大跨度连续钢桁结合梁设计研究

焦亚萌 金 令

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

钢桁结合梁是指由混凝土(常用作桥面板)和钢桁架通过剪力连接键组合成截面共同受力、协调变形的一种复合梁式。该结构形式在简支梁型上应用较多，而在连续梁型上应用则相对较少。肖海珠等对郑州黄河公铁两用桥主桥结构设计等进行了详细的介绍，但未涉及施工步骤等相关问题的研究[1-3]。胡辉跃等介绍了三门峡黄河公铁两用大桥主桥钢桁结合梁设计，采取了顶落梁等措施，以改善混凝土板的受力状态[4-5]。在前人研究的基础上，依托郑济铁路黄河桥跨北大堤连续钢桁结合梁桥，对钢桁结合梁设计中的几个关键问题，如施工步骤、弹模比、预拱度等进行深入研究。

1 工程概况

郑济铁路黄河特大桥为公铁合建、上下双层布置(六线公路在上，四线铁路在下)。其中，跨北大堤采用(73+139+73) m连续钢桁结合梁方案。桥式方案为三主桁华伦式平行弦方案，边桁桁高15.0 m，中桁桁高15.24 m，桁宽(13.4+13.4) m。上层公路桥面板为预应力混凝土结构，总宽32.5 m，采用“预制板+湿接缝”的组合形式，桥面板内设置纵、横双向预应力筋。

桥梁平面位于直线上，纵断面位于平坡段。1/2立面布置见图1，断面布置见图2，公路桥面板局部平面见图3。

图1 郑济(73+139+73) m连续钢桁梁1/2立面布置(单位：mm)

图2 断面布置(单位：mm)

图3 公路桥面板局部平面(单位：mm)

2 施工步骤

本桥为3跨连续钢桁结合梁，下部为钢桁梁，上部为混凝土桥面板(“预制+湿接缝”形式)，两者间通过钢桁梁上弦的剪力钉和后浇混凝土湿接缝(槽)连接成整体。

根据场地条件，钢桁梁部分采用支架拼装施工，全部拼装完成后，再吊装混凝土预制桥面板。

公路桥面板设置了纵向预应力筋(桥梁全长285 m)，纵向预应力筋应分步分批张拉，需要考虑纵向预应力筋张拉与顶落梁步骤的结合。

本桥桥面板宽度达32.5 m，横桥向分成两块且设置横向预应力筋。横向预应力筋采用两种张拉方式，第1批采用先张法(与桥面板预制同步完成)，第2批采用后张法(与湿接缝形成整体时进行张拉)。

纵向湿接缝，横向湿接缝，预留剪力槽的浇筑应结合顶落梁、纵向预应力筋张拉、横向预应力筋张拉有序进行。

不同的施工方案会影响到各部分构件的内力分配，应确定合理的施工顺序(主要考虑顶落梁、纵向预应力筋、横向预应力筋、湿接缝、预留剪力槽这几部分的施工顺序)。通过试算，最终确定本桥主要施工步骤如下(见图4)。

(1)桥面板预制，张拉第1批先张预应力筋，浇筑桥面板，待混凝土强度和弹模均达到设计值后，释放先张预应力。

(2)支架拼装，无应力合龙。拼装时，中墩顶面和中跨临时墩顶高程应高于钢梁底设计高程20 cm。

图4 全桥施工布置示意(单位：mm)

(3)在中墩顶和中跨临时墩顶安置千斤顶，同步起顶10 cm，并安放临时支撑。

(4)对所有预制公路桥面板进行吊装，将桥面板内的纵向钢束穿束就位。

(5)浇筑跨中83.3 m范围内的纵缝及横缝内的自密实混凝土(预留横缝内对应的边桁上方剪力槽不浇筑)，张拉第一部分桥面板内的第2批横向预应力筋(后张法)。

(6)浇筑第一部分预制板剪力槽和横缝预留的剪力槽，再张拉纵向N1钢束。

(7)撤去中跨的临时墩。

(8)浇筑两侧各68.45 m范围内的纵缝及横缝内自密实混凝土(预留横缝内对应的边桁上方剪力槽不浇筑)，张拉第二部分各板内的第2批横向预应力筋(后张法)。

(9)浇筑第二部分预制板剪力槽和横缝预留的剪力槽。

(10)中墩支点落梁30 cm。

(11)单端张拉纵向预应力钢束N2。

(12)浇筑两侧各33.15 m范围内的纵缝及横缝内自密实混凝土(预留横缝内对应的边桁上方剪力槽不浇筑)，张拉第三部分各板内的第2批横向预应力筋(后张法)。

(13)浇筑第三部分预制板剪力槽和横缝预留剪力槽。张拉纵向N3、N4钢束。

(14)上二期恒载，全桥施工完毕。

单桁模型施工过程的各主要构件轴力见表1～表3，其中拉力为正，压力为负。

表1 各阶段主要上弦杆件轴力 kN

表2 各阶段主要下弦杆件轴力 kN

表3 各阶段主要公路桥面板轴力 kN

对本桥施工步骤及轴力的分析表明：

(1)落梁可增加公路桥面板的压应力储备，引起钢桁梁支点下弦轴力的变化较大，上弦轴力的变化相对较小。可采取预先起顶钢梁来补偿钢桁梁的轴力变化，但应注意控制起顶高度，以防止边墩出现负反力。本桥施工中，将钢梁预先起顶10 cm，与混凝土桥面板结合后，再落梁30 cm。

