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摘要：比較了明橋面、非結(jié)合梁、半結(jié)合梁、全結(jié)合梁、正交異性板5種橋面系方案的特點(diǎn)、存在的問題和應(yīng)用情況。明橋面已經(jīng)趨于淘汰，非結(jié)合梁整體性差，半結(jié)合梁和全結(jié)合梁的混凝土板易開裂，建議高速鐵路鋼橋采用正交異性板橋面系。...

高速鐵路鋼橋橋面系方案研究

李  銳

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

    傳統(tǒng)的普通鐵路鋼橋結(jié)構(gòu)多采用鋼板梁、鋼桁梁，國內(nèi)直到20世紀(jì)70年代修建成昆線時(shí)，才采用了一些新結(jié)構(gòu)，如112 m的剛性梁柔性拱結(jié)構(gòu)、32 m組合體系桁梁。普通鐵路鋼橋橋面一般采用明橋面，極少采用正交異性板橋面。近年來，由于高速鐵路發(fā)展的需要，出現(xiàn)了多種新橋型，如斜拉橋、鋼桁拱橋、鋼箱系桿拱橋，出于減振、降噪、結(jié)構(gòu)受力和耐久性的需要，鋼橋橋面系也開始采用混凝土橋面板、正交異性板方案。經(jīng)歸納總結(jié)，目前可供選擇的橋面系方案有以下5種：(1)明橋面；(2)非結(jié)合梁；(3)半結(jié)合梁；(4)全結(jié)合梁；(5)正交異性板。

    這5種橋面系構(gòu)造的主要部件及受力特點(diǎn)參見表1。對于混凝土板與縱梁連接，但與橫梁僅在局部連接的橋面系，混凝土板與鋼梁的連接很弱，稱為非結(jié)合梁。對于混凝土板與縱梁連接，并與橫梁上翼緣全部連接，但不與主桁弦桿連接的橋面系，稱為半結(jié)合梁：有些橋?qū)⒒炷�土板在�?jié)點(diǎn)處與主桁連接，這種構(gòu)造形式也稱為半結(jié)合梁。對于混凝土板與橫梁、縱梁、主桁弦桿均進(jìn)行連接的橋面系，稱為全結(jié)合梁。正交異性板為整體鋼橋面體系，鋼面板、縱肋(縱梁)、橫肋(橫梁)結(jié)合成整體橋面，并參與主體承重結(jié)構(gòu)受力。為防腐、防水的需要，在正交異性板頂面一般也要做6cm左右(厚)的混凝土板，這層混凝土板僅起保護(hù)作用與結(jié)合梁有本質(zhì)的不同。

1.明橋面

    明橋面存在的主要問題有：

    (1)平曲線、豎曲線、緩和曲線、大于4％0的陡坡、變坡點(diǎn)在一般情況下均不能設(shè)在橋上。

    (2)明橋面線路爬行。如阜淮線淮河大橋、吉安贛江大橋出現(xiàn)線路爬行病害。

    (3)明橋面需要設(shè)置防火桶和砂箱。

    (4)明橋面的縱梁上翼緣因枕木遮蓋，不能涂油漆防腐蝕。而由于縱梁上翼緣表面不平整，出現(xiàn)積水，該位置通風(fēng)又不良，造成上翼緣表面銹蝕嚴(yán)重。顯然，這不符合目前的耐久性設(shè)計(jì)理念。

    (5)縱、橫梁容易出現(xiàn)疲勞裂紋。

    明橋面系的縱橫梁直接承受列車的沖擊作用，影響線短，加載頻繁，一般每節(jié)車廂經(jīng)過一次就要承受一次疲勞荷載。日本東海道新干線(運(yùn)行速度210 km／h)在運(yùn)營l0年后明橋面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象顯著增多。如美國Prairie Du Chien橋、 Walt Whitman橋，我國京津線楊村橋、京山線飲馬河橋、京廣線渠馬河橋疲勞開裂以及京山線北運(yùn)河7孔31．68m下承桁梁的縱梁腹板加勁肋下端水平裂紋、湘桂線浪江橋縱梁水平裂紋。

