纵横梁体系结合桥面大跨度钢桁梁桥横梁面外弯曲的改善措施

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(山东省交通规划设计院， 山东 济南 250031)

纵横梁体系结合桥面大跨度钢桁梁桥横梁面外弯曲的改善措施

刘文,徐召

(山东省交通规划设计院， 山东 济南 250031)

济南长清黄河公路大桥主桥为102 m+4×168 m+102 m的连续钢桁梁桥，大桥桥面系采用纵横梁体系结合桥面，混凝土桥面板与主桁下弦、纵梁、横梁全部结合。对于这种桥面体系，横梁的面外弯曲是设计中的关键问题之一。为此提出了一种可以最大限度地消减恒载作用下横梁面外弯矩的设计方法——调整纵梁制作长度，可有效解决横梁的面外受力难题。

连续钢桁梁桥; 纵横梁体系; 结合桥面; 横梁面外弯曲; 无应力状态

1 工程概况

济南长清黄河公路大桥项目起自济南市长清区市政道路中川街西端，终于德州市齐河县胡官屯镇孔官庄西。项目起点向东可连接G220，进而与济南市东西向主干线经十西路连接，项目终点通过规划的济南-聊城S105一级公路齐河至聊城段连接聊城。黄河大桥在长清区三龙庄西侧上跨南水北调济平干渠，向西跨越黄河滩地和主河槽，于黄河左岸大堤K88+750处上跨大堤，全长6014 m。

主桥采用102 m+4×168 m+102 m=876 m变高连续钢桁梁，整幅布置，横桥向布置2片桁架，主桁中心距为27 m；主桁高度采用圆曲线变化，主墩处桁高23 m，边墩及跨中桁高10 m，节间分别长12、14.0、16和19 m，全桥共58 个节间(见图1)。桥门架为板式构造，边墩处桥门架高3.5 m，中墩处桥门架高5 m，桥门架底板为圆弧形(见图2)。

图1 济南长清黄河公路大桥主桥钢桁梁总体布置图(半桥)(单位： cm)

图2 济南长清黄河公路大桥主桥横断面布置图(主墩处)(单位:mm)

桥面系采用钢-砼组合桥面系，混凝土桥面板与主桁下弦、纵梁、横梁全部结合，桥面板厚23 cm，预制桥面板部分采用C50混凝土，现浇湿接缝部分采用C50微膨胀混凝土，其中与主桁下弦杆相连的纵向湿接缝采用C50 微膨胀钢纤维混凝土。

2 横梁面外弯曲的受力机理

采用纵横梁体系结合桥面的桥梁在竖向荷载作用下，主桁下弦杆将产生轴向变形，带动横梁端头跟随变形，而横梁中部由于纵梁的约束，其变形量与下弦杆的变形量相比几乎可以忽略，从而引起横梁的面外弯曲(见图3)。在下弦杆受拉伸长区域，横梁弯曲成“)(”形；在下弦杆受压缩短区域，横梁弯曲成“()”形。横梁面外弯曲变形最大处位于下弦杆受拉区或受压区端部，因此处弦杆累积变形最大，对于长清黄河大桥这样的连续钢桁梁而言，则发生在下弦杆受拉和受压转换处，即桁梁的反弯点处(见图4)。

图4 半主桥横梁面外弯矩分布(一期恒载作用下)

图3 半主桥横梁面外变形分布(一期恒载作用下)

由图5可以看出，本桥由横梁面外弯曲产生的应力最高可达224 MPa，如不采取措施，叠加横梁面内弯曲应力后，横梁应力将远超其允许应力。

图5 半主桥横梁面外应力分布(一期恒载作用下)

3 横梁面外弯曲的改善措施

铁路钢桁梁桥解决此问题的办法是在跨间设置可使纵梁纵向移动的活动支承(即伸缩纵梁,见图6)，每隔一定距离解除纵梁对横梁的约束。《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2-2005)第7.2.9条规定：“为减小桥面系与主桁弦杆共同作用的影响，跨度大于80 m的简支梁，宜在跨间设置可使纵梁纵向移动的活动支承，其间距不应大于80 m。”

