大跨度铁路钢桁架-混凝土组合连续梁设计方案

张武鹏飞

中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043

钢桁架-混凝土组合连续梁的大规模应用始于20世纪末，知名的桥梁有建成于1993年的德国南滕巴赫美因河桥［1］］和建成于2015 年的西班牙大西洋高速铁路乌拉河桥［2］］，这两座桥均为铁路桥梁。南滕巴赫美因河桥为（83.2 + 208 + 83.2）m 三跨连续梁桥，乌拉河桥孔跨为（50+80+3×120+225+240+225+3×120+80）m，四个中跨主墩采用刚构体系。国内对该桥型的研究较少，目前还没有同类铁路大桥在国内应用的先例。

相比于传统的钢箱-混凝土组合梁，钢桁架-混凝土组合连续梁用钢桁架代替了钢箱部分，其主要特点是在上层桥面采用上弦杆和混凝土桥面板相结合的组合结构，在墩顶负弯矩区的下弦杆也采用与混凝土底板结合的组合结构，形成双组合截面。因此，在跨中正弯矩区的上弦杆和墩顶负弯矩区的下弦杆都充分利用了混凝土抗压性。钢桁架-混凝土组合连续梁的独特结构使其具备很多优点：与普通钢桥相比，该桥型刚度大、用钢量小，降低了工程造价；与混凝土梁桥相比，钢桁架-混凝土组合连续梁采用钢主桁，减少了主梁混凝土用量，显著减轻自重，减小了地震作用，降低了基础造价［3-4］。钢桁部分可采用节段悬臂拼装法施工，合龙之后采用移动模架法施工混凝土桥面，施工便捷，且对环境影响小。另外，混凝土底板可作为检修平台，便于后期养护维修。

本文以一座设计中的主跨246 m 铁路大桥为背景，建立有限元模型计算不同结构体系、桁式、桁高、负弯矩区处理方式下结构的响应，通过比选分析，给出了适合该桥的最优方案。

1 工程概况

大桥总长607.75 m，为双线无砟轨道铁路桥，线间距9.8 m，设计荷载为ZKH 活载，设计速度为200 km/h。该桥位于高原山区，桥址处沟谷呈U 形，沟床宽浅，线路海拔3 716 m，地震基本烈度为8 度，地震动反应谱特征周期为0.45 s，桥梁受高原气候和地震作用影响较大。

大桥主跨采用（124 + 246 + 124）m 钢桁架-混凝土组合梁，边跨采用（2×48）m 混凝土T构连续梁。桥梁立面见图1。

图1 桥梁立面（单位：cm）

主跨钢桁架采用Q420qE 及Q500qE 钢材，桥墩采用C45混凝土，桥面板和底板采用C55混凝土，并通过剪力钉与钢桁架结合。混凝土桥面板宽17.1 m，板厚25 ～ 71 cm，混凝土底板宽8.6 m，厚0.5 ～ 1.2 m。上下弦杆及腹杆均采用矩形截面，普通截面尺寸为1.4 m（高）×1.2 m（宽），在主墩墩顶附近由于受力较大，弦杆截面尺寸相应增大，弦杆板厚为20 ～60 mm；腹杆截面尺寸为1.2 m × 1.2 m，板厚为20 ～ 48 mm。主跨边墩采用一个横向固定纵向放开的活动支座和一个纵横向均放开的活动支座。

2 结构计算

采用MIDAS/Civil 软件建立各比选方案的全桥模型，并对结构进行对比计算分析，计算内容主要包含成桥状态和运营状态下结构的内力、应力和变形。

主墩墩底采用节点弹性支承并考虑了基础刚度，桥面板根据TBJ 24—89《铁路结合梁设计规定》考虑了有效宽度。主要计算荷载包括恒载、活载、风荷载、温度荷载。恒载包括自重、二期恒载和基础不均匀沉降；活载包括列车静活载、制动力、横向摇摆力；风荷载按纵向和横向分别加载；温度荷载分为整体升温、降温和钢桁温差；各荷载取值均依照TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》。荷载组合主要有：主力、主力+纵向附加力、主力+横向附加力三种。计算结果显示，结构主要受主力控制。受篇幅所限，在后续分析中只列出主力工况的计算结果。

3 结构体系选择

连续梁（如德国南滕巴赫美因河桥）、连续刚构（如西班牙乌拉河桥）是铁路桥梁中等跨度的设计首选和应用主流［5-6］。结合本桥的特点，对（124 + 246 +124）m 钢桁架-混凝土组合连续梁和连续刚构进行分析、比选。两种体系的模型采用相同的桥墩基础、边墩支座和梁高，连续梁在44.5 m 高主墩设置固定支座。各结构体系计算结果见表1。