    (6)明橋面噪音大，不符合環(huán)保要求。

    (7)明橋面的車橋振動較大，軌道平順性不良，因?yàn)槠涓褡恿后w系剛度有限。

    由于明橋面的穩(wěn)定性及耐久性難以滿足高速列車的行車要求，《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB l0002．2—2005)第7.1.1條和《新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)函[2005])285號)第5．1．2條明確規(guī)定，鋼橋橋面系宜優(yōu)先采用有碴橋面，對明橋面進(jìn)行嚴(yán)格限制使用。 UIC規(guī)范也要求高速鐵路不用明橋面。日本高速鐵路鋼橋橋面結(jié)構(gòu)也不再采用明橋面。德國新建鐵路線上的鋼橋一般都采用正交異性板及鋼筋混凝土板的道碴橋面。

2.非結(jié)合梁

    一般情況下，非結(jié)合梁的混凝土板只在外縱梁以內(nèi)區(qū)域與縱、橫梁結(jié)合，外縱梁以外區(qū)域混凝土板與橫梁不結(jié)合，混凝土板沿縱向一定間隔還可以設(shè)置橫向斷縫。橋面板為預(yù)制構(gòu)件．在剪力釘對應(yīng)位置設(shè)后澆孔。橋面板安裝就位后灌注補(bǔ)償收縮混凝土。只在主桁節(jié)點(diǎn)處設(shè)橫梁，活動縱梁處設(shè)伸縮縫，橋面系還需設(shè)置下平聯(lián)及制動聯(lián)結(jié)系。

    非結(jié)合梁在鋼桁結(jié)合梁出現(xiàn)的早期應(yīng)用較多，其初衷主要是為了降低列車通過鋼橋時(shí)韻噪音。1972年3月，日本奈良線的木津川橋率先在鋼桁梁橋面系上鋪設(shè)了混凝土板式無碴軌道，運(yùn)營表明噪音大為減小。隨后又建了l0余座類似的非結(jié)合鋼桁梁橋，并做了一些設(shè)計(jì)改進(jìn)。為進(jìn)一步降低噪音，利根川橋采用混凝土外包鋼橋面系，在梁下安裝隔音板。從第2北上川橋開始，采用有碴道床。我國包神線黃河特大橋經(jīng)過結(jié)合梁與非結(jié)合梁方案對比，采用主桁與橋面結(jié)構(gòu)不結(jié)合的非結(jié)合梁方案。

    非結(jié)合梁橋面存在的主要問題有：(1)橫梁受力較大，在外縱梁處應(yīng)力有突變；(2)混凝土板可能開裂，可能導(dǎo)致鋼構(gòu)件銹蝕；(3)橋面系的整體性較差。

3.半結(jié)合梁

    半結(jié)合梁橋面系構(gòu)造為：在一般明橋面的縱橫梁上現(xiàn)澆一層鋼筋混凝土橋面板，鋼筋混凝土橋面板與縱、橫梁采取柔性剪力釘連接，但不通過剪力釘傳遞縱向剪力，剪力釘僅起到阻止混凝土橋面板上跳的作用。鋼筋混凝土橋面板不與主桁下弦桿結(jié)合，橋面荷載還是通過縱、橫梁傳遞至主桁下弦桿上。若主桁節(jié)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)，除在主桁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁外，在主節(jié)點(diǎn)之間增加l—2組橫梁，使橫梁設(shè)計(jì)尺寸更趨合理，此時(shí)主桁下弦桿為拉彎桿件。若完全取消縱梁，只有密排的橫梁，就成為密橫梁體系的半結(jié)合梁橋面系。日本北陸薪干線犀川橋、法國地中海高速線主跨124 m的Bonpas橋、我國武漢天興洲長江大橋鐵路橋面以及正在建設(shè)中的武廣客運(yùn)專線汀泗河橋等都采用半結(jié)合梁橋面系。

