第3章　鐵路混合組合梁斜拉橋加勁梁結構設計

3.1　鋼箱混合組合加勁梁結構特點

鋼箱混合組合梁作為鐵路斜拉橋的加勁梁，其最重要的特點就是通過變化鋼箱混合梁的結構形式，或者在鋼箱混合梁的基礎上變化鋼與混凝土結構組合截面，就能夠有效地提高結構的整體剛度。鋼箱梁與鋼桁梁相比，正是由于鋼箱梁每延米重量更輕，因此更具備結構的柔性，所以為有效地減少這種柔性，采取以混凝土梁截面增加梁體重量，起到對剛性梁支承壓重作用。對于索結構所支承的加勁梁用鋼與混凝土組合截面，相當于增加了索結構支承重力剛度也就起到增加結構剛度的效果。此外，鋼箱混合組合加勁梁還同時具有普通鋼箱梁、混凝土箱梁和鋼箱與混凝土組合截面箱梁的共同特點。

3.1.1　鋼箱混合梁結構特點

鋼箱混合梁分為鋼箱梁和混凝土箱梁，鋼箱梁結構可充分發揮鋼結構材質均勻、自重較輕、跨越能力大、安裝快捷方便等優點，混合梁斜拉橋主跨或包括邊跨的壓重跨一般均采用鋼箱加勁梁。預應力混凝土箱梁結構自重及剛度大，用于混合梁斜拉橋邊跨或邊跨的錨固跨可以起到對主跨的錨碇作用。

3.1.1.1　鋼箱梁結構特點

鋼箱梁是一種閉合截面形式的薄壁結構，構成箱梁頂板、底板和腹板的厚度與箱梁高度或寬度之比非常小，因此，這種閉合薄壁截面箱梁結構必須對頂板、底板和腹板設置一定數量的加勁肋和橫隔板來保證箱梁截面的受力性能。薄壁箱梁有了足夠的加勁肋和橫隔板就可以保證在設計荷載彎矩、扭矩作用下，不至于發生彎曲變形或扭曲畸變；在垂直集中荷載作用點附近的腹板受壓翼緣不會發生局部屈曲，以及腹板不會因此而出現壓皺現象。設置足夠的鋼箱梁加勁肋和橫隔板是提高其承載能力必須而有效的途徑。

鋼箱梁另一個特點就是鋼箱梁頂板既是主梁截面的一個組成部分，作為翼板具有與主梁共同受力的功能，同時還支承著橋面上的荷載起到橋面板的作用。這種鋼橋面板依靠縱向密布的加勁縱肋和垂直于縱肋并分布較疏的橫隔板共同來加勁橋面鋼板，因此，縱肋的剛度與橫隔板的剛度是不同的，所以橋面板在縱向和橫向的彈性性能也是不同的，把這個特性看作為各向異性，人們就稱之為正交異性鋼橋面板。

鋼橋面板中的鋼板厚度與縱肋間距、加載條件，以及容許橋面鋼蓋板在列車反復荷載作用下引起的局部撓曲變形或局部撓度產生的轉角變形，對鋼蓋板、縱肋和橫隔板之間的焊縫連接疲勞強度的影響程度等因素有關。鐵路鋼箱梁斜拉橋由于列車活載比較重，橋面加勁梁承受的二期恒載和列車活載均集中在道砟槽范圍內，且恒活載比值相對小，列車活載對鋼箱梁特別是鋼橋面板的振動與疲勞破壞問題突出。

由于鋼箱梁能夠更有效地發揮鋼材的承載能力，因此，采用正交異性鋼橋面板和薄壁剛腹板、底板及加勁肋的鋼箱形梁與鋼桁梁相比可節省鋼材約20％，由此橋梁下部結構可以減少造價約5％～15％。同時閉合空心箱形截面的特性所決定，在相同材料數量情況下可較其他截面形式提供更大的抗彎和抗扭剛度。

正交異性鋼橋面板在受力上分為主梁體系、橋面體系與蓋板體系，其上任意點的應力可由這些基本體系的應力疊加而得。鋼箱梁在力學分析中屬于空間閉口薄壁結構，受力后會產生彎曲、扭轉與畸變變形及其相應的應力。鋼箱梁當發生縱向彎曲時，由于箱形截面存在著剪力滯現象，使鋼箱梁翼緣的彎曲應力沿梁寬呈曲線分布形狀。

鋼箱梁與鋼桁梁相比具有以下顯著的優點：

（1）結構重量輕、節省鋼材

鋼箱梁截面能夠更有效地發揮鋼板的承載能力，采用正交異性鋼橋面板和用加勁肋薄鋼板作為箱形梁的腹板和底板，有研究表明可以比鋼桁梁節省鋼材約20％左右，跨徑越大越節省。況且，由于上部結構自重的減少，可以帶來了下部結構造價的減少。

