1.上承式钢板梁桥
(1)铁路桥
干线铁路上的上承式钢板梁桥的上部结构主要由两片 Ⅰ 形梁、联结系和桥面组成,如图6.5所示。主梁由上、下两块翼缘板(flange)和一块腹板(web)焊接而成。为防止腹板失稳,需视情况设置竖向加劲肋(stiffener)和水平向加劲肋(图中未绘)。主梁是钢板梁桥的主要承重结构,其主要作用在于把桥面和联结系传来的荷载传递到支座,并通过支座传至墩台。当跨度较小时,主梁一般采用等截面梁,跨度较大时可采用变截面梁(包括增加翼缘厚度,或改变翼缘宽度)。
图6.5 单线铁路上承式钢板梁桥组成及主梁横断面示意(未示桥面)
联结系(bracing)将主梁联结成稳定的空间结构,并承受各种横向荷载(例如,风力、列车横向摇摆力等)。联结系分为横向联结系和纵向联结系两种。横向联结系(sway bracing)是由横撑(strut)、竖向交叉杆、主梁竖向加劲肋和一部分腹板组成的一个平面结构,垂直于主梁腹板,简称为“横联”。横联中位于主梁跨间者称为“中间横联”,位于主梁两端者称为“端横联”。横向联结系使得各主梁受力较均匀,并增强了结构的抗扭刚度,防止主梁侧向失稳。纵向联结系(lateral bracing)是由横撑、水平交叉杆、主梁翼缘组成的一个平面桁架结构,设置在主梁上、下翼缘板面内。布置在顶面的,称为上水平纵向联结系,简称“上平纵联”;在底面的则简称为“下平纵联”。纵向联结系增强了结构的整体稳定性,并与横向联结系共同承担横向水平力及其扭矩作用,制约主梁翼缘的侧向变形和横向振动。
桥面采用明桥面构造,无须另行设置桥面系。明桥面主要由桥枕、护木、正轨、护轨等组成(参见第四章图4.2),其提供桥梁的行车部分,同时把列车荷载向下传递。
当跨度小于40m 时,铁路钢板梁桥比钢桁梁桥经济,故小跨度的钢桥常用板梁桥。
(2)公路桥
公路上承式钢板梁桥主要由主梁、联结系和桥面板等组成。与铁路桥相比,主要不同之处在于桥面板构造及其上面的桥面铺装。根据桥面宽度,公路上承式钢板梁桥可以设置双主梁(见图6.6)或多片主梁(见图6.7),横联的构造可采用空腹桁架式(横联)或实腹梁式(横梁)。因钢板梁桥的多片主梁和横梁在平面上呈格子状,故也称其为梁格体系。
对公路钢板梁桥,主梁之间可设置横联或横梁,或不设置;对双主梁桥,当主梁间距较大时,还可设置小纵梁搁置在横梁上(见图6.6)。
图6.6 公路上承式双主梁桥横断面示意
图6.7 公路上承式多主梁桥横断面示意
公路上承式钢板梁桥的桥面板,按照材料分为混凝土板和钢板两类。采用混凝土板者(参见图6.6和6.7),称为结合梁桥。常用的钢桥面板由面板以及焊接于板底面的纵向加劲肋(简称纵肋)和横梁(或称横肋)组成,顶板同时充当主梁的上翼缘,见图6.8(a)。在这种构造中,桥面板纵、横两个方向的刚度不同,受力特性表现为各向异性,故称其为正交异性板(orthotropic plate)。试验和理论证明,正交异性板具有很高的承载能力,同时可显著减轻钢梁的自重。
图6.8 采用正交异性板构造的上承式板梁桥示意
正交异性板中的顶板,一般采用厚度12~14mm的钢板。纵肋平行于桥轴方向布置,间距较小,有开口截面纵肋(如L形、倒T形等)和闭口截面纵肋(如梯形、U形、V形等,见图6.8(a))。横梁垂直于桥轴方向布置,多采用倒T形截面,间距较大,尺寸也较大,起到联结各主梁、支撑顶板、提高桥梁的整体刚度的作用。沿桥纵轴方向,视需要可间隔设置横向联结系,见图6.8(b)。
2.铁路下承式钢板梁桥
铁路下承式(也叫半穿式)钢板梁桥(图6.9)的主要承重结构也是两片Ⅰ形截面的主梁。在两片主梁之间,需设置有由纵梁、横梁及纵梁之间的联结系(图中未示)组成的桥面系(floor system),以形成承受列车荷载的桥面传力系统。桥面(通常为明桥面)不是搁置在主梁上,而是搁置在桥面系的纵梁上。由于纵梁高度较主梁高度小得多,这样就大大缩小了建筑高度(自轨底至主梁底)。(www.xing528.com)
图6.9 铁路下承式钢板梁桥示意