由表1 可知，连续刚构的竖向刚度明显优于连续梁，横向刚度略优于连续梁。主力作用下，上下弦杆件的受力情况连续刚构总体优于连续梁，尤其是上弦杆的受力。连续刚构最大轴力比连续梁小4 495 kN，因此，上弦杆最大截面采用1.4 m × 1.2 m 的普通截面，无需像连续梁一样进行局部加宽处理，这样有利于上弦杆与混凝土桥面板连接构造统一。

表1 各结构体系计算结果

本桥采用无砟轨道，对轨道平顺性尤其是梁端转角控制较严，必须控制在1‰rad以内。连续梁刚度较小，为控制梁端转角满足要求，增大了梁端附近的杆件板厚，用钢量增加较多，其每延米用钢量比连续钢构多1.26 t，经济性较差。另外，连续刚构抗震性能优，还可以节省支座，减少支座维修养护。综合比选，推荐采用连续刚构。

4 关键参数

4.1 桁式

钢桁架常用三种桁式方案［7-8］，见表 2。N 形桁架所有节点都在斜杆交汇，杆件夹角较小，受力不利，且节点板尺寸较大，节点板用钢量多；带竖杆华仑型桁架杆件较多，节点板尺寸比N 形桁架更大；三角形桁没有竖杆，减少了杆件数量，杆件夹角相对较大，节点板尺寸最小，可大量节省用于腹杆拼接的钢材。另外，对于变高度钢桁梁，N形桁架和带竖杆华仑型桁架杆件种类较多，构造复杂，增加了施工难度。从结构受力、外观、经济性方面考虑，采用华伦型的三角形桁架。

表2 桁式方案对比

4.2 下弦曲线

设计3 种主桁下弦轮廓形式（图2）：方案1 下弦曲线沿直线段变化，下弦轮廓变化简单，钢桁立面十分简洁，杆件易加工，但刚度变化大，材料有一定浪费，经济性稍差；方案2 下弦曲线采用y=-0.001 766x1.8抛物线形式，主梁下弦曲线优美，结构美观，多应用于混凝土连续梁；方案3 下弦曲线采用反向相切，半径为427.4 m 的圆曲线，下弦曲线类似鱼腹，轮廓优美，造型更加饱满，有利于结构受力［7］。不同下弦曲线方案计算结果见表3。

表3 不同下弦曲线方案计算结果

由表3 可知：三个方案的刚度和受力情况相差较小，但方案1用钢量较大，经济性较差。方案2和方案3各方面都非常接近，其中方案2 用钢量比方案3 少28 t，经济性略优。另外，方案2 下弦杆控制截面轴压力比方案3 小5 670 kN，因此下弦杆最大截面更小，但下弦杆不同于上弦杆，特殊截面不会引起钢桁-混凝土连接复杂化，截面尺寸更灵活。方案2 各方面都略占优势，但考虑结构的经济性、新颖性和美观性，推荐采用方案3。

4.3 桁高

桁高是由受力性能、用钢量等要求共同确定的。桁高越高主梁竖向刚度越大，桁高增加时上下弦杆的受力和截面尺寸会减小，看似减少了用钢量，但腹杆长度的增加会增大用钢量，反之亦然。因此，为了得到合适的桁高，计算对比桁高为7.6～16.5 m，9.6～18.5 m，11.6～20.5 m 三个方案在主力工况下的受力情况和用钢量，结果见表4。

由表4 可知：方案1 因桁高低，主梁刚度小，杆件内力较大，为了满足梁端转角的要求，杆件截面和板厚都须增大，导致用钢量较大，经济性较差；方案3 主梁刚度最大，桁架内力较小，弦杆截面尺寸小，弦杆用钢量较小，但桁高的增高导致腹杆长度增大，腹杆用钢量较大，总体用钢量较多。综合考虑，选取用钢量最小的方案2，即梁高为9.6～18.5 m。

4.4 节间长度

节间长度直接影响弦杆、腹杆长度以及斜腹杆的倾角。节间长度小，腹杆用钢量较大，不经济；节间长度大，则上弦杆跨度大，受力较不利。

斜腹杆倾角由节间长度与主桁高度的比值决定。倾角过小腹杆数量会增加，此种情况下节点板数量多且节点板尺寸大。倾角过大腹杆内力较大，腹杆截面尺寸会增大。

本文设计了三种主桁节间布置方案，见图3。可知：方案1 腹杆角度相对较大，对减小节点板尺寸有利，对弦杆、腹杆的受力较为不利；方案2 中相邻腹杆的夹角不均匀，对墩顶部分的节点板设置较为不利；方案3 为方案1 和方案2 的折中方案，腹杆夹角均匀，节点板尺寸较小，腹杆数量、长度适中，节间比例匀称美观。因此，选择方案3的节间布置。

