第3章　铁路混合组合梁斜拉桥加劲梁结构设计

3.1　钢箱混合组合加劲梁结构特点

钢箱混合组合梁作为铁路斜拉桥的加劲梁，其最重要的特点就是通过变化钢箱混合梁的结构形式，或者在钢箱混合梁的基础上变化钢与混凝土结构组合截面，就能够有效地提高结构的整体刚度。钢箱梁与钢桁梁相比，正是由于钢箱梁每延米重量更轻，因此更具备结构的柔性，所以为有效地减少这种柔性，采取以混凝土梁截面增加梁体重量，起到对刚性梁支承压重作用。对于索结构所支承的加劲梁用钢与混凝土组合截面，相当于增加了索结构支承重力刚度也就起到增加结构刚度的效果。此外，钢箱混合组合加劲梁还同时具有普通钢箱梁、混凝土箱梁和钢箱与混凝土组合截面箱梁的共同特点。

3.1.1　钢箱混合梁结构特点

钢箱混合梁分为钢箱梁和混凝土箱梁，钢箱梁结构可充分发挥钢结构材质均匀、自重较轻、跨越能力大、安装快捷方便等优点，混合梁斜拉桥主跨或包括边跨的压重跨一般均采用钢箱加劲梁。预应力混凝土箱梁结构自重及刚度大，用于混合梁斜拉桥边跨或边跨的锚固跨可以起到对主跨的锚碇作用。

3.1.1.1　钢箱梁结构特点

钢箱梁是一种闭合截面形式的薄壁结构，构成箱梁顶板、底板和腹板的厚度与箱梁高度或宽度之比非常小，因此，这种闭合薄壁截面箱梁结构必须对顶板、底板和腹板设置一定数量的加劲肋和横隔板来保证箱梁截面的受力性能。薄壁箱梁有了足够的加劲肋和横隔板就可以保证在设计荷载弯矩、扭矩作用下，不至于发生弯曲变形或扭曲畸变；在垂直集中荷载作用点附近的腹板受压翼缘不会发生局部屈曲，以及腹板不会因此而出现压皱现象。设置足够的钢箱梁加劲肋和横隔板是提高其承载能力必须而有效的途径。

钢箱梁另一个特点就是钢箱梁顶板既是主梁截面的一个组成部分，作为翼板具有与主梁共同受力的功能，同时还支承着桥面上的荷载起到桥面板的作用。这种钢桥面板依靠纵向密布的加劲纵肋和垂直于纵肋并分布较疏的横隔板共同来加劲桥面钢板，因此，纵肋的刚度与横隔板的刚度是不同的，所以桥面板在纵向和横向的弹性性能也是不同的，把这个特性看作为各向异性，人们就称之为正交异性钢桥面板。

钢桥面板中的钢板厚度与纵肋间距、加载条件，以及容许桥面钢盖板在列车反复荷载作用下引起的局部挠曲变形或局部挠度产生的转角变形，对钢盖板、纵肋和横隔板之间的焊缝连接疲劳强度的影响程度等因素有关。铁路钢箱梁斜拉桥由于列车活载比较重，桥面加劲梁承受的二期恒载和列车活载均集中在道砟槽范围内，且恒活载比值相对小，列车活载对钢箱梁特别是钢桥面板的振动与疲劳破坏问题突出。

由于钢箱梁能够更有效地发挥钢材的承载能力，因此，采用正交异性钢桥面板和薄壁刚腹板、底板及加劲肋的钢箱形梁与钢桁梁相比可节省钢材约20％，由此桥梁下部结构可以减少造价约5％～15％。同时闭合空心箱形截面的特性所决定，在相同材料数量情况下可较其他截面形式提供更大的抗弯和抗扭刚度。

正交异性钢桥面板在受力上分为主梁体系、桥面体系与盖板体系，其上任意点的应力可由这些基本体系的应力叠加而得。钢箱梁在力学分析中属于空间闭口薄壁结构，受力后会产生弯曲、扭转与畸变变形及其相应的应力。钢箱梁当发生纵向弯曲时，由于箱形截面存在着剪力滞现象，使钢箱梁翼缘的弯曲应力沿梁宽呈曲线分布形状。

钢箱梁与钢桁梁相比具有以下显著的优点：

（1）结构重量轻、节省钢材

钢箱梁截面能够更有效地发挥钢板的承载能力，采用正交异性钢桥面板和用加劲肋薄钢板作为箱形梁的腹板和底板，有研究表明可以比钢桁梁节省钢材约20％左右，跨径越大越节省。况且，由于上部结构自重的减少，可以带来了下部结构造价的减少。