由于桥面是布置在两片主梁之间,列车在两片主梁之间通过,这样就要求两片主梁之间的净宽能满足铁路建筑限界的规定。单线上承式铁路桥的限界宽度只需4.88m(参见图2.3),而下承式钢板梁桥(标准设计)的两片主梁中心的距离则需取为5.4m。
为了使下承式板梁桥成为一个空间稳定结构,在其主梁下翼缘面内设有下平纵联。由于要满足建筑限界的要求,无法设置上平纵联,故在横梁与主梁之间,加设肱板。一方面,肱板对主梁上翼缘起支撑作用,保证上翼缘及腹板的稳定;另一方面,肱板与横梁连成一片,可起到横联的作用。
铁路下承式板梁桥与上承式板梁桥相比,在构造方面增加了桥面系,因此用料较多,制造也费工;由于它的宽大,不能通过铁路整孔运送,因此,增添了运输与架梁的难度。所以,当铁路桥梁采用钢板梁桥时,应尽可能不采用下承式。但是,由于下承式板梁桥具有较小的建筑高度,在某些条件下仍是需要的。
公路桥因桥面通常较宽,一般情况下,宜避免采用下承式钢板梁桥。
3.结合梁桥
所谓结合(或组合)梁桥(composite girder bridge),主要指的是用剪力键(shear connector)或其他方法将混凝土桥面板与钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等梁式结构组合成一体。结合梁可按结构体系、构造方式、连接刚度、施工方法等分为多种类型,其中最常用的是简支钢-混凝土结合板(箱、桁)梁。为保证钢-混凝土两者的共同工作,钢梁与混凝土板之间须可靠连接。因为混凝土桥面板参与钢板梁上翼缘受压,提高了桥梁的抗弯能力,从而可以节省用钢量或降低建筑高度。与钢板梁桥相比,结合梁桥具有截面刚度大、行车噪声小、坡度和超高设置容易等优点。试验证明,结合梁承受超载的潜力比钢梁要大。鉴于此因,在中小跨度的梁桥中,结合梁桥已获得较广泛的应用。
(1)铁路桥
我国在20世纪60年代前后开始修建铁路结合梁桥。当时采用预制的钢筋混凝土道砟槽板与钢板梁相结合的结构形式,见图6.10。建造方法为:在钢板梁上翼缘板面上设置剪力键(或剪力连接件,主要作用是抵抗钢与混凝土之间的滑移和分离),在道砟槽板上设有预留孔;将上翼缘板表面处理干净,垫上砂浆,再将预制的道砟槽板铺放在板梁上,用膨胀水泥砂浆填入预留孔。
图6.10 传统的铁路结合梁桥示意
传统的铁路结合梁桥并不比具有明桥面的上承式板梁桥节省钢料,且施工架设较繁琐费时。因此,当能用明桥面的上承式板梁时,就不宜用结合梁。不过,当桥上线路坡陡弯急、采用明桥面将使桥上线路的铺设及养护增添不少困难时,就宜用道砟桥面的结合梁桥或混凝土梁桥。
在高速铁路和客运专线上,钢-混凝土结合梁桥得到了一些应用。当施工条件受到严格限制,或者需要设置非标准孔跨进行调跨,或者需要中等跨度(50m左右)的桥来跨越河流和线路时,就较适于采用简支或连续的结合梁桥。目前常用的有两大类:一类是钢板梁配混凝土桥面板,一类是钢箱(两个单箱,其间设横梁)配现浇混凝土板。图6.11为某双线高速铁路上的钢-混结合连续板梁桥(分跨32m+40m+32m)的截面示意。
图6.11 高速铁路结合梁桥截面示意
(2)公路桥
在公路桥梁及城市桥梁中,修建了形式多样的结合梁桥。在公路结合梁桥中,剪力键的形式多样。栓钉是应用最广泛的剪力连接件,其形如螺栓,但无螺纹,上端有一圆头,下端竖直焊接于钢板连接部位;常用栓钉的直径为19~22mm,长度为50~100mm,间距不大于600mm。其他形式的剪力连接件还有方钢连接件、槽钢连接件、马蹄形连接件、弯起钢筋连接件等。近年来发展的PBL键,其构造是带圆孔的条状钢板,钢板垂直焊接于钢梁的上翼缘,孔内沿梁的横向可放置适量钢筋;浇筑桥面板混凝土后,靠孔内形成的一系列混凝土榫来抵抗剪力。图6.12为京秦高速某结合梁桥的横断面布置,采用两个单箱加箱间横梁的构造,连接件为栓钉。
图6.12 某公路结合梁桥横断面布置示例
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