图1 铁路联络线布置总图
刘桂红
(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)
摘 要：既有滨北铁路松花江公铁两用桥是中国最早的公铁两用过江大桥，由于大桥修建早、设计标准低、且出现严重老化，已不适应现代交通发展需要。新建滨北桥是既有松花江公铁两用桥的改建工程，由2孔96m简支钢桁梁+(96+2×144+96)m连续钢桁梁+6孔96 m简支钢桁梁组成的公铁两用桥，下层铁路双线、上层公路六车道，其上、下层桥面均采用正交异性钢桥面。文章阐述了主桥结构形式及其特点，板桁结合的双层钢桥面体系的受力以及板桁间的纵向力的传递途径，对同时采用正交异性钢桥面的铁路、公路桥面采用不同的结构形式，桥面板参与主桁受力的有效宽度等进行了分析，特别是对严寒地区正交异性钢桥面铺装结构、铺装层在荷载作用下的应力、应变以及冬季除雪剂对结构的腐蚀、防水粘结层的耐久性等方面进行了深入探讨。
关键词：公铁两用钢桁梁； 严寒地区； 正交异性钢桥面； 铺装结构
滨北铁路松花江公铁两用桥是既有松花江公铁两用桥的废除改建工程，原桥建于1933年。桥式桥跨布置为2孔64 m简支钢桁梁+(80+96+80)m连续钢桁梁+10孔64 m钢桁梁，铁路桥全长1 065.8 m，公路桥全长1 147.6 m，运营至今病害严重。上层公路于2006年封闭，下层铁路采取限速、限量运营，仍存在安全隐患，经专家检测评估论证，该桥是一座高龄、低运能的病害桥，其寿命于2016年到期。针对既有桥加固改造不可行,故需在既有桥下游50 m桥位处新建哈尔滨滨北铁路公铁两用桥。
该桥铁路南岸接哈尔滨东站，北岸与新松浦站相连，其中哈尔滨东站位于滨北、滨江、拉滨线的交汇点，如图1所示。
图1 铁路联络线布置总图
2.1 铁路
(1)铁路等级：Ⅰ级；
(2)设计活载：中-活载;
(3)正线数目：双线，线间距5.0 m；
(4)设计速度：旅客列车速度≤160 km/h； 货车列车速度≤120 km/h；
(5)有砟轨道。
2.2 公路
(1)道路等级：城市快速路；
(2)车道数目：双向六车道；
(3)设计速度： 60 km/h；
(4)桥面横坡：双向2%；
(5)公路桥梁主桥总宽30 m。
3.1 正桥钢梁布置
如图2所示，该桥由2孔96 m简支钢桁梁+(96+2×144+96)m连续钢桁梁+6孔96 m简支钢桁梁组成，钢梁全长1 267.7 m。
图2 正桥钢梁布置(m)
3.2 主桥桁式
简支梁、连续梁的主桁均采用带竖杆的三角形桁式，如图3所示，主桁中心距14 m，桁高14 m，节间距12 m。连续梁在144 m孔跨的中墩及次边墩处设高度为10 m加劲弦；其余孔跨主桁为平行弦桁架；上层公路桥面总宽30 m。 主桁断面如图4所示。
图3 主桁立面图(m)
图4 主桥横断面(m)
3.3 主桁
上、下弦杆截面均为箱型，腹杆采用H形和箱型。
主桁杆件根据受力要求选择材质(Q420qE、Q370qE)不一、截面各异、板厚(20～50 mm)不同的杆件。主桁节点为采用整体节点，由于哈尔滨地区的极端天气影响(最高气温可达36.4℃，最低气温可达-38.1℃)，因此对钢材材质、钢材的焊接性能提出了超低温情况下各项技术指标的特殊要求。
桥梁的上、下弦杆件的制造长度(除特殊杆件外)均为11.98 m，以减少工地拼装接头，加快架梁的拼装速度(哈尔滨地区一年可施工的时间较短)。
3.4 桥面系
铁路桥面采用多横梁小纵梁正交异性板钢桥面。钢桥面板厚16 mm。沿桥纵向每隔3 m设置1道横梁，横梁采用倒T形截面，钢桥面板(兼横梁上翼缘板)与下弦杆伸出肢焊接，横梁腹板及下翼缘板与下弦杆伸出肢栓接。每线铁路中心线下对称设置2道纵梁，共设置4道，对应两线铁路4根钢轨。纵梁亦采用倒T形截面。
公路桥面采用多横梁正交异性板钢桥面。钢桥面板厚16 mm。沿桥纵向每隔3 m设置1道横梁，横梁采用倒T形截面，钢桥面板(兼横梁上翼缘板)与上弦杆伸出肢焊接，横梁腹板及下翼缘板与上弦杆伸出肢栓接。桥面板布置如图5所示，桥面板构造形式如图6所示。
图5 桥面板
图6 桥面板构造形式
4.1 主桥计算
(96+2×144+96)m连续钢桁梁采用空间有限元程序Midas建立空间模型对本桥进行受力分析。铁路、公路桥面均采用正交异性钢桥面，计算时考虑钢桥面参与主桁受力。模型离散后共24 324个节点，27 358个单元。除桥面板采用板单元模拟外，其余杆件均用梁单元模拟，全桥共4 566个梁单元，22 792个板单元。全桥模型如图7所示。