    半結(jié)合梁存在的主要問題有：

    (1)混凝土板開裂，導(dǎo)致剪力釘和橫梁銹蝕。而剪力釘和橫梁銹蝕后的處理非常困難。

    對此問題的處理方案為：①預(yù)設(shè)裂紋出現(xiàn)的位置。鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院在太中線中寧黃河橋和永寧黃河橋下承鋼桁結(jié)合梁設(shè)計(jì)中，采用在橋面板頂部縱向每隔3 m，在橫梁中心及兩橫梁之間切割寬lcm、深2cm的凹槽(鋼筋不斷)。人為設(shè)置割縫，并在割縫中填充水膨脹密封劑。一旦橋面板受力過大，將在割縫部位開裂，而水膨脹密封膠能夠填充縫隙，防止橋面板漏水。②設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土板。③對混凝土橋面板采用高配筋率。④控制裂縫寬度。⑤采用補(bǔ)償收縮混凝土。即混凝土板分段澆筑，縱向設(shè)置斷縫，在斷縫內(nèi)澆注補(bǔ)償收縮混凝土。

    (2)若在橋跨內(nèi)將混凝土板分成多段，則在斷開處容易出現(xiàn)漏水、板端振動問題。

    (3)在跨線橋上現(xiàn)澆混凝土可能存在問題。

    (4)混凝土收縮徐變問題。

    (5)鋼與}昆凝土之間的溫差效應(yīng)計(jì)算理論不成熟。

4全結(jié)合梁

    全結(jié)合梁式橋面系，是將混凝土橋面板與主桁弦桿、縱橫梁通過特制的剪力傳遞器(剪力鍵)聯(lián)成整體，從而參與主梁受力。混凝土橋面板同時(shí)又可作為道碴槽，因而大多采用  有碴橋面。采用全結(jié)合梁橋面系的橋梁有：日本常盤線荒川  橋、德國Hedemunden Werra橋和ICE高速線上的Nanten．bach、法國TGV北部高速線上的拉德爾橋、我國京津城際改  京山跨二環(huán)線96m鋼桁結(jié)合梁、武漢天興洲長江大橋公路橋  面、鄭州黃河公鐵兩用橋公路橋面等。

    全結(jié)合梁存在的主要問題有：(1)橋面板的拉應(yīng)力較大，容易開裂。(2)下弦結(jié)點(diǎn)處的防水較困難。

5.正交異性板

    正交異性板有3種類型：由縱梁、橫梁、橫肋(橫隔板)支  承的鋼橋面板體系；由縱、橫梁支承的正交異性鋼橋面板系；下弦桿和鋼橋面板結(jié)合的密橫梁鋼橋面板體系。

    正交異性板橋面重量輕，對軟弱地基和抗地震有利；施  工工期短；維修養(yǎng)護(hù)方便。但也存在以下缺點(diǎn)。

    (1)噪音大；

    (2)制造安裝麻煩；

    (3)正交異性板焊縫眾多，也可能出現(xiàn)疲勞開裂。最先引起重視的是英國塞文橋，運(yùn)營5年后，發(fā)現(xiàn)正交異性板焊  縫開裂。l997年6月通車的我國虎門大橋，2004年2月發(fā)  現(xiàn)鋼箱梁縱橫焊縫交叉處疲勞裂紋40 em，運(yùn)營僅6年；

    (4)鋼橋面的防腐和防水技術(shù)還不成熟；

    (5)同結(jié)合梁橋面系比，用鋼量大，造價(jià)增加。

    采用正交異性板橋面的橋梁有：法國0snabrtick系桿拱  橋、德國ICE高速線上的SICANAL橋、我國重慶菜園壩橋，在建的鄭州黃河橋、京滬高速鐵路南京大勝關(guān)橋、福廈鐵路  128m系桿拱橋、天興洲橋、朝天門橋等。

6.結(jié)論

    (1)從橋型來看，斜拉橋橋面主要受壓，采用混凝土板的  半結(jié)合梁或全結(jié)合梁的橋面系是可行的。鋼系桿拱橋面主  要受拉，采用正交異性板橋面系顯得更合理。下承式鋼桁  梁、鋼桁拱采用半結(jié)合梁、全結(jié)合梁、正交異性板均是可行  的。但都應(yīng)處理好各個(gè)方案存在的問題。

    (2)針對高速鐵路，從設(shè)計(jì)壽命、橋?qū)挕⒊休d能力、跨度、  養(yǎng)護(hù)維修進(jìn)行綜合比較，正交異性板橋面系更值得采用。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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