（2）抗弯和抗扭刚度大

由于钢箱梁具有闭合空心截面的特性，这就决定了在材料数量相同时较其他截面形式可以提供更大的抗弯和抗扭刚度，因而特别适应于曲线桥和承受较大偏心荷载的直线桥梁。

（3）制造安装快、养护方便

钢箱梁可以在工厂加工制造成大型的节段单元，减少了大量的工地螺栓连接数量。对于大跨度斜拉桥施工时，不仅仅便于大节段悬臂起吊拼装法架设，还便于采用拖拉或顶推法架设。箱形梁结构相对简单，防腐涂装更方便，而且，由于内部为闭合空间，具有较好的抗腐蚀性。

（4）适应于宽桥布置和横向刚度要求

当多线铁路并行布置或在大跨度桥梁中为了满足横向刚度条件需要桥梁横向具有一定的宽度来保证时，钢箱梁与钢桁梁相比就不受主桁、横梁、上下弦横向连接系的影响，按照需要布置宽度，既可以比较容易满足大跨度铁路桥梁横向刚度的要求，又可以节省大量的钢材。

3.1.1.2　混凝土箱梁结构特点

混合梁斜拉桥中的混凝土箱梁用于斜拉桥的边跨作为锚固跨或压重跨，与一般的梁式桥混凝土箱梁不同，除了起到由各个辅助支承的连续梁结构作用外，还要起到承受起到对斜拉桥的主跨锚碇和压重的作用。混凝土箱梁顶板、底板和腹板均相对比较厚、外轮廓尺寸或外形与其连接的钢箱梁一致，底板有时还要考虑在箱内另外灌注压重混凝土，以增加锚固跨的重量，这样一来混凝土箱梁的自重就会很大，虽然如此，斜拉桥边跨由于有斜拉索竖向力的作用，相对于同跨径的连续梁结果而言，其箱梁內为抵抗荷载布置的预应力索数量相对较少，说明箱梁内弯矩小而剪力大。

3.1.2　钢箱组合梁结构特点

钢箱混合组合梁是将钢箱混合梁之钢箱梁结构中的正交异性钢桥面板替换为刚度更大的混凝土桥面板，目的是使混合梁斜拉桥的主跨钢箱加劲梁成为钢箱组合（或钢箱结合）梁，这种组合截面梁主要表现在以下几个方面：

①混凝土桥面板与钢箱梁之间采用抗剪连接件连接，通过现浇接缝混凝土将钢材和混凝土有效地结合成整体主梁共同受力。两种材料交界处变形协调，是截面保持正常工作状态的前提，根据两种材料的截面特性以一定比例进行内力分配。最优设计目标是能充分发挥混凝土抗压性能好和钢材抗拉、抗压强度均较高的材料特性。

②位于钢箱组合梁受压区的混凝土板，既可以增加钢纵梁侧向刚度，防止荷载作用下的扭曲失稳，同时也提高了截面重心，使得钢梁腹板大部分处于受拉区，有利于避免钢梁腹板发生局部压屈。

③钢箱组合梁的混凝土桥面板一方面作为结合梁的一部分参与主梁整体受力，另一方面承受桥面局部荷载，因此必须考虑桥面板在局部荷载和整体荷载作用下沿横桥向的纵向联合应力，即需要同时考虑第一、第二、第三体系应力叠加。当然，还必须考虑由混凝土桥面板的收缩、徐变，以及温度变化引起的钢梁和混凝土桥面板之间的内力重分布。

④在斜拉索产生的水平分力和自重、二期恒载、活载产生的弯矩和轴力共同作用下，钢箱组合加劲梁中的混凝土桥面板中纵向正应力沿腹板中心线两侧的横向分布是并不均匀的，主要集中在腹板附近一个有限的宽度范围内，亦即产生了剪力滞效应，因此，存在着需要考虑混凝土桥面板的有效宽度问题。

⑤钢箱组合梁中的混凝土桥面板承担了大部分由斜拉索产生对主梁的水平纵向压力，其经济性优于正交异性板钢桥面板。

⑥由于钢箱组合梁中的混凝土桥面板刚度较大，仅需对钢腹板、钢底板进行加劲，同时，混凝土桥面板对加劲梁纵向受力具有强劲的稳定作用，钢横隔板可以采取仅仅在斜拉索锚固位置布置一道全高横隔板，而在两道斜拉索之间布置一道不予混凝土桥面板连接的横隔板即可，这样使得钢材用量大大地减少。

⑦箱梁同一截面存在着钢箱腹板、底板与混凝土桥面板两种不同的材质，混凝土桥面板的有效分布宽度、钢与混凝土剪力键结合、纵横向预应力束的预加力效果、收缩徐变应力重分布限制、混凝土桥面板拉应力及裂缝控制是钢箱组合梁的关键技术问题。

在继承钢箱混合梁斜拉桥优点的基础上，组合梁通过采用混凝土桥面板不仅加大了斜拉桥主跨的恒活载比值、进一步提高了结构重力刚度、改善了结构疲劳性能、充分利用混凝土抗压能力，而且，有效地解决了高速铁路无砟轨道结构与混凝土桥面板的可靠连接、能够更加充分适应高速铁路行车目标值的要求。