图6 铁路钢桁梁伸缩纵梁构造

但对于公路钢桁梁桥而言，如设置多道伸缩纵梁，则需在桥面上设置多道伸缩缝，行车舒适性差且桥面板易于损坏。

国内的设计和研究人员提出了许多改进方法，如把横梁改成箱形截面、设置制动撑、纵梁与横梁先临时连接再拧高强螺栓等，但都收效甚微。若把横梁改成箱形截面，增大面外抗弯模量，但也同时增加了横梁的面外抗弯刚度，则其面外弯矩也跟着增大， 而横梁面外弯曲应力下降不明显。设置制动撑后，横梁的面外弯曲及由此导致应力有效降低，但纵梁的应力明显增加，纵梁成为控制桥面系设计的主要因素。如架设混凝土桥面板时纵梁与横梁先采用冲钉和普通螺栓临时连接，配以长圆孔(见图7)，待桥面板架设完毕后再以高强螺栓替代冲钉和普通螺栓，确可释放横梁的面外弯矩，但由于冲钉和普通螺栓受剪变形，很难顺利地敲出，同时架设钢桁梁和桥面板工期较长，一般不少于6个月，则高强螺栓摩擦面的保质期已过，高强螺栓连接强度难以保证。

图7 纵梁与横梁螺栓连接采用长圆孔

4 长清黄河大桥设计中横梁面外弯曲的解决办法

对于钢桁梁桥而言，根据无应力状态设计理论，钢构件的成桥内力取决于各构件的无应力状态，与施工过程无关；要想改变横梁的成桥受力状态，必然要改变某些构件的无应力状态。根据前述分析，跟横梁面外受弯联系最为直接的是纵梁轴力，故而可以通过改变纵梁的无应力长度来改善横梁的面外受力。

如图8所示，对于某一节间的纵横梁而言，假设通过改变纵梁的无应力长度使得横梁面外弯矩为零，则横梁在水平面内保持平直状态，同时纵梁轴力必然为零，可以推知此时纵梁无应力长度与下弦杆的有应力长度相等，从而可知纵梁无应力长度的改变量等于成桥时相应节间的下弦杆轴向变形量。对于下弦杆受拉的区间，纵梁制作长度相对于纵梁系统线长度要加长；对于下弦杆受压的区间，纵梁制作长度相对于纵梁系统线长度要减小。如此，通过改变纵梁的制作长度，即可实现横梁面外弯矩的释放。

图8 单个节间纵横梁变形示意图

改变纵梁制作长度后，由于纵梁长度与横梁间距不匹配，安装纵梁时需采用强迫对孔的方法，使得纵梁预顶或预拉横梁，随着桥面板的铺设，这种预顶或预拉效应将与恒载效应逐渐抵消，成桥时纵梁成为纯弯构件，横梁仅受面内弯矩。

从图9、10可以看出，钢梁架设完毕后，综合考虑纵梁的预应力效应，横梁仍存在较大的面外弯矩，其方向与恒载作用下产生的面外弯矩相反，横梁面外应力最大为114 MPa；桥面板铺设完成后恒载作用下横梁面外弯曲应力减少至15 MPa，横梁基本以竖直面内弯曲为主。

图9 混凝土桥面板铺设前横梁面外应力分布(单位： MPa)

图10 混凝土桥面板铺设后横梁面外应力分布(单位： MPa)

5 结语

济南长清黄河公路大桥主桥设计中通过调整纵梁制作长度，有效解决了横梁的面外受力难题，也使得主桥钢桁梁经济性显著改善。

[1] 山东省交通规划设计院.济南长清黄河公路大桥工程两阶段施工图设计[Z]. 2014.

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[3] 张晔芝,张敏.高速铁路纵横梁体系结合桥面横梁面外弯曲问题的研究[J].铁道学报,2010,32(1).

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1008-844X(2017)03-0118-03

U 448.21+1

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2017-05-27

刘 文(1982-)，女，工程师，主要从事桥梁设计。