轨道跨线桥钢先承重式钢砼叠合梁结构设计研究

摘 要：本文介绍了重庆轨道交通六号线二期工程跨渝合高速公路桥型方案比选研究情况。针对轨道交通特殊的指标要求，对70米跨简支钢箱梁桥梁方案的结构设计进行了参数论证，研究结果认为钢梁先承重的钢-混凝土叠合梁结构是比较合理的结构类型。在此基础上对钢梁先承重的钢-混凝土叠合梁结构类型适应不同的桥跨做了计算分析，总结出了适用不同跨径的最小梁高与跨径关系函数关系式，为条件限制较苛刻，需单跨跨线的轨道桥梁设计提供了重要启示和帮助。

关键词：桥型；70米跨简支钢箱梁；设计参数

中图分类号：U49 文献标识码：A

1 概述

重庆市轨道交通六号线是主城区轨道交通线网的重要组成部分，从茶园到北碚全长60.55km。金山寺站到北碚五路口站为六号线二期工程北段。二期工程北段在向家港站-龙凤溪站区间内需跨越渝合高速公路。轨道线路与渝合高速公路斜交，斜交角度为50.3°。

渝合高速公路与轨道线路相交处道路宽度为10.5（车道）+2.0（中分带）+10.5（车道）=23m。轨道桥梁设计起点与高速公路边坡上的隧道洞口相接，然后跨越渝合高速公路后向西延伸，跨越212国道后达到桥梁终点。由于本段桥梁两次跨越既有道路，为了减少施工期对交通影响，采用无支架施工最适宜的。由于地形限制，桥梁不等跨，因此该区段除跨高速公路边跨桥外，统一采用移动模架施工。

移动模架施工的桥梁主梁结构采用单箱单室斜腹板截面形式，桥梁采用三跨一联、40m跨为主的连续梁及连续刚构结构形式。为统一结构尺寸，外形美观，便于移动模架施工，梁高均采用2.5m。轨道线路为双线，线间距4.6m，桥梁顶面宽9.8m，梁底宽4.4m。

根据重庆市交委文件，跨越高速公路的桥梁若采用单跨通过，正交跨径不小于50m，若采用双跨通过，正交跨径不小于25m，以满足高速公路未来拓宽改造需要。因此，轨道上跨桥由于与线路斜交角度较大，若采用单跨通过，跨径不能小于70m。

2 桥型方案选择

2.1桥梁选型要求

桥型方案选择应满足系列要求：

（1）景观性好。作为城区跨线桥梁，除了满通功能之外，应重视景观性要求。

（2）满足结构受力和运营要求。轨道运营舒适性要求梁端转角小于3‰，静活载下结构竖向挠度应小于L/1500。桥梁方案选择必须满足受力及运营要求。

（3）建设周期短。本桥为轨道线路上的一个重要节点，如果建设周期长，就会推迟整条线路的运营时间，对社会经济效益影响很大。因此，建设工期是非常重要的，应选择尽量缩短建设工期的桥梁方案。

（4）对交通影响小。上跨桥施工应尽量减小对高速公路交通的影响，并应考虑施工期间及施工完成后运营期间防撞安全等因素。

（5）经济性。轨道桥梁方案选择应满足经济性要求，尽量降低工程造价。

2.2桥型方案

钢箱梁具有厂家制作、安装快捷的特点，梁体施工时间最短，对交通影响很小。单跨跨越高速公路，建成后对高速公路运营管理有利，基本不存在防撞问题，对轨道交通运营安全风险较小。钢箱梁单跨70m跨度很大，需满足轨道交通结构受力和运营要求，轨道运营舒适性要求梁端转角小于3‰，静活载下结构竖向挠度应小于L/1500，结构设计有一定难度；同时需要梁高较高，对景观性有一定影响。根据工程的施工便利性、美观性及经济性要求，可考虑采用70m单跨简支钢箱梁桥，工厂制作，现场拼装，单跨通过渝合高速公路。

3 70米跨简支钢箱梁设计

3.1 计算分析

通过计算分析，钢箱梁梁高需采用4m高方能满足计算要求。在该条件下进行了不同工况的结构计算：

（1）将不同板厚结构进行计算，找出控制性参数；

（2）将钢箱梁上是否设置混凝土板进行计算，分析设与不设的优缺点；

（3）设置混凝土板情况下，先钢梁承受自重与混凝土板重，然后由钢与混凝土组合体系承受二期恒载与活载；

（4）设置混凝土板情况下，钢梁与混凝土板作为组合体同时承受全部恒载与活载。

通过计算可得出如下结论：

（1）就无混凝土板钢箱梁而言，结构刚度虽低于带混凝土板结构，但也能满足指标要求，底板应力较低，受力较带混凝土板的结构有利。但采用混凝土板利于降低噪音和附属设施安装。

