一种大跨度钢桁组合连续梁结构及其施工方法与流程

本发明属于桥梁设计与施工技术领域，具体涉及一种大跨度钢桁组合连续梁结构及其施工方法。

背景技术：

高速铁路对桥梁与路基的变形、沉降要求非常严格，这是高铁桥梁选型的关键控制因素之一。预应力混凝土梁具有刚度大，动力性能好，便于养护维修的优点，是铁路桥梁的首选梁型。但混凝土结构又有收缩、徐变的特性，跨中挠度会随着时间的推移而逐渐增大。目前高铁预应力混凝土连续梁最大跨度在135m左右，理论上，超过150m时，铺轨后的残余徐变下挠值很难控制在规范允许的20mm（l/5000）的范围内。同时，大跨度带来的非线性问题影响更加突出，结构风险加大。

为了避免上述问题，目前国内高速铁路主跨150~300m的混凝土梁式桥一般均采用了组合结构体系，比如梁-拱组合结构，梁-桁架组合结构，矮塔斜拉桥等。这些体系都是以混凝土梁为主受力结构，拱、桁架、塔-斜拉索作为加劲结构，通过加劲结构来控制主跨的下挠并降低混凝土主梁的应力水平。

但高速铁路组合结构体系桥梁也存在一些问题：（1）吊杆、斜拉索等为多次超静定结构，张拉力影响桥面线形，施工精度要求较高；（2）更换吊杆、斜拉索对铁路运营影响较大；（3）桥面以上高度较大，可能会突破航空限高；（4）混凝土桥面上方采用钢桁架加劲时，美观效果较差，且桥面以上部分钢结构的养护涂装作业只能在天窗点内进行。

在上述跨度范围内，钢桁梁是极具竞争力的桥型，刚度大、后期变形小，施工方便快捷。传统铁路钢桁梁一般为下承式，即铁路桥面附着在下弦杆上，被桁架腹杆包围在内侧，乘车时旅客视野受阻；而且大跨变高度钢桁梁一般是下弦保持水平，由上弦变化来实现梁高变化，造型不如混凝土连续梁那样简洁明快。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有以混凝土梁为主受力结构、以钢结构为加劲结构的大跨桥梁所存在的施工精度要求较高，整体高度较大，受到航空限高的制约，且不便于钢结构养护的问题。

为此，本发明提供了一种大跨度钢桁组合连续梁结构，包括混凝土桥面板，两组相对布置用于共同支撑混凝土桥面板的钢桁架，以及用于支撑钢桁架的两边跨支点和两中支点；所述钢桁架包括沿顺桥向通长布置的上弦杆和下弦杆，所述上弦杆和下弦杆之间连接有多根腹杆；所述上弦杆为水平直杆结构，两组钢桁架的上弦杆之间连接上平联，混凝土桥面板的横桥向两侧分别与两组钢桁架的上弦杆连接，所述下弦杆为连续连接的若干段抛物线状，下弦杆的两端分别支撑于两边跨支点上，下弦杆的最低点支撑于中支点上，中跨的负弯矩区及边跨全长区域内的两组钢桁架的下弦杆之间设置混凝土底板，中跨的剩余区域的两根下弦杆之间设置下平联。

进一步的，所述上弦杆和下弦杆之间的多根腹杆首尾顺次连接并形成锯齿状结构，且相邻的两根腹杆之间通过节点板连接。

进一步的，所述钢桁架采用全焊接结构，所述节点板采用全圆弧形过渡结构。

进一步的，所述上平联包括多根沿顺桥向间隔布置于两根上弦杆之间的上横梁，以及设置在相邻两根上横梁之间的上斜撑；所述上横梁的两端分别固定在两根上弦杆上，且上横梁沿水平横桥向延伸布置，混凝土桥面板底部与所述上横梁连接。

进一步的，所述混凝土桥面板的纵横向分别设置有纵向湿接缝和横向湿接缝，所述纵向湿接缝设置在上弦杆顶面，且纵向湿接缝与上弦杆之间通过剪力钉连接，所述横向湿接缝设置在上平联的上横梁顶面，且横向湿接缝与上横梁之间通过剪力钉连接。

进一步的，所述下平联包括多根沿顺桥向间隔布置于两根下弦杆之间的下横梁，以及设置在相邻两根下横梁之间的下斜撑；所述下横梁的两端分别固定在两根下弦杆上，且下横梁沿水平横桥向布置。

