道庆洲大桥双层公轨合建桥梁的结构设计

　　摘    要：　道庆洲大桥引桥第7联为跨度73m的双层公轨两用简支变宽钢桁梁，主桁采用三角桁架，桁高9.4m，标准节间长12m。上层公路桥面采用钢筋混凝土板与密横梁结合体系，下层铁路桥面系采用正交异性钢桥面板结构。桥梁位于平面缓和曲线上，采用主桁变宽解决桥面变宽问题。公路桥面系宽度从34.058m变化到45.476m；通过抬高曲线外侧上弦杆件高度及挑臂横梁高度，并利用混凝土板局部加厚来实现从0%到2%的曲线超高。铁路桥面系高1.524m，宽度从13.7m变化到25.65m，超高通过调整道床板高度来实现。

　　关键词：　公轨两用桥; 变宽钢桁梁; 曲线超高; 密横梁体系; 正交异性钢桥面板; 结构设计;

　　Abstract：　The seventh continuous unit of Daoqingzhou Bridge is a simply-supported steel truss girder structure with spans of 73 min length and with upper and lower decks accommodating both highway and railway traffic.The main girder is not constant in width,consisting of triangular trusses 9.4 mhigh,and a typical truss panel is 12 mlong.The upper highway deck is formed of densely-arranged cross beams covered with reinforced concrete slabs,and the lower railway deck comprises orthotropic steel deck plates.The bridge has a mild plan curvature,and the main truss is designed with variable width to naturally suit deck width expansion.The width of highway deck varies from 34.058 mto 45.476 m.The upper chord outside the curve and the cross beams in the cantilevers were raised,and the concrete slabs were locally thickened,so as to realize the superelevation changing from 0% to 2%.The railway deck is 1.524 mdeep and varies from 13.7 mto25.65 min width,with superelevation realized via adjusting the height of the track plates.

　　Keyword：　rail-cum-road bridge; varying-width steel truss girder; superelevation; dense cross beam system; orthotropic steel deck plate; structural design;

　　1 、工程概况

　　道庆洲大桥位于福州市闽江和乌龙江的交叉口，下游为青州闽江大桥，上游为乌龙江大桥，大桥连接福州主城（仓山区）和长乐市，从道庆洲湿地边缘经过。大桥为双层公轨合建桥梁，搭载6车道公路和2线轨道交通。
 

 

　　大桥全长2.2km，均为钢桁结合梁结构，由主桥和8联引桥组成，其中引桥第7联为73m简支钢桁结合梁（见图1），位于平曲线上[1]。为适应接岸匝道要求，第7联设计为横向变宽结构，公路桥面宽34.058～45.476m，铁路桥面宽13.7～25.65 m。为适应线路平曲线变化，公路桥面和铁路桥面均设置超高，公路桥面横坡从0%变化到2%；铁路桥面右线超高100mm，超高顺坡率1.1‰。

　　2、 主要技术标准

　　大桥上层桥面道路等级为城市主干道兼一级公路。主线设计行车速度为60km/h，设计汽车荷载为城-A级。

　　图1 道庆洲大桥引桥第6～8联平面布置

　　下层桥面正线数目为双线（地铁六号线），设计运行速度为100km/h，线间距为4.2m。车型及计算荷载采用国家标准B2型车，接触网受电。列车编组为6辆，车辆最大轴重140kN，最小轴重65kN，空载轴重80kN。

　　3、 结构设计

　　第7联变宽简支钢桁梁墩中线跨度为73.0m，桁式结构为不带竖杆的三角桁，主桁桁高9.4m（见图2）。上层桥面采用结合梁，下层为正交异性钢桥面。梁底设竖向支座，墩顶设横向抗震挡块。由于第7联处在缓和曲线段，需要设置曲线超高，超高从0%变化到2%。在曲线外侧设置超高，通过调整曲线外侧弦杆高度、挑臂横坡及混凝土板来实现。曲线外侧上弦杆高度往顶部增加0.15m，钢梁挑臂横坡从0%变化到6.92%，混凝土板做局部加厚处理。