（2）70m跨度带混凝土板的简支钢箱梁，梁高一定时，底板应力为控制性关键因素，底板应力由板厚决定，当底板厚度增加，部分顶板应力由钢板转移到混凝土板上。

（3）混凝土板与钢梁同时承重，与钢梁先承重相比，作为控制性因素的底板应力基本不变，顶板钢板应力减小，混凝土板应力增加较大。

由于控制性因素是底板应力，顶板应力减小意义不大，而混凝土板应力增加较大对剪力键受力和混凝土受力不利；并且钢箱先承重对缩短交通干扰有利，综合比较，钢梁先承重受力模式应优先选择。

3.2 结构设计

基于上述分析结果，结构用钢采用Q345qD，钢箱梁顶板厚采用18mm，提高了面板刚度，便于采用板肋作为加劲肋，避免使用加工较复杂的U肋。顶板上设置间距400mm的剪力钉，然后铺设200mm厚混凝土板，混凝土板内设置直径12mm的钢筋网，提高抗裂性。为了提高承轨台区域局部刚度，利于应力重分布，在承轨台下各设置一道T型小纵肋。具体设计参数见“梁板构造设计参数表”。顶板构造细部设计见“钢梁顶板局部大样”图。

施工过程为：（1）先设临时墩，拼装钢箱梁，再拆除临时墩；（2）浇注混凝土桥面板；（3）当混凝土面板达到设计强度后，再施工桥面系。

4 钢梁先承重的钢砼叠合梁应用拓展研究

基于对重庆轨道六号线二期工程跨渝合高速公路大跨简支钢混叠合梁的研究，设定应用参数：钢箱梁底板厚35mm，应力接近190Mpa；采用在钢箱梁顶板上设置剪力钉，并浇200mm厚的混凝土板；钢梁先承重的钢砼叠合梁。在设定应用参数情况下，对不同跨度的桥梁结构做进一步分析，寻求普遍应用的规律。

通过分析可得出如下结论：

（1）不同跨度情况下，只要底板应力控制在190 Mpa，则顶板应力值维持稳定，钢顶板应力约98 Mpa，混凝土板应力约12 Mpa。

（2）随跨度增加，挠跨比减小，梁端转角减小，即整体刚度增加。

（3）跨度越大，高跨比越大，高跨比与跨径关系很大，随跨径增加高跨比的变化值逐渐减小。

（4）当跨径达70m时，钢梁高度已达4m，趋于景观可接受的上限，该结构形式应用跨径不宜再增加。

设H=A*L6+B*L5+C*L4+D*L3+E*L2+F*L+G，将表中数据代入七元一次方程组进行求解，得：

H=-1.51111×10-8× L6+ 5.08×10-6 ×L5 -7.06111×10-4 × L4+ 0.051911667×L3 -2.127337778×L2+ 46.12203334×L -412.71——（1）

其中，H—最小钢梁高，以m为单位；L—简支箱梁跨径，为两端伸缩缝中心之间的距离，以米为单位。

上述方程为带200mm厚混凝土板、钢梁先承重、Q345qD钢、钢梁底板厚取35mm、底板宽度取4.4m的条件下，跨度与最小梁高关系式。

在实际应用过程中，为了适应底板宽度变化、底板应力值变化情况下，求最小梁高，可以代入公式：

B/4.4×t/35×σ=190——（2）

其中B—底板宽度，以m为单位；t—底板厚度，以mm为单位；σ—设计应力，以Mpa为单位；可调整三者之间关系，满足最小梁高要求。

结语

本文通过研究，对于跨越有交通道路的轨道双线桥梁，由于特殊条件限制，需要做大跨简支梁时，采用钢梁先承重的钢砼叠合梁具有一定的优越性。本文通过分析统计，推导出的不同跨径下最小梁高公式具有普遍适用性，对于指导设计具有现实意义。

参考文献

[1] 张伟，刘安双，刘帮俊，钢-砼组合结构在重庆黄桷湾立交中的应用[A].2010组合结构桥梁和顶推技术应用学术会议论文集，2010.

[2] 铁道部.TB 10002.2-2005.铁路桥梁钢结构设计规范[S].