图7 整体计算模型
在主力和(主力+附加力)的作用下，主桁各杆件的受力如表1所示，主桥的竖向位移如表2所示，结构的自振频率如表3所示。
表1 运营阶段各部分主要杆件应力(MPa)
表2 活载作用下竖向位移
表3 结构自振频率
综上所述，主桥的强度、刚度、自振频率等均满足规范要求。
4.2 双层钢桥面的板桁结合体系的受力分析
滨北桥的铁路、公路桥桥面虽然均采用正交异性钢桥面，但其受力途径却各不相同：铁路活载沿桥梁纵向移动；公路活载则可能沿纵、横2个方向移动，因此，其结构布置形式也不相同。对于上、下层均采用整体钢桥面板的钢桁梁，主桁与桥面板间的纵向力是通过弦杆竖板与桥面板隅角处的剪力传递的。
主桁节点外、弦杆边的剪力与桥面板的剪力相平衡，节间内的横肋直接作用于弦杆时，弦杆还承受着竖向集中力，将弦杆与桥面看成是支承于主桁节点的连续梁，按规范计算它的有效宽度，弦杆的内力考虑偏心弯矩。
主桁节点内及节点附近，弦杆边的剪力增加了斜腹杆的水平分力影响，节点附近的剪力传递规律变化很大，与支点处的受力相似，节点附近的有效宽度变小，使桥面板参与主桁受力的有效宽度不能按照现行相关规定计算。由于钢桥面板的精确计算在国内没有相应规范，滨北桥在设计中除了参考、借鉴国外的相关规范及已有的实桥经验外，还运用有限元计算分析对节点内及节点附近的桥面板进行了计算分析，确保公路、铁路桥面板纵向加劲肋(纵梁)、横肋、横梁合理的匹配形式。
滨北桥桥面铺装：公路——钢桥面板+10 cm混凝土铺装层+9 cm普通沥青混凝土形式；铁路——钢桥面板+ 6 cm厚纤维网高性能混凝土铺装层。
桥址处地属严寒地区，昼夜温差与季节温差均较大。公路、铁路的钢桥面铺装因活载受力形式、温差不同而各不相同。桥面铺装层随同桥面板变形而产生反复的挠曲变形，特别是在U形加劲肋和连续梁负弯矩区对应的铺装表面产生反复弯曲应力，铺装层与钢桥面板之间的剪力较大，滨北桥的桥面铺装从以下2个方面进行了研究：
(1)桥面板与混凝土界面处较为光滑，铺装界面的抗滑移研究。
(2)钢桥在使用过程中，桥面板的应力状态较为复杂。钢桥面板较薄，钢与普通铺装材料的温度膨胀系数存在一定差异，导致钢桥面铺装界面处产生比混凝土桥面更大的材料应变。
以(96+2×144+96)m连续梁温差引起的铺装应力计算为例，采用大型有限元分析软件Abaqus，建立1/4有限元模型,如图8所示，其中桥面板采用板壳单元，桁架竖、斜杆以及横联等杆件采用梁单元，公路、铁路混凝土铺装层以及防水层采用实体有限元模拟。公路：二期恒载按188 kN/m计，活载550 kN汽车在桥面车道上依次排开；铁路：二期恒载按200 kN/m计，列车活载采用中-活载。为了研究温差对铺装应力的影响，模型中采用对钢结构与混凝土施加10℃温差，分析防水层与钢桥面板之间剪切应力的量值大小以及铺装层应力总体分布情况。
图8 (96+2×144+96)m连续钢桁梁1/4有限元模型
混凝土铺装层考虑2种设置方法：(1)无伸缩缝；(2)边跨和中跨间设置100 mm伸缩缝。公路桥面铺装层构造如图9所示，铁路桥面铺装层构造如图10所示。
图9 公路桥面铺装层
图10 铁路桥面铺装层
公路铺装层在不设伸缩缝、有温差荷载的情况下，最大纵向剪应力约为1.5 MPa，位于中跨跨中；最大拉应力约为14.0 MPa, 位于负弯矩区。
铁路铺装层在不设伸缩缝、有温差荷载的情况下，最大纵向剪应力约为2.5 MPa，位于中跨跨中；最大拉应力约为10.0 MPa, 位于负弯矩区。
计算结果表明：在不设伸缩缝的情况下，公路、铁路铺装层间的剪应力、拉应力均较大。
为了解决公路桥面铺装层应力较大的难题，滨北桥通过设置合理的断缝，加大拉力区钢筋的配筋量，控制混凝土的裂缝宽度等措施来保证其满足规范要求。公路桥面按照剪应力分布的大小来布置剪力钉。
铁路桥面由于铺装层较薄，且列车活载产生的轨道纵向和横向力都传递给铺装层，并由它传递给钢桥面板。为保证铺装层与钢桥面板之间有足够的连接强度和粘结力，防止铺装层与钢桥面板之间发生纵向和横向滑移，在铺装层与钢桥面板之间设置焊钉，并采用钢丝网混凝土为道砟承载板，不仅减轻了桥梁的恒载，还降低了工程造价。
在设计中除了考虑铺装层在荷载作用下的应力、应变必须满足规范外，还要考虑冬季除雪剂对结构的腐蚀、防水粘结层的耐久性以及布置合理的防排水系统，确保桥面铺装对桥梁结构具有较好的保护作用。
地处严寒地区的滨北公铁两用钢桁梁桥，无论是在结构的疲劳耐久性、材料的焊接性，还是在钢桥面板铺装、防腐以及混凝土铺装层抗裂等多方面都具有挑战性。目前该桥正在建设中，它的建成将为今后高寒地区的钢桥建设积累更多宝贵的经验。