　　桥梁横断面采用2片主桁型式，全桥不设横联及桥门架[2]。主梁横断面为带挑臂展翅横梁的钢桁梁结构（见图3），钢桁梁采用栓焊结构[3]，材质为Q345qD钢。主梁上层为钢-混组合结构[3]，下层为正交异性钢桥面，主桁采用三角桁架，主桁中心距由福州侧15.107m线性变化到长乐侧26.92m，曲线内侧挑臂长9.184～9.601m、外侧挑臂长9.350～9.372m；公路桥面宽34.058～45.476m（见图4），标准节间长12m，桁高9.4m；铁路桥面宽13.7～25.65m。

　　图2 桁式结构立面

　　图3 主梁横断面

　　图4 公路桥面平面布置

　　3.1、 主桁

　　弦杆设计时考虑与混凝土的共同作用，上、下弦杆均采用箱形截面[3,4,5,6]。主桁腹杆采用箱形截面或H形截面。主桁节点采用焊接整体节点，节点外拼接。左侧上弦杆高1.56m、内宽1.2m，右侧上弦杆高1.71m、内宽1.2m；左侧上弦杆顶板设2%横坡，右侧上弦杆顶板水平布置，顶、底板厚24～48mm；竖板厚24～40mm；下弦杆高1.46m、内宽1.2m，上、下水平板厚24～32mm，竖板厚24～32mm；斜杆采用箱形、H形截面，杆件高700～1 000mm，杆件内宽为1.2m，梁端竖杆采用H形，杆件翼缘宽为800 mm。节段间顶、底板及腹板均采用栓接[3,4,5]。

　　3.2 、公路桥面系

　　公路桥面系为变宽钢-混结合梁[2]，每隔2 990.1mm设置1道横梁，标准节段每个节间共4道横梁，横梁与主桁斜交，角度94.662°，截面长度线性变化；端横梁采用箱形截面，其余位置横梁均采用工形截面。左侧桁间横梁横坡为2%，右侧桁间横梁横坡0.03%变化到0.98%。横梁顶板宽600mm、厚24mm，普通横梁腹板厚20mm，节点处横梁腹板厚24 mm；普通横梁底板宽度从跨中500mm变化到700mm，节点处横梁底板宽度从跨中540mm变化到740mm，厚32mm。曲线内侧挑臂从9.184m变化到9.601m，坡度为2%；曲线外侧挑臂从9.350m变化到9.372m，横坡从0.16%变化到6.92%，挑臂横梁尺寸与横梁规格相同。公路桥面系横断面如图5所示。

　　图5 公路桥面系横断面

　　桥面板采用C50预制混凝土板结构，现浇湿接缝采用微膨胀混凝土。混凝土桥面板沿线路中线对称布置，在钢横梁对称中心线设置横坡，曲线内侧横坡为2%，曲线外侧横坡为0%～2%。桥面板标准厚度为22cm，在超高变化区域做局部加厚处理。预制桥面板平面尺寸随桥面尺寸变化，最大吊重约18.6t。

　　钢-混连接构造通过在顶板设置剪力钉，将混凝土与钢梁连成整体，共同受力[6]。

　　3.3、 铁路桥面系

　　铁路桥面系为变宽正交异性钢桥面，每隔2 990.1mm设置1道横梁，标准节段每个节间共4道横梁，横梁与主桁斜交，角度94.662°，截面长度线性变化；端横梁采用箱形截面，其余位置横梁均采用工形截面。铁路桥面距离横梁对称中心线左右各6.4m范围设1%的横坡，其余范围均为平坡。横梁跨中高1.524m，钢桥面顶板厚16mm；横梁腹板厚14mm，下翼缘截面为600mm×24mm。铁路桥面系横断面如图6所示。

