李传琳

(中国中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明 650200)

1 概述

昆明新机场高速公路李其村大桥上跨铁路部分，受规划、用地及地面构筑物的影响，高速公路主线与铁路中心线的夹角仅32°～40°，且由于上部高压线和下部铁路净空的双重限制，上部结构和施工共同可用高度仅剩3.35 m。经与铁路相关单位反复协商、充分论证最终确定了以(45+52)m斜交60°的孔跨形式跨越铁路。其平面关系详见图1。

图1 李其村大桥上跨铁路部分平面(单位:cm)

2 施工方案与结构形式的选择

由于大桥跨越的铁路线均有较繁忙的运营要求，桥梁结构的选择应在满足成桥后铁路净空要求的前提下，还应充分考虑施工过程可能对铁路运输的影响。设计初期针对预应力混凝土连续梁、预应力混凝土简支T梁、连续钢箱梁等结构形式进行了研究。预应力混凝土连续梁施工阶段悬灌挂篮不能满足桥下铁路电气化安全要求;预应力混凝土简支T梁最大吊装重力达1 970 kN，架设难度大;连续钢箱梁同样是架设困难，拼接支架侵占铁路净空等问题，因此否定了这几种梁部结构形式。经过前期的研究，总结出梁部结构形式应满足以下几个限制条件:(1)梁部结构高度不能大于3.0 m。(2)施工阶段梁下需要使用的空间不应大于0.5 m(铁路搭设防护棚架后可用空间)。(3)桥孔中间不能搭设临时支墩，墩傍支架宽度应小于1.5 m。(4)单片架设重力不宜大于1 000 kN。

经过比选分析后，最终确定采用多箱斜交简支钢－混结合梁，钢结构部分按轻型架桥机架设的施工方法进行设计。分两个施工阶段，第一施工阶段钢梁分段厂制，运抵施工场地单梁组拼成型，吊上引桥桥面后架桥机架设就位，以钢梁为模架进行钢筋混凝土预制桥面板安装并浇筑湿接缝，此时一期恒载由钢梁承担;第二施工阶段桥面设备施工，二期恒载及活载由钢梁与钢筋混凝土桥面板形成的组合截面承担。能够满足上述限制条件。

3 钢-混结合梁的结构设计

3.1 主梁布置

该桥位于半径4 000 m的曲线上，钢梁采用直线平行布置，通过调整混凝土桥面板边缘宽度顺适线形。单幅桥面总宽为19.95 m，每幅桥采用6榀单室敞口钢箱梁，各榀钢箱梁间用箱内横隔板和箱外横梁联结成梁格体系(图2)。梁格体系与钢筋混凝土桥面板形成闭合多箱单室结构形式。

图2 52 m跨简支钢-混结合梁钢梁平面(单位:cm)

3.2 横断面设计

本桥单幅桥面由6根等高度钢箱梁组成，钢箱梁宽1.7 m，高2.6 m，桥面板厚0.25 m，结构总高2.85 m。各钢箱梁相邻腹板间间距1.7 m，全桥每隔4.5 m左右设置横梁、横隔板，将各箱梁连成具有强大整体刚度的空间结构(图3)。每根钢箱梁采用U形开口断面，每道腹板上设0.6 m宽上翼缘，每箱下翼缘宽1.76 m。钢梁上翼缘板厚25 mm，下翼缘板厚34 mm，腹板板厚30 mm。为减小下翼缘板厚，箱内下翼缘设两道纵向通长加劲肋，为提高腹板局部稳定性，纵向间距1.5 m左右设竖向腹板加劲肋。竖向加劲肋还能防止上翼缘在施工过程产生屈曲失稳。

图3 52 m跨简支钢-混结合梁横断面(单位:mm)

3.3 桥面板设计

钢-混结合梁的桥面板不仅起到把桥面荷载分配并传达给梁格承重体系的作用，还作为局部构件直接承受车辆荷载，更重要的是作为组合结构中的一部分与钢梁形成一体共同负担荷载。混凝土桥面板一般有现浇桥面板和预制桥面板两种形式。现浇桥面板虽然施工工序较少，施工较为方便，但由于混凝土桥面板的收缩变形受到钢梁及剪力连接件的约束，往往早期在非荷载阶段就出现裂缝，大大影响了结构的耐久性。鉴于本桥桥面面积较大，混凝土桥面板的收缩徐变影响更为明显，最终采用预制桥面板。桥面板分块预制后放置一定的时间加以养护，在完成大部分的水化热反应及收缩变形后进行架设。再施作桥面板位于主梁上翼缘和横梁位置的湿接缝。湿接缝采用与桥面板同强度等级的微膨胀钢纤维混凝土。

