公路纵横梁组合桥面和密横梁组合桥面下承钢桁梁桥的计算对比

杨一维，郑凯锋，张 锐

(西南交通大学，四川成都610031)

下承式钢桁梁桥具有跨越能力强，且建筑高度低、施工快捷方便［1］的特点，在目前的工程项目中应用广泛，特别常见于桥梁跨度较大和建筑高度受限的立体斜交跨越中。下承式钢桁梁的桥面系参与主桁整体受力，对结构整体刚度、下弦杆的应力均有较大影响。在国内外钢桁梁设计中，用得较多的是“纵横梁混凝土桥面”和“密横梁混凝土桥面”［2］。台湾高速铁路钢桁结合梁设计中采用了纵横梁结合梁桥面；我国已建成的京津城际改京山跨二环线96 m钢桁结合梁亦采用了纵横梁结合梁桥面；法国高速铁路钢拱桥和福厦线64 m、80 m钢桁结合梁采用的是密布横梁结合梁桥面［3］。组合桥面中混凝土桥面板应力受桥面形式影响较大，混凝土桥面板通过剪力钉与纵横梁相连，桥面板承受的荷载一部分直接传到横梁，另一部分先传到纵梁再由纵梁传递给横梁，两种组合桥面形式具有明显不同的传力特点，但目前并没有规范说明两种桥面形式的更优适用范围。所以研究不同组合桥面形式的钢桁组合梁桥的力学行为对实际工程设计工作中比选桥面形式有重要意义。

本文以90 m跨度公路下承式组合桥面简支钢桁梁桥为研究对象，采用Midas/Civil有限元分析软件按纵横梁组合桥面和密横梁组合桥面分别建立有限元模型，计算结构的受力情况，为公路下承式钢桁组合梁桥选择合理桥面系构造提供参考。

1 主桁和桥面系构造

为便于比较，除桥面系采用两种方案外，钢桁梁桥采用相同的材料、杆件截面形式和桥面板厚度。钢桁梁桥钢结构采用Q345qD钢材，桥面板采用C50混凝土。钢桁梁桥采用两片主桁，计算跨度90 m，节间长度10 m，主桁高12 m，主桁中心距18 m混凝土桥面板厚度25 cm。上弦杆均采用箱型截面，除端腹杆采用箱型截面外，其余腹杆均采用工字型截面。主桁立面布置见图1。

图1 主桁立面布置(单位：mm)

桥面系采用纵横梁组合桥面和密横梁组合桥面两种方案。

纵横梁组合桥面即混凝土桥面板与纵横梁通过剪力钉相连，桥面板不与主桁下弦杆相连，桥面荷载通过纵横梁传至主桁下弦杆。纵横梁桥面在2个端节点处设2片端横梁；8个中节点处设8片中横梁；设5片纵梁，纵梁间距3.5 m。纵横梁桥面构造见图2和图3。

图2 纵横梁桥面平面(单位：m)

图3 纵横梁桥面横断面(单位：mm)

密横梁组合桥面减少纵梁，加密横梁，混凝土桥面板与纵横梁通过剪力钉相连。桥面板不与主桁下弦杆相连，桥面荷载主要通过横梁传递到主桁上［4］。密横梁体系在2个端节点处设2片端横梁；8个中节点处设8片中横梁；在每个节间3等分点位置各设2片次横梁，共计18片次横梁；设2片纵梁，纵梁间距6 m。桥面宽18 m，共设5个车道。密横梁桥面构造见图4和图5。

图4 密横梁桥面平面(单位：m)

图5 密横梁桥面横断面(单位：mm)

2 有限元模型建立和加载

利用Midas/Civil有限元数值模拟软件分别建立纵横梁组合桥面和密横梁组合桥面两种桥面形式的全桥空间有限元模型。桥面板采用板单元，其余构件均采用梁单元。主桁杆件之间、横梁和下弦杆、横梁与纵梁、平联之间、平联与上弦杆、桥面板与纵横梁均采用刚性连接，且不考虑偏心和滑移。施工阶段依次为钢结构架设、混凝土桥面板安装、二期铺设和成桥运营。整体有限元模型如图6和图7。

图6 纵横梁整体计算模型(桥面板未示)

图7 密横梁整体计算模型(桥面板未示)

