚度、横肋间距之间应有合理的匹配性，以保证桥面系的整体和局部刚度。节段分割应在1/5横梁/肋跨度处。

(2)应选用疲劳性能较好的焊接构造和细节，同时应尽量减少使用由于面外变形引起次弯曲应力的构造。

(3)应选择合理的焊接工艺、并控制组装精度，确保焊接质量。

石济客运专线济南黄河桥的正交异性桥面板吸取了这些成功的经验，各种构造和焊接细节均满足国内外规范要求，同时通过数值分析验证了设计的可靠性，符合技术先进、安全可靠、经济合理等设计原则，其构造形式及分析方法可供类似结构借鉴。

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