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摘要：比較了明橋面、非結合梁、半結合梁、全結合梁、正交異性板5種橋面系方案的特點、存在的問題和應用情況。明橋面已經趨于淘汰，非結合梁整體性差，半結合梁和全結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的研究

李  銳

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

    傳統的普通鐵路鋼橋結構多采用鋼板梁、鋼桁梁，國內直到20世紀70年代修建成昆線時，才采用了一些新結構，如112m的剛性梁柔性拱結構、32m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，由于高速鐵路發展的需要，出現了多種新橋型，如斜拉橋、鋼桁拱橋、鋼箱系桿拱橋，出于減振、降噪、結構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。經歸納總結，目前可供選擇的橋面系方案有以下5種：(1)明橋面；(2)非結合梁；(3)半結合梁；(4)全結合梁；(5)正交異性板。

    這5種橋面系構造的主要部件及受力特點參見表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，稱為半結合梁：有些橋將混凝土板在節點處與主桁連接，這種構造形式也稱為半結合梁。對于混凝土板與橫梁、縱梁、主桁弦桿均進行連接的橋面系，稱為全結合梁。正交異性板為整體鋼橋面體系，鋼面板、縱肋(縱梁)、橫肋(橫梁)結合成整體橋面，并參與主體承重結構受力。為防腐：防水的需要，在正交異性板頂面一般也要做6 cm左右(厚)的混凝土板，這層混凝土板僅起保護作用，與結合梁有本質的不同。

 

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％o的陡坡、變坡點在一般情況下均不能設在橋上。

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

    (3)明橋面需要設置防火桶和砂箱。

    (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，出現積水，該位置通風又不良，造成上翼緣表面銹蝕嚴重。顯然，這不符合目前的耐久性設計理念。

    (5)縱、橫梁容易出現疲勞裂紋。

     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，一般每節車廂經過一次就要承受一次疲勞荷載。日本東海道新干線(運行速度210km／h)在運營l0年后明橋面出現裂紋的現象顯著增多。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，不符合環保要求。

    (7)明橋面的車橋振動較大，軌道平順性不良，因為其格子梁體系剛度有限。

    由于明橋面的穩定性及耐久性難以滿足高速列車的行車要求，《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB l0002.2—2005)第7.1.1條和《新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定》(鐵建設函[2005])285號)第5.1.2條明確規定，鋼橋橋面系宜優先采用有碴橋面，對明橋面進行嚴格限制使用。 UIC規范也要求高速鐵路不用明橋面。日本高速鐵路鋼橋橋面結構也不再采用明橋面。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、非結合梁

    一般情況下，非結合梁的混凝土板只在外縱梁以內區域與縱、橫梁結合，外縱梁以外區域混凝土板與橫梁不結合，混凝土板沿縱向一定間隔還可以設置橫向斷縫。橋面板為預制構件，在剪力釘對應位置設后澆孔。橋面板安裝就位后灌注補償收縮混凝土。只在主桁節點處設橫梁，活動縱梁處設伸縮縫，橋面系還需設置下平聯及制動聯結系。

    非結合梁在鋼桁結合梁出現的早期應用較多，其初衷主要是為了降低列車通過鋼橋時的噪音。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了混凝土板式無碴軌道，運營表明噪音大為減小。隨后又建了l0余座類似的非結合鋼桁梁橋，并做了一些設計改進。為進一步降低噪音，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過結合梁與非結合梁方案對比，采用主桁與橋面結構不結合的非結合梁方案。

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

3、半結合梁

    半結合梁橋面系構造為：在一般明橋面的縱橫梁上現澆一層鋼筋混凝土橋面板，鋼筋混凝土橋面板與縱、橫粱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。若主桁節點距離太遠，除在主桁節點處設置橫梁外，在主節點之間增加l—2組橫梁，使橫梁設計尺寸更趨合理，此時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124m的Bonpas橋、我國武漢天興洲長江大橋鐵路橋面以及正在建設中的武廣客運專線汀泗河橋等都采用半結合梁橋面系。

    半結合梁存在的主要問題有：

    (1)混凝土板開裂，導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預設裂紋出現的位置。鐵道第三勘察設計院在太中線中寧黃河橋和永寧黃河橋下承鋼桁結合梁設計中，采用在橋面板頂部縱向每隔3m，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設計為預應力混凝土板。③對混凝土橋面板采用高配筋率。④控制裂縫寬度。⑤采用補償收縮混凝土。即混凝土板分段澆筑，縱向設置斷縫，在斷縫內澆注補償收縮混凝土。

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

    (3)在跨線橋上現澆混凝土可能存在問題。

    (4)混凝土收縮徐變問題。

    (5)鋼與混凝土之間的溫差效應計算理論不成熟。

4、全結合梁

    全結合梁式橋面系，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)聯成整體，從而參與主梁受力�；炷�土橋面板同時又可作為道碴槽，因而大多采用有碴橋面。采用全結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線96m鋼桁結合梁、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。

    全結合梁存在的主要問題有：(1)橋面板的拉應力較大．容易開裂。(2)下弦結點處的防水較困難。

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；維修養護方便。但也存在以下缺點。

    (1)噪音大；

    (2)制造安裝麻煩；

    (3)正交異性板焊縫眾多，也可能出現疲勞開裂。最先引起重視的是英國塞文橋，運營5年后，發現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月發現鋼箱梁縱橫焊縫交叉處疲勞裂紋40cm，運營僅6年；

    (4)鋼橋面的防腐和防水技術還不成熟；

    (5)同結合梁橋面系比，用鋼量大，造價增加。

    采用正交異性板橋面的橋梁有：法國0snabriick系桿拱橋、德國ICE高速線上的SI CANAL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橋、福廈鐵路128 m系桿拱橋、天興洲橋、朝天門橋等。

6、結論

    (1)從橋型來看，斜拉橋橋面主要受壓，采用混凝土板的半結合梁或全結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、鋼桁拱采用半結合梁、全結合梁、正交異性板均是可行的。但都應處理好各個方案存在的問題。

    (2)針對高速鐵路，從設計壽命、橋寬、承載能力、跨度、養護維修進行綜合比較，正交異性板橋面系更值得采用。

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（本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核）

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