恒载和活载如下：

一期恒载：钢结构和混凝土桥面板自重，自重系数取1.15。

二期恒载：栏杆和铺装等，取70 kN/m。

活载：公路Ⅰ级加载。

一期恒载由钢结构承受，二期恒载和活载由组合结构承受。

3 桥梁变形计算比较

不同组合桥面桁架梁桥竖向挠度见表1。

表1 桁架梁桥竖向挠度 cm

由表1可以看出，不同桥面体系下的桁架梁桥的挠跨比均小于规范1/500的限值。纵横梁体系桥梁与密横梁体系桥梁的恒载挠度差别不大，采用纵横梁可减小1.6%的桥梁恒载挠度，但采用密横梁体系可以在一定程度上减小桥梁活载挠度，减小约7.5%。

4 主桁杆件正应力计算比较

恒载+活载作用下主桁各类杆件在两种桥面体系中的最大正应力见表2。

表2 主桁杆件最大正应力 MPa

由表2可以看出，主桁各杆件最大正应力均在规范允许范围内。从组合应力来看，密横梁体系较纵横梁体系对下弦杆组合应力有较明显的减小，减小了约19.4%，但不同桥面系类型对上弦杆和腹杆组合应力无太大影响。对下弦杆详细应力分析可知，两种桥面体系对下弦杆轴向应力和竖平面弯曲应力影响不大，密横梁体系的下弦杆轴向应力和竖平面弯曲应力有轻微的增大；密横梁体系较纵横梁体系的下弦杆水平面弯曲应力有较明显的减小，减小了约34%。

5 横梁和纵梁正应力计算比较

恒载+活载作用下桁架桥横梁和纵梁在两种桥面体系中的最大正应力见表3。

由表3可以看出，横梁和纵梁的最大正应力均在规范允许范围内。从组合应力来看，两种桥面体系对纵梁组合应力无太大影响；密横梁体系较纵横梁体系对横梁组合应力有较明显的减小，减小了约19.8%。对横梁详细应力分析可知，两种桥面体系对横梁竖平面弯曲应力无太大影响，密横梁体系较纵横梁体系对横梁轴向应力和水平面弯曲应力均有较大程度的减小，轴向应力减小约41.2%，水平面弯曲应力减小约49.2%。

表3 横梁和纵梁最大正应力 MPa

6 桥面板应力和位置计算比较

恒载作用下的两种组合桥面混凝土板最大纵向应力位置见图8和图9，最大纵向应力见表4。

图8 纵横梁体系混凝土板最大纵向正应力位置

图9 密横梁体系混凝土板最大纵向正应力位置

表4 混凝土板最大纵向正应力 MPa

由表4可知，纵横梁体系混凝土桥面板最大纵向拉应力为1.0 MPa，密横梁体系混凝土桥面板最大纵向应力为1.6 MPa。因此，密横梁体系混凝土桥面板表现纵向受力相对不利。

由于混凝土桥面板与主桁架之间的共同作用，纵梁的存在在一定程度上限制了下弦杆的纵向伸长，从而限制了混凝土桥面板的纵向位移。所以，从混凝土桥面板纵向抗拉的角度考虑，纵横梁桥面较密横梁桥面有利。

恒载作用下的两种组合桥面混凝土板最大横向应力位置见图10和图11，最大横向应力见表5。

图10 纵横梁体系混凝土板最大横向正应力位置

图11 密横梁体系混凝土板最大横向正应力位置

表5 混凝土板最大横向正应力 MPa

由表5可知，纵横梁体系混凝土桥面板最大横向应力为0.7 MPa，密横梁体系混凝土桥面板最大横向应力为0.9 MPa。因此，密横梁体系混凝土桥面板表现横向受力相对不利。

由于桥面板与横梁、纵梁通过剪力钉连接，密横梁体系较纵横梁体系增加了桥面系与桥面板的横向连接，因此增大了桥面板的横向刚度，所以，密横梁体系桥面板有较大的横向拉应力。

7 桥面系用钢量比较

表6统计了两种桥面系的详细用钢量。

表6 桥面系用钢量

由表6可以看出，纵横梁体系桥梁较密横梁体系桥梁用钢量少，经济性较好。

8 结论

(1)纵横梁体系桥梁与密横梁体系桥梁的恒载挠度差别不大，但采用密横梁体系可以在一定程度上减小桥梁活载挠度，减小约7.5%。

(2)密横梁体系较纵横梁体系对下弦杆和横梁组合正应力有较明显的减小，分别减小了约19.4%和19.8%，其中主要是水平面弯曲正应力的减小。

(3)纵横梁体系桥面板最大纵向拉应力为1.0 MPa，密横梁体系桥面板最大纵向拉应力为1.6 MPa；纵横梁体系桥面板最大横向拉应力为0.7 MPa，密横梁体系桥面板最大横向拉应力为0.9 MPa。密横梁体系桥面板表现纵向和横向受力均相对不利。

(4)纵横梁体系桥梁较密横梁体系桥梁用钢量少，经济性较好。