进一步的，所述混凝土底板的厚度与下弦杆的高度相同，且混凝土底板与下弦杆之间通过剪力钉连接。

进一步的，所述混凝土桥面板内设置若干纵向预应力钢筋。

另外，本发明还提供了上述大跨度钢桁组合连续梁结构的施工方法，包括如下步骤：

1)完成桥墩施工，同时在工厂预制混凝土桥面板及钢桁梁节段；

2)由两个中支点往两侧对称同步安装钢桁梁节段，直至钢桁梁合拢；

3)以钢桁梁为依托，采用吊篮现浇中跨的负弯矩区及边跨全长区域内的两根下弦杆之间的混凝土底板，同时在上弦杆及上平联顶面相应位置焊接剪力钉；

4)在钢桁梁上方逐块安装预制的混凝土桥面板，并在上弦杆及上平联的上横梁顶面施工纵横湿接缝，完成混凝土桥面板与钢桁梁的连接。

进一步的，所述混凝土桥面板的龄期要达到6个月以上再运至现场安装。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明提供的这种大跨度钢桁组合连续梁结构采用钢桁梁作为主受力结构充分发挥钢结构轻质、高强的特性，能够适应更大的桥梁跨度，且避免了大跨度混凝土梁铺轨后的残余徐变挠度过大，无法满足高铁相关技术要求的问题；同时采用混凝土桥面板，避免了钢桥面板振动大、噪声大的缺点，且更加便于养护。

(2)本发明提供的这种大跨度钢桁组合连续梁结构通过混凝土桥面板、混凝土底板与钢桁梁形成双重组合，增大了桥梁结构刚度，边跨混凝土底板起到压重的作用，避免边跨支点出现拉力，无需采用构造复杂的拉力支座，同时中跨负弯矩区的混凝土底板与下弦杆一同参与受压，减小了下弦杆的用钢量；而在混凝土桥面板内设置纵向预应力钢筋，与上弦杆一同参与受力，减小了中支点处上弦杆的用钢量。

(3)本发明提供的这种大跨度钢桁组合连续梁结构采用上承式变高度钢桁组合梁，上弦杆保持水平，下弦杆呈曲线变化，建筑总高度显著小于相同跨度的其他组合结构，同时腹杆之间采用全圆弧式节点板构造，造型通透、美观。

(4)本发明提供的这种大跨度钢桁组合连续梁结构中钢桁梁设置在桥面以下，其桥面以上与普通混凝土梁相同，钢结构的涂装养护作业在桥面以下，对铁路运营无影响。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明大跨度钢桁组合连续梁结构的立面结构示意图；

图2是本发明中混凝土底板连接下弦杆处的桥梁截面示意图；

图3是本发明中下平联连接下弦杆处的桥梁截面示意图。

附图标记说明：1、混凝土桥面板；2、上弦杆；3、腹杆；4、下弦杆；5、节点板；6、边跨支点；7、中支点；8、混凝土底板；9、上平联；10、剪力钉；11、纵向湿接缝；12、下平联。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种大跨度钢桁组合连续梁结构，包括混凝土桥面板1，两组相对布置用于共同支撑混凝土桥面板1的钢桁架，以及用于支撑钢桁架的两边跨支点6和两中支点7；所述钢桁架包括沿顺桥向延伸布置的上弦杆2和下弦杆3，所述上弦杆2和下弦杆3之间连接有多根腹杆4；所述上弦杆2为水平直杆结构，两组钢桁架的上弦杆2之间连接上平联9，混凝土桥面板1的横桥向两侧分别与两组钢桁架的上弦杆2连接，所述下弦杆3为连续连接的若干段抛物线状，下弦杆3的两端分别支撑于两边跨支点6上，下弦杆3的最低点支撑于中支点7上，中跨的负弯矩区及边跨全长区域内的两组钢桁架的下弦杆3之间设置混凝土底板8，边跨的混凝土底板8起到压重的作用，避免边跨支点6出现拉力，无需采用构造复杂的拉力支座；中跨负弯矩区的混凝土底板8可与下弦杆3一同参与受压，从而减小下弦杆3的用钢量，中跨的剩余区域的两根下弦杆3之间设置下平联12，以保持钢桁梁横向稳定。本实施例中将上承式变高度的钢桁梁作为主受力结构，充分发挥钢结构轻质、高强的特性，能够适应更大的桥梁跨度，而将混凝土桥面板1与钢桁梁的上弦杆2结合，边跨及中跨部分区域内设置混凝土底板8并与钢桁梁的下弦杆3结合，这种钢桁组合梁残余徐变下挠值非常小，且结构总高度小于其他混凝土组合结构桥梁，避免了现有大跨度混凝土梁铺轨后的残余徐变挠度过大，无法满足高铁相关技术要求的问题；同时钢桁梁设置在混凝土桥面板1下方，钢结构的涂装养护作业在桥面以下，对铁路运营几乎无影响。