（2）抗彎和抗扭剛度大

由于鋼箱梁具有閉合空心截面的特性，這就決定了在材料數量相同時較其他截面形式可以提供更大的抗彎和抗扭剛度，因而特別適應于曲線橋和承受較大偏心荷載的直線橋梁。

（3）制造安裝快、養護方便

鋼箱梁可以在工廠加工制造成大型的節段單元，減少了大量的工地螺栓連接數量。對于大跨度斜拉橋施工時，不僅僅便于大節段懸臂起吊拼裝法架設，還便于采用拖拉或頂推法架設。箱形梁結構相對簡單，防腐涂裝更方便，而且，由于內部為閉合空間，具有較好的抗腐蝕性。

（4）適應于寬橋布置和橫向剛度要求

當多線鐵路并行布置或在大跨度橋梁中為了滿足橫向剛度條件需要橋梁橫向具有一定的寬度來保證時，鋼箱梁與鋼桁梁相比就不受主桁、橫梁、上下弦橫向連接系的影響，按照需要布置寬度，既可以比較容易滿足大跨度鐵路橋梁橫向剛度的要求，又可以節省大量的鋼材。

3.1.1.2　混凝土箱梁結構特點

混合梁斜拉橋中的混凝土箱梁用于斜拉橋的邊跨作為錨固跨或壓重跨，與一般的梁式橋混凝土箱梁不同，除了起到由各個輔助支承的連續梁結構作用外，還要起到承受起到對斜拉橋的主跨錨碇和壓重的作用。混凝土箱梁頂板、底板和腹板均相對比較厚、外輪廓尺寸或外形與其連接的鋼箱梁一致，底板有時還要考慮在箱內另外灌注壓重混凝土，以增加錨固跨的重量，這樣一來混凝土箱梁的自重就會很大，雖然如此，斜拉橋邊跨由于有斜拉索豎向力的作用，相對于同跨徑的連續梁結果而言，其箱梁內為抵抗荷載布置的預應力索數量相對較少，說明箱梁內彎矩小而剪力大。

3.1.2　鋼箱組合梁結構特點

鋼箱混合組合梁是將鋼箱混合梁之鋼箱梁結構中的正交異性鋼橋面板替換為剛度更大的混凝土橋面板，目的是使混合梁斜拉橋的主跨鋼箱加勁梁成為鋼箱組合（或鋼箱結合）梁，這種組合截面梁主要表現在以下幾個方面：

①混凝土橋面板與鋼箱梁之間采用抗剪連接件連接，通過現澆接縫混凝土將鋼材和混凝土有效地結合成整體主梁共同受力。兩種材料交界處變形協調，是截面保持正常工作狀態的前提，根據兩種材料的截面特性以一定比例進行內力分配。最優設計目標是能充分發揮混凝土抗壓性能好和鋼材抗拉、抗壓強度均較高的材料特性。

②位于鋼箱組合梁受壓區的混凝土板，既可以增加鋼縱梁側向剛度，防止荷載作用下的扭曲失穩，同時也提高了截面重心，使得鋼梁腹板大部分處于受拉區，有利于避免鋼梁腹板發生局部壓屈。

③鋼箱組合梁的混凝土橋面板一方面作為結合梁的一部分參與主梁整體受力，另一方面承受橋面局部荷載，因此必須考慮橋面板在局部荷載和整體荷載作用下沿橫橋向的縱向聯合應力，即需要同時考慮第一、第二、第三體系應力疊加。當然，還必須考慮由混凝土橋面板的收縮、徐變，以及溫度變化引起的鋼梁和混凝土橋面板之間的內力重分布。

④在斜拉索產生的水平分力和自重、二期恒載、活載產生的彎矩和軸力共同作用下，鋼箱組合加勁梁中的混凝土橋面板中縱向正應力沿腹板中心線兩側的橫向分布是并不均勻的，主要集中在腹板附近一個有限的寬度范圍內，亦即產生了剪力滯效應，因此，存在著需要考慮混凝土橋面板的有效寬度問題。

⑤鋼箱組合梁中的混凝土橋面板承擔了大部分由斜拉索產生對主梁的水平縱向壓力，其經濟性優于正交異性板鋼橋面板。

⑥由于鋼箱組合梁中的混凝土橋面板剛度較大，僅需對鋼腹板、鋼底板進行加勁，同時，混凝土橋面板對加勁梁縱向受力具有強勁的穩定作用，鋼橫隔板可以采取僅僅在斜拉索錨固位置布置一道全高橫隔板，而在兩道斜拉索之間布置一道不予混凝土橋面板連接的橫隔板即可，這樣使得鋼材用量大大地減少。

⑦箱梁同一截面存在著鋼箱腹板、底板與混凝土橋面板兩種不同的材質，混凝土橋面板的有效分布寬度、鋼與混凝土剪力鍵結合、縱橫向預應力束的預加力效果、收縮徐變應力重分布限制、混凝土橋面板拉應力及裂縫控制是鋼箱組合梁的關鍵技術問題。

在繼承鋼箱混合梁斜拉橋優點的基礎上，組合梁通過采用混凝土橋面板不僅加大了斜拉橋主跨的恒活載比值、進一步提高了結構重力剛度、改善了結構疲勞性能、充分利用混凝土抗壓能力，而且，有效地解決了高速鐵路無砟軌道結構與混凝土橋面板的可靠連接、能夠更加充分適應高速鐵路行車目標值的要求。