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Design Principle of Songhuajiang Highway and Railway Combined Bridge on the Binbei Line
LIU Guihong
(The Fifth Survey And Design Institute (Group) Co., Ltd.，Beijing 102600,China)
Abstract：The existing Songhuajiang highway and railway combined bridge on the Binbei line is the first of its kind in China. Due to the bridge was constructed early with low design standards, and serious aging has come out. It does not meet the needs of modern transport development. The new Binbei bridge is a reconstruction project of Songhuajiang highway and railway combine bridge which is composed of 2 holes, 96 m simply supported steel truss girder, (96+2×144+96) m continuous steel truss and 6 holes 96m simply supported steel truss girder. The lower part is railway with double lines and the upper part is highway with 6 lanes. Orthotropic steel deck slab is adopted for both the upper and the lower bridge decks. In this paper, the main bridge structural style and characteristics, stress of double-layer steel bridge deck of slab and truss composite, and the transmission way of longitudinal force between slab and truss are elaborated. It is analyzed that the railway and highway bridge decks simultaneously using orthotropic steel bridge deck adopt different structural types and the effective width of deck slab joining the main truss force, especially, it analyzes of the structure of orthotropic steel bridge deck pavement in cold areas, stress and strain of pavement layer under load effect, corrosion on structure from snow-dissolving agents in winter and durability of waterproof bonding layer.
Key words：highway and railway combined steel truss bridge; cold areas; orthotropic steel bridge deck; pavement structure
收稿日期：2014-08-19
作者简介：刘桂红(1963-)，女，高级工程师。
文章编号：1674—8247(2014)06—0053—05
中图分类号：U
文献标志码：B