(2)在中跨设置临时墩、钢梁预先起顶、与混凝土桥面结合后再撤去临时墩等措施均可以改善跨中钢梁内力。本工程中，在主跨设置临时支墩，并将临时支墩和中墩一起预先起顶10 cm。

(3)桥面板与钢桁结合施工时，应先浇筑纵向和横向湿接缝，再进行桥面板横向后张预应力筋的张拉，之后再浇筑预留湿接缝和剪力槽。横向预应力钢束张拉时，桥面板与中桁固结，与边桁未固结，可有效提高施加的预应力作用。

(4)纵向预应力钢束张拉应结合桥面板的施工顺序，并采用单端张拉方式，可避免锯齿块的设置，提高总体结构景观性和耐久性。

3 弹模比取值

钢混结合梁设计中，常用钢与混凝土的弹模比(n)来进行截面换算[6]。目前，铁路结合梁设计规定[7]中，计算混凝土收缩徐变时，n值取15；计算活载时，n值取10；计算温度时，n值取6。新的铁路极限状态法中则规定了更为复杂的弹模比[8]，这使得结构计算更加复杂。为了简化计算，在施工过程、成桥状态的计算中，均采用弹模比n=15，对钢结构来说相对安全。

本桥混凝土桥面板与钢桁梁结合时，预制桥面板的浇筑时间已大于6个月，而湿接缝部分则刚具备7天左右龄期，两者差别较大。设计中分别按n=15和n=6进行计算，计算结果见表4(负值表示受压)。

表4 不同弹模比下主要杆件轴力 kN

由表4可以看出，由于有预应力筋的作用，公路桥面板均处于受压状态，n=6时，各个位置压力均较大，而对钢桁梁部分，由于预应力筋的作用，其内力已不具备规律性。因此，在具体设计中，应结合实际情况选用合适的弹模比，不应再按n=15进行设计。考虑本桥预制板占到总长80%，且结合时预制板已存放不少于6个月，故选用弹模比n=6进行设计。

4 预拱度的设置

为了便于钢桁梁的制作与安装，对于下承式钢桁梁，应使纵梁和下弦杆件保持长度不变，调整上弦杆的理论长度。而对于上承式钢桁梁，则保持纵梁和上弦杆长度不变，调整下弦杆的理论长度。另外，还要考虑工程的实施方便，杆件长度调整应为整数[3]。

预拱度设置时，一般节点按铰接考虑。对于简支梁等简单的桁架结构，可以采用几何法[9-10]，通过几何规律直接求得杆件伸长量；对于复杂的连续钢桁梁结构，可以采用位移荷载起拱法[11]、升降温法[12-14]等；但对于连续梁等超静定结构，这两种方法都容易产生较大的附加反力和起拱应力，且直接求得的杆件调整值非整数，不便于工程实施。

本桥设计时，采用了如下的方法求解预拱度的上弦杆调整量，即取消中支点的两个约束，建立单片简支静定铰接桁架模型。

[Δki]=[Fji]·Δ[lj]

(1)

其中：[Δki]表示节点i预拱度值。

[Fji]表示在节点i施加单位荷载所引起杆件j的内力值。

[Δlj]表示杆件j的长度变化值。

依据以上虚功原理，编制了钢桁梁预拱度计算程序trusscamber，可限定各杆件的调整范围，自动依次带入每组的杆件调整值，求解对应的预拱度值，最后按照与理论预拱度差值的平方和最小进行排序，输出若干组结果供选择。

采用该方法计算钢桁梁预拱度时需注意以下几点。

(1)trusscamber程序采用枚举法进行计算求解，当桁梁规模较大时，计算量将非常庞大。应结合杆件关系，尽量减少调整杆件的数量，以减少枚举值数组的个数。本桥采用华伦式桁架，梁端上弦杆调整值对预拱度无影响，其伸长值为0，不计入程序计算；上弦T形节点两侧杆件的调整值之和不变，其对应预拱度值也不变，故定义两侧杆件调整值相同(可调杆件数量减半)，可大大减少程序计算的数组个数。

(2)可以将有限元模型中需调整杆件的刚度减小(变为柔性杆)，并将各节点拱度值作为伸长值范围的中值，在中值上、下取若干值作为伸长值的枚举范围。

(3)选取最优结果时，应注意边界限制条件，连续梁中支点下落值应与实际值一致。本桥施工过程中，先起顶10 cm再下落30 cm，中支点预拱度值为20 cm，故最终选择时，应优先保证支点位置的起拱数值接近20 cm。

本桥最终确定的上弦杆件调整值、理论上拱度和实设杆件调整值的厂设上拱度值见图5。经本方法计算选定的上弦杆调整值、中支点处的理论预拱度和实设预拱度均为200.0 mm，其余点差值最大为9 mm，精度满足要求。

图5 1/2跨杆件调整与预拱度(单位：mm)

5 结论与建议

(1)连续钢桁梁的施工顺序对连续钢桁梁各杆件的内力影响较大，设计中应予以充分考虑，应将顶落梁、桥面板与钢桁梁结合、纵横向预应力张拉等工序进行统一协调，保证连续钢桁梁的各构件受力达到最优化。

(2)应结合施工步骤、混凝土板上桥时间等综合确定钢混弹模比。

(3)根据虚功原理结合自编程序，可以解决连续钢桁梁预拱度的设置问题，提高工作效率。