随着我国交通事业的蓬勃发展，桥梁所承担的交通压力也越来越大，而伴随着桥梁数量的逐年增加，桥位资源也越来越稀少，故在近些年的交通规划中，现有可利用的桥位资源常会整合不同的交通功能，比如汽车、铁路、管线等功能；同时，桥梁作为跨越障碍的建筑物，比如跨越峡谷、河流等天堑，而在近些年的跨江桥梁审批过程中，航运及防洪部门对桥梁的跨度尤为关注，桥梁有向大跨度方向发展的要求。此外，在新形势下的城市交通建设中，桥梁作为城市名片，其对景观的要求也日益突出；总体来说，现代桥梁的发展趋势为：功能多，跨度大，景观要求高，满足不同交通功能直接带来的影响就是桥梁所承担荷载变重。在这些年的设计实践中，钢桁梁桥作为大跨度桥梁主要形式，其应用也越来越广泛，但由于钢桁梁的连接问题使得其外观存在一系列的节点，这使得钢桁梁在景观要求比较高的情况下的应用常常受限。本研究以福州道庆洲过江通道主桥桥面系的设计为例，详细介绍了公轨两用连续钢桁梁桥在设计过程中，如何解决跨度大、桁高矮、荷载重、景观要求高等问题，为国内外同类型桥梁的设计提供参考。

道庆洲过江通道是福州主城与长乐连接的一条快速通道，采用公轨合建桥梁方案，上层公路为城市主干道兼一级公路(6车道)，下层为双线地铁，项目总长度约7 km，公轨共线长度约4.4 km。道庆洲大桥采用双层变高预应力钢桁结合梁方案，主桥跨度布置为(120+276+120) m，腹杆为三角桁式(不带竖杆)布置，如图 1所示。为满足结构受力的需要，同时基于桁架美观的考虑，主桁采用变高梁结构形式，边跨及主跨跨中附近桁高9.5 m，主墩附近桁高由9.5 m逐渐增至23.0 m。

图 1 道庆洲大桥立面布置(单位：m) Fig. 1 Elevation layout of Daoqingzhou Bridge (unit: m)

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主桁弦杆均为单箱截面，顶板、底板各设置1道板式加劲肋，竖腹板各设置2道板式加劲肋。为满足结构受力需要，变高部分下弦杆杆件由单箱截面变为三箱截面。腹杆采用H型截面或箱形截面，部分箱形截面板件设置有加劲肋。

主桁标准节间长度12 m，采用焊接整体节点结构形式，上弦杆顶板焊接，底板及腹板用高强度螺栓拼接，下弦杆四面等强对接拼装。下弦节点位置桥面板与杆件的连接采用弦杆顶板加宽伸出弦杆竖板，与桥面板对接焊，节点板范围内桥面板开槽以便节点板穿过，该连接需要处理好节点两端杆件竖板、节点板与桥面板焊接的平顺过渡。

主桥上层公路桥面系采用密横梁+混凝土板结合梁体系^[1-2]，预制混凝土板支承在钢横梁上，通过剪力钉将钢横梁与混凝土板进行连接，形成钢混结合梁，如图 2所示。

图 2 标准断面(单位：m) Fig. 2 Standard section (unit: m)

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主桥下层轨道桥面系采用纵横梁+正交异性板整体桥面体系^[1-2]，由桥面板、节点横梁、节间横肋及四道纵梁组成。桥面根据约束体系的不同分为等高区域桥面系及变高区域桥面系，在主桁变高区域，下层轨道桥面系与主桁弦杆分离，如图 3所示，在横梁端部通过支座支承于腹杆伸出的牛腿上。

图 3 支点位置断面图(单位：m) Fig. 3 Section of fulcrum positions (unit: m)

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上层公路桥面系采用密横梁+混凝土板结合梁体系^[3-4]，预制混凝土板支承在钢横梁上，通过剪力钉将钢横梁与混凝土板连接，形成结合梁。公路桥面系钢横梁间距3 m，采用变高工字形截面：主桁内侧钢横梁长14 m，梁高1 590~1 730 mm，顶板设2.0%的双向横坡；主桁外侧挑臂钢横梁长7 m，梁高600~1 570 mm，顶板设2.0%的单向横坡，如图 4所示。钢横梁顶板尺寸为480 mm×20 mm；节点横梁底板宽440 mm，节间横梁底板宽360 mm，厚24 mm；钢横梁腹板厚度为16 mm。钢横梁顶板与主桁顶板上缘齐平焊接，底板和腹板与主桁弦杆两侧短伸段采用M24高强度螺栓拼接。

图 4 上层桥面系标准断面(单位：mm) Fig. 4 Standard section of upper bridge deck system(unit: mm)

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结合梁剪力钉的规格为ϕ22×200 mm，采用材质为ML15的电弧螺柱焊用圆柱头焊钉，其技术标准应符合国家标准《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》(GB/T 10433—2022)的要求^[5]；剪力钉单钉承载力及布置原则根据《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)进行设计^[6]。剪力钉横向布置间距为120 mm，纵向在靠近主桁区域间距为120 mm和125 mm，挑臂横梁纵向端部间距为120 mm和125 mm，其他区域在纵向间距为250 mm，如图 5所示。

图 5 上层桥面系布置(单位：mm) Fig. 5 Layout of upper bridge deck system (unit: mm)

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预制混凝土板内纵桥向预应力在端部向下弯曲伸出混凝土板并锚固在钢横梁上，如图 6所示，在锚固区域3 m范围的两道钢横梁顶板连为一体，并设置加劲肋进行加劲。预应力锚固区处的钢横梁腹板厚度为20 mm(节点)，16 mm(节间)。