细化的实施方式，上弦杆2和下弦杆3之间通过腹杆4相互固结，而所述上弦杆2和下弦杆3之间的多根腹杆首尾顺次连接并形成锯齿状结构，且相邻的两根腹杆4之间通过节点板5连接，将多根腹杆4通过节点板5连接成一整体，增大了钢桁架结构的竖向刚度。优化的，所述钢桁架采用全焊接结构，所述节点板5采用全圆弧形过渡结构，减小了用钢量及结构自重，改善节点处的应力集中，且钢桁架节段可整体运输和吊装，减小了现场焊接接头，同时下弦杆3采用曲线（连续二次抛物线）变化，配合全圆弧式节点板5构造设计，使得钢桁梁造型通透、美观。

具体的，所述上平联9包括多根沿顺桥向间隔布置于两根上弦杆2之间的上横梁，以及设置在相邻两根上横梁之间的上斜撑；所述上横梁的两端分别固定在两根上弦杆2上，且上横梁沿水平横桥向延伸布置，混凝土桥面板1底部与所述上横梁连接。所述下平联12包括多根沿顺桥向间隔布置于两根下弦杆3之间的下横梁，以及设置在相邻两根下横梁之间的下斜撑；所述下横梁的两端分别固定在两根下弦杆3上，且下横梁沿水平横桥向布置。本实施例中通过上平联9和下平联12的横梁与斜撑的设计，有效保证了钢桁梁结构上下部横向的稳定性。

另外，本实施例中混凝土桥面板1采用分块预制方式，在拼接安装混凝土桥面板1时，所述混凝土桥面板1的纵横向分别设置有纵向湿接缝11和横向湿接缝(图中未标示)，所述纵向湿接缝11设置在上弦杆2顶面，且纵向湿接缝11与上弦杆2之间通过剪力钉10连接，所述横向湿接缝设置在上平联9的上横梁顶面，且横向湿接缝与上横梁之间也通过剪力钉连接，通过上弦杆2及上横梁顶面的剪力钉与混凝土桥面板1形成钢-混凝土组合体系。所述混凝土底板8的厚度与下弦杆3的高度相同，且混凝土底板8与下弦杆3之间通过剪力钉连接形成整体。优化的，所述混凝土桥面板1内不仅设置普通钢筋，而且还设置若干纵向预应力钢筋，以避免混凝土桥面板1受拉开裂；而混凝土底板8主要受压或受较小的拉应力作用，混凝土底板8不设预应力钢筋只配置普通钢筋。

下面以某高速铁路上的一座跨度为（86+172+86）m的上承式变高度钢桁组合连续梁为例，中支点处钢桁梁高位15m，跨中及边跨支点处钢桁梁高为7.5m，具体施工过程如下：

首先，完成桥墩施工，同时在工厂预制混凝土桥面板1及钢桁梁节段。混凝土桥面板1采用分块预制，最大分块尺寸为6.8×2.8m，厚度为40cm，存放6个月以上后再运至现场安装。钢桁梁在工厂分节段制造，采用全焊接工艺，通过河道航运方式运输及吊装，钢桁梁节段最大尺寸为17.2×15×8.7m，最大起吊重量为180吨。

然后，由两个中支点7往两侧对称同步安装钢桁梁节段，直至钢桁梁合拢。再以钢桁梁为依托，采用吊篮现浇中跨的负弯矩区及边跨全长区域内的两根下弦杆3之间的混凝土底板8，同时在上弦杆2及上平联9顶面相应位置焊接剪力钉10。具体的，每个边跨86m及中支点7往跨中52m范围内设混凝土底板8，此范围内下弦杆3间设置l10临时角钢横撑，跨中其余不设混凝土底板8范围的两根下弦杆3间设置下平联12；混凝土底板8厚度与下弦杆3高度同为120cm，仅布置普通钢筋，不设预应力筋。

最后，在钢桁梁上方逐块安装预制的混凝土桥面板1，纵向湿接缝11宽60cm，横向湿接缝宽40cm，纵向湿接缝11设在上弦杆2顶面，横向湿接缝设在上横梁顶面，通过上弦杆2及上横梁顶面的剪力钉形成钢-混凝土组合体系，从而完成混凝土桥面板与钢桁梁的连接。

混凝土桥面板1在钢桁梁架设完成并浇筑完混凝土底板8后再安装，这一固定工序使混凝土桥面板1仅承受二期恒载及活载的作用而不承受钢桁梁及混凝土底板8自重的作用，充分发挥钢结构的高强优势，减小中支点附近负弯矩区混凝土桥面板1所受的拉力。

优化的，混凝土桥面板1内设置一排纵向预应力钢筋，预应力采用15-φ^s15.24钢绞线，横向间距为25cm，中支点截面总共40根预应力钢筋束，从中支点往两侧每隔17.2m对称锚固8根预应力钢筋。预应力钢筋束锚固点设在混凝土桥面板下方无钢横梁的位置。

经计算验证，本实施例在铺轨完成后，中跨及边跨残余徐变挠度为3mm，静活载下挠度为104mm，均满足时速350km/h高铁的技术要求。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。