4 多箱钢-混结合梁的结构分析

4.1 总体思路及相关参数

结构体系分为两个阶段计算，第一阶段为钢梁吊装就位后，以钢梁为模架浇筑混凝土桥面板时，一期恒载(包括钢梁自重和联结系、桥面板)等施工荷载均由钢梁承担;第二阶段为桥面板混凝土终凝形成组合梁后，二期恒载(桥面铺装、防撞护栏)和活载等其他荷载由组合梁承受。计算分析采用两种方法分别计算，首先采用单梁杆单元模型进行初步计算，确定合理梁高及钢梁各部位板厚，混凝土桥面板厚等主要结构尺寸。再采用板单元模型进行整体计算分析进一步优化各部位结构尺寸。

主梁钢材均采用Q345，弯拉最大设计应力取σt=［σ］=210 MPa;考虑到受压翼缘的局部稳定问题，第一阶段的弯压最大设计应力假设为σc1=0.85［σ］=178 MPa，组合梁桥使用阶段弯压最大设计应力取σc2=［σ］=210 MPa。

计算荷载考虑恒载、车辆荷载、温度荷载、部分混凝土收缩徐变等主要荷载。恒载除结构自重外，二期恒载沥青混凝土桥面铺装采用2.4 kN/m2;防撞护栏采用15 kN/m。活载按照《公路桥涵设计通用规范》公路－Ⅰ级，并考虑冲击系数。温度梯度:正温差效应:T1=14℃，T2=5.5℃;负温差效应:T1=－7℃，T2=－2.75℃;系统温度:39、－1℃。

4.2 单梁杆单元模型分析

单梁杆单元模型的首要问题就是确定主梁的活载横向分配系数，计算时先根据主梁和横梁的刚度、桥梁宽度、计算跨径等相关因素用偏心受压法分别计算出边梁和中梁的横向分配系数(表1)。

表1 52 m结合梁横向分配系数统计

钢与混凝土的弹性模量比值采用《铁路结合梁设计规定》(TBJ24—90)中考虑了徐变的弹性模量比值。单梁杆单元模型用同济大学开发的《桥梁博士》软件进行计算(表2)。

4.3 板单元模型整体分析

板单元模型计算采用Midas有限元计算软件，按实际施工过程，真实模拟。钢箱梁采用薄板单元、混凝土桥面板采用厚板单元模拟。全桥上部结构划分为26 304个板单元、25 431个节点。

表2 单梁杆单元模型计算结果汇总 MPa

板单元模型整体分析计算结果汇总见表3。

表3 板单元模型整体分析计算结果汇总 MPa

通过计算分析可得，结构恒载挠度67.5 mm，为跨度的1/750;汽车荷载作用下跨中结构挠度为27.4 mm，为跨度的1/1 860;说明结构整体具有较好的竖向刚度。

4.4 钢-混连接件的设计

连接件是连接钢梁和混凝土的构件，它作为钢梁与混凝土板之间的传力构件，使二者共同受力。鉴于本桥的连接件主要用于承担钢梁与混凝土桥面板间的剪力。设计时选用了圆柱头焊钉作为连接件。

一般计算时按照弹性设计方法进行计算，钢梁与混凝土桥面板之间的纵向水平剪力，由剪力键承受。每排剪力键个数n按下式计算

式中 Q——截面上第二阶段竖向荷载引起的计算剪力;

Io——换算惯性矩;

S——桥面板对中性轴的面积矩;

an——焊钉纵向间距;

［N］——单个焊钉承载能力。

板单元模型计算时，采用弹性连接模拟钢梁于混凝土板之间的剪力键连接，按计算结果中弹性连接的反力大小，计算焊钉个数。

设计中抗剪联结器采用φ22 mm焊钉，承载力50 kN，剪力幅不大于25 kN。焊钉沿梁跨方向的布置根据剪力的大小调整。在支点至1/4跨处焊钉适当加密，跨中范围布置稀疏一些。

5 结语

多箱斜交简支钢-混结合梁具有结构高度小，自重轻，刚度大，承载能力高，施工简便的优点，钢-混结合梁的钢梁部分可以工厂加工，现场吊装和拼接，不仅可以保证建设工期，而且不影响桥下交通。该种结构形式可以适用在路幅较宽的高速公路、城市道路跨越交通繁忙的铁路、公路、城市干道等的桥梁上部结构形式。

通过计算比较，在准确计算多箱斜交简支钢-混结合梁各梁的横向分配系数的条件下，采用单梁杆单元模型计算，可以满足精度要求，简化计算过程，大大减少实际工作量。

［1］刘玉擎.组合结构桥梁［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］黄剑源.薄壁结构的扭转分析［M］.北京:中国铁道出版社，1998.

［3］项海帆.高等桥梁结构理论［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］赵鸿铁.钢与混凝土组合结构［M］.北京:科学技术出版社，2001.

［5］范立础.桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社，1987.

［6］李富文，伏魁先，刘学信.钢桥［M］.北京:中国铁道出版社，2002.

［7］中华人民共和国交通部.JTJ025—86 公路桥涵钢结构及木结构设计规范［S］.北京:人民交通出版社，1986.

［8］中华人民共和国铁道部.TBJ24—89 铁路结合梁设计规程［S］.北京:中国铁道出版社，1989.

［9］中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.