　　由于铁路线路中心线偏离横梁对称中心线较远，因此铁路桥面设置7道纵梁。铁路纵梁高660mm，节点处与主桁等高，纵梁腹板厚16mm，底板截面为260mm×12mm。钢桥面顶板与下弦杆的上盖板焊连，横梁腹板及底板与主桁杆件栓接。钢桥面顶板采用板式加劲肋加劲，加劲肋间距最大不超过540mm，肋高200mm，板厚16mm；节段间板肋均采用嵌补段焊接。

　　图6 铁路桥面系横断面

　　3.4 、联结系

　　对于单层下承式简支钢桁梁，桥门架及横联对提高桥梁的横向刚度与扭转刚度贡献较大；但是对于上层桥面为钢-混结合梁，下层桥面为正交异性钢桥面密横梁体系，上层桥面系对钢桁梁提供足够的整体刚度，增加桥门架与横联对结构的静力、动力特性改善较小[7]，因此从经济、受力方面考虑，不设桥门架及横联。

　　4、 曲线钢桁梁变宽、超高设计

　　4.1、 钢桁梁变宽设计

　　钢桁梁变宽设计可采用2种方案：方案1，保持主桁中心距等宽，通过变化挑臂长度实现变宽；方案2，主桁中心距与挑臂宽度同时变化。大桥第6联主桁中心距为15m，桥面宽34.06mm；第8联主桁中心距为27m，桥面宽45.48m。考虑景观需要，避免交接墩处出现主桁轮廓突变，第7联采用方案2进行变宽设计，即主桁中心距与挑臂宽度同时变化，中心距从15m变化到27m。

　　4.2、 超高设计

　　该桥平面处在缓和曲线段内，为保证车辆通过曲线时保持平衡，需要在公路桥面及铁路桥面系外侧设置桥面超高。常用钢梁超高设置方法有：

　　(1）方案1。保持桥面铺装及混凝土板高度不变，通过抬高曲线外侧钢梁顶板来实现。钢梁制造时钢梁曲面弯折，制造难度相对较高。曲线钢箱梁方案常采用此方案。

　　(2）方案2。保持钢梁顶面内、外侧横坡不变，通过调整结合梁段混凝土板厚度来实现桥面超高。

　　(3）方案3。方案1与方案2两者相结合，钢梁顶板抬高部分，混凝土厚度增加部分，可相对减小钢梁制造难度，降低混凝土板的厚度。

　　(4）方案4。对于桥面为结合梁的钢桁梁，还可以通过改变曲线外侧主桁桁高，保持上弦杆高度不变，改变腹杆长度。

　　结合该桥的结构特点，若采用方案1，仅抬高钢梁顶板来设置超高，曲线外侧上弦需设计成变高杆件，桥面及托架高度也不断变化，钢梁制造工作量大、难度较高。对于超高变化较大、桥面较宽的结构，方案2会导致桥面荷载增加较多，局部钢梁加料较多，混凝土板太厚，影响结合面受力。曲线超高沿桥轴线线性变化，主桁平面中心距线性变化。若采用方案4，曲线外侧主桁上弦杆件中心线是曲线，上弦杆件会有折角，受压容易面内屈曲失稳。

　　经过比选，公路桥面采用方案3设置超高。先将曲线外侧桥面按最小横坡0%设置，此时曲线外侧上弦杆件加高15cm；再确定桁内钢横梁及挑臂钢横梁的桥面横坡，桁内钢横梁横坡根据主桁中心线距离上弦杆距离确定，挑臂钢横梁顶板端部上挑，保证挑臂钢横梁悬臂端混凝土板厚度为22cm，根据桁内钢横梁中点与挑臂钢横梁端点连线为桥面横坡定出挑臂钢横梁横坡；预制混凝土板厚度不变，桥面横坡（即超高）通过在混凝土板底用现浇混凝土调平层实现，与方案2相比，可减少混凝土板重约92.2t。公路桥面系超高设置如图7所示。由于铁路右线超高最大100mm，可通过调整混凝土道床板高度实现轨面超高，无需在铁路桥面系进行超高设置。