4.5 桁间距及主桁倾角

钢桁梁主桁中心距（桁间距）由桁梁横向刚度、横向稳定性以及线路行车要求共同决定。本桥为双线铁路大桥，线间距9.8 m。为便于主桁传力和桥面板轻量化设计，拟定上弦杆桁间距采用9.8 m，在保持截面高度、杆件尺寸不变的情况下分别对腹板为直桁、腹板外倾、腹板内倾进行对比分析，腹板外倾、腹板内倾均按17.5∶1 设计。三个方案跨中和墩顶截面构造见图4—图6，不同腹杆倾角方案计算结果见表5。

图4 方案1（单位：cm）

图5 方案2（单位：cm）

图6 方案3（单位：cm）

由表5 可知：①方案2 腹板与下弦横梁角度最大，方案1 次之，方案3 最小，而3 个方案的竖向刚度基本一致。②方案3 上弦杆轴力最小，方案2 最大，下弦正好相反，整体来说，杆件受力相差不大。③无论是用钢量和混凝土用量，方案2 都较大，方案1 略大于方案3。考虑到直桁腹杆位于线路中心线正下方，受力简单、传力明确，构造处理相对简单，推荐方案1，即腹板与横梁垂直的直桁断面形式。

表5 不同腹杆倾角方案计算结果

4.6 负弯矩区桥面板开裂解决方案比选

钢桁架-混凝土组合连续梁负弯矩区混凝土处于受拉状态，极易在外荷载作用下发生开裂，进而引起结构的刚度退化以及结构耐久性问题。为控制与防止负弯矩区混凝土开裂，本文提出三种解决方案，分别为高配筋方案；抗拔不抗剪连接件+预应力方案；桥面板、钢桁不结合方案。

4.6.1 方案1

该方案允许负弯矩区桥面板开裂，但是通过提高桥面板纵向配筋率以及调整施工工序，使得桥面板裂缝宽度始终在限值范围内，从而保证桥梁满足耐久性要求。该方案的主要优点是可以最大程度地利用钢与混凝土两种材料的受力优势，减少钢材用量，并且施工工艺简单，造价较低。缺点是普通钢筋用量较大。经计算，该方案在负弯矩区纵向普通钢筋配筋率为3.5%，其他位置为2.4%。

4.6.2 方案2

该方案通过调整施工工序增大跨中桥面板压力储备，利用抗拔不抗剪连接件释放负弯矩区桥面板拉力，并采用预应力调整桥面板内力，使得桥面板拉应力不超限，从而保证桥面板不开裂［9-11］。在桥梁墩顶负弯矩区域，混凝土桥面板与钢桁梁结构之间剪力钉采用抗拔不抗剪的结合方式；其他区域采用全结合的连接方式，抗拔不抗剪连接与全结合连接之间设置断缝，剪力钉布置见图7。

图7 剪力钉布置

预应力钢束采用1 860 MPa 钢绞线，钢束规格采用12‐7φ5。在抗拔不抗剪剪力钉布置区域，桥面板断面布置10根预应力钢束，全结合剪力钉布置区域桥面板布置14 根预应力钢束，预应力钢束布置见图8。该方案的主要优点是可以避免桥面板开裂，保证结构的耐久性，同时用钢量以及普通钢筋用量都较低。缺点是由于预应力体系中的锯齿块构造复杂，预应力施工工序及工艺要求较高，导致施工难度相对较高，施工质量不易保证。

图8 桥面板预应力钢束布置

4.6.3 方案3

采用沿纵向密集断缝分块的桥面结构，以此释放桥面板负弯矩区的拉力，并降低混凝土收缩徐变效应和温度效应的影响，此时桥面板对结构纵桥向的受力贡献很小，结构受力主要由钢桁梁承担。该方案的主要优点是施工简单，受力明确，结构耐久性和可靠度都较好，缺点是用钢量大，造价较高。主力作用下三个方案主桁应力见图9，具体计算结果见表6。

图9 主力作用下三个方案主桁应力（单位：MPa）

表6 各负弯矩区桥面板处理方案计算结果

由表6 可知：①方案1 竖向刚度最大，用钢量最少，虽然普通钢筋用量最大，但综合来看经济性依然最优。由于方案1在负弯矩区充分利用了普通钢筋受力，所以上弦杆轴力最小，上弦杆截面尺寸最小。②方案2通过抗拔不抗剪连接件部分利用了钢桁架和桥面板组合作用，减少了一定用钢量，但连接构造相对复杂，施工难度最大。③方案3 由于未能利用桥面板参与纵向受力，所以用钢量最大，经济性较差。因此，综合考虑经济性和施工便捷性，推荐采用方案1。

5 结语

本文通过比选研究发现，大跨度钢桁架-混凝土组合连续梁铁路桥更适合采用连续钢构形式；下弦采用渐变高度的曲线形式比直线形式更省材料；桁高存在合理经济值，使主桁刚度既能满足使用要求，又能减少材料用量；主桁腹杆从内倾到外倾变化时，竖向刚度基本不变，横向刚度逐渐增加，材料用量也逐渐增加；墩顶负弯矩区采用高配筋允许混凝土桥面板开裂，但限制裂缝宽度的方式经济性最优。