　　图7 公路桥面系超高设置

　　5、 结构受力分析

　　采用MIDAS Civil软件建立有限元模型（见图8），主桁杆件、铁路横梁、公路横梁均采用梁单元模拟，公路混凝土桥面板、铁路桥面正交异性板采用板单元模拟。曲线钢桁梁结构设计需要考虑因桥面超高而引起的桥面二期恒载的不对称及曲线桥梁离心力的作用，离心力水平荷载简化作用在钢梁顶面[8,9]。

　　图8 有限元模型

　　结构计算荷载：恒载包括一期恒载及二期恒载，一期恒载为钢梁自重、混凝土板重，二期恒载为公路桥面铺装、栏杆、灯柱、交通设施等荷载，铁路桥面道床板、接触网、疏散平台等荷载；公路活载采用城-A级，按最不利车道数布载。挑臂外侧设置人群和非机动车混行车道；地铁采用“国家标准B2型车”，编组为6辆，考虑车辆摇摆力作用，并考虑曲线梁离心力作用。

　　5.1、 主桁杆件受力验算

　　主桁杆件按照《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10091-2017）进行验算，分别考虑施工阶段包络、主力组合、主+附加力组合3种工况。主+附加力组合下，容许应力可以提高25%，不控制设计，仅提主桁杆件内外侧主力荷载工况下内力和应力。主桁杆件检算结果如表1。

　　由表1可知，由于曲线半径较大，活载偏载、外侧桥面超高及离心力对曲线外侧主桁杆件内力有一定影响，轴力相差约10%，弯矩相差约20%，由于曲线外侧上弦杆件比内侧杆件高150mm，杆件应力差异不到10%。各杆件强度、稳定均能满足《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091-2017）要求。

　　5.2、 主梁刚度

　　主梁在恒载+活载作用下，挠度为15.3mm，挠跨比为1/4 800，转角为0.69×10-3 rad，满足《地铁设计规范》（GB 50157-2013）相关要求。

　　5.3、 混凝土桥面板

　　混凝土桥面板设计为普通钢筋混凝土结构，纵向配置直径20 mm、间距12.5cm的HRB400钢筋，横向配置直径22mm、间距12.5cm的HRB400钢筋。混凝土桥面板的计算分为横向框架局部受力计算和纵向受力计算。

　　横向框架局部受力计算中，混凝土桥面板最大压应力为3.5MPa，最大拉应力为6.8MPa，一类环境裂缝宽度为0.18mm；纵向受力计算中，混凝土板最大压应力为7.7MPa，最大拉应力为5.5MPa，一类环境裂缝宽度为0.09mm。计算结果均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）要求。为减少混凝土收缩徐变对结构产生的不利影响，现浇混凝土桥面板间的现浇湿接缝采用微膨胀混凝土。

　　6、结语

　　福州道庆洲大桥引桥第7联为曲线变宽公轨两用简支钢桁梁，在进行曲线变宽钢桁梁设计时，需从结构受力、外形景观等方面考虑变宽钢桁梁主桁中心距的布置。公路桥面曲线超高设置，采用抬高曲线外侧上弦杆件高度及挑臂横梁高度，并利用混凝土板局部加厚的办法来实现，可有效减少恒载重量，并降低工厂加工制造难度；铁路桥面系超高通过调整混凝土道床板高度可实现轨面超高。结构受力计算考虑恒载不对称、活载偏载、离心力等对内、外侧杆件的影响，轴力相差约10%，弯矩相差约20%。福州道庆洲大桥已于2017年5月开工，预计2021年开通运营。

　　表1 主桁杆件检算结果

　　参考文献

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