图 6 上层桥面系桥面板预应力锚固构造(单位：mm) Fig. 6 Prestressed anchorage structure of upper bridge deck system (unit: mm)

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下层轨道桥面系采用纵横梁+钢正交异性板整体桥面体系^[7-10]，由桥面板、节点横梁、节间横肋及四道纵梁组成，下层桥面横桥向设置有1.0%的双向横坡，如图 7所示。在等高区域内，下层桥面标准横向宽度为12.8 m，节点位置设有节点横梁，梁高为1 552~1 616 mm，腹板厚16 mm，下翼缘尺寸为700 mm×32 mm；节点横梁间每隔3 m设有一道横向加劲肋，采用倒T形截面，顶部与桥面板焊接，下翼缘尺寸为200 mm×10 mm，在纵梁位置断开并焊连于纵梁腹板，横向加劲肋高600~664 mm，腹板厚12 mm。在对应轨道的车轨下设有4道纵梁，纵梁横桥向间距为(1.8+2.4+1.8)m，纵梁断面采用倒T形结构，高1 000 mm，上缘焊接于桥面板，纵梁腹板厚16 mm，底板尺寸为480 mm×24 mm。

图 7 下层桥面系标准断面(单位：mm) Fig. 7 Standard section of lower bridge deck system (unit: mm)

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下层桥面在边跨端部24 m范围为压重区域。压重区段采用箱体结构，在桥面板开设灌注孔，内部灌注铁砂混凝土，压重区段混凝土需浇满密实，如图 8所示。混凝土浇注完成后，桥面板开孔位置采用原切割板件等强焊接补强，并在桥面板外缘打磨平顺。混凝土灌注钢箱10.8 m，横桥向端部通过间距3 m的横梁与主桁设置的短伸臂连接，箱体底板上每隔1 m设置有加劲横肋，横肋高800 m，板厚为12 mm。

图 8 下层桥面系压重区域断面(单位：mm) Fig. 8 Section of weighting area of lower bridge deck system (unit: mm)

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横向框架计算时，公路横梁纵向长度取3 m，混凝土板的有效宽度参照《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)进行取值^[11]，轨道横梁纵向长度取12 m，钢横梁顶板的有效宽度参照《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)进行取值^[6]，温度荷载根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)进行取值^[12]。

采用某大桥勘测设计院集团有限公司自主研发的软件SCDS进行结构计算，边界条件如图 9所示，有限元模型共计80个单元。

图 9 横向框架模型 Fig. 9 Horizontal frame model

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在汽车、轻轨列车单独及共同作用下，结构的最大变形分别挑臂梁最端部，公路横梁中部以及轻轨横梁中部，具体结果见表 1。

根据《公路钢结构设计规范》(JTG D64—2015)规定，活载作用下，梁的悬臂端容许挠度值为L/300，简支梁或连续板梁的容许挠度为L/500。公路边横梁、公路中横梁及轻轨中横梁的刚度符合规范要求^[6]。

运营阶段钢横梁的应力计算结果见表 2~3。由表 2~3可得，运营阶段上层公路桥面系钢横梁的最大应力为172.1 MPa，发生在桁内横梁靠近主桁位置处，下层轻轨桥面系钢横梁的最大应力为-138.1 MPa，发生在横梁横向跨中位置处，结构应力均在规范要求的范围内^[13]。

上层公路桥面系采用密横梁+混凝土板结合梁体系，在具体施工时，钢横梁先与混凝土桥面板成形，即预制混凝土板在与钢横梁结合之前存在一个不利工况：混凝土桥面板搭在钢横梁上，钢横梁承受自身和混凝土板的重量，同时承受混凝土板对其产生的扭转作用。针对扭转效应，本桥设计中研究了在挑臂横梁端部添加封端板和不添加封端板的方案。理论计算时，不添加封端板的挑臂横梁方案简化为自由扭转，添加封端板的挑臂横梁方案简化为约束扭转，并对添加封端板的挑臂横梁方案进行有限元计算验证^[14]，有限元模型如图 10所示，计算结果见表 4。

图 10 添加封端板的挑臂横梁方案有限元模型 Fig. 10 FE model of cantilever crossbeam scheme with end sealing plate

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由表 4可得，有封端板时，钢横梁的扭转可以大大减小，减小幅度为60%~80%，即有封端板对结构扭转刚度的改善是很明显的，应该作为主要构件进行设计。

钢梁架设过程中，混凝土板支撑在已成形的钢横梁上^[15-17]，存在两种受力工况：一是在钢横梁结构上仅加1块混凝土板，如图 11所示。二是在已经有混凝土板的结构上加另1块混凝土板，如图 12所示。

图 11 梁结构上仅加1块混凝土板 Fig. 11 Adding only one concrete slab on beam structure

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图 12 在已有混凝土板结构上另加1块混凝土板 Fig. 12 Adding another concrete slab on existing concrete slab structure

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经有限元计算分析，前者引起的钢横梁的扭转角为0.162°；后者引起的钢横梁扭转角为0.158°。本挑臂横梁设计中，前一种施工过程会产生较大扭转角，即弯曲引起的竖向位移对邻近横梁扭转的影响强于侧倾对邻近横梁扭转的影响，而这种过程存在于每片预制板的架设过程中，因此，施工时应重点关注该过程产生的横梁扭转效应。

在变高连续钢桁梁的结构设计中，对于下承式结构或双层结构中的下层桥面系，为满足功能方面的行车要求，在桁高变化位置处，桥面系不能随下弦杆的变化而变化，同时，为满足荷载(活载)传递的需要，通常的做法有两种。

(1) 设置平弦，如图 13(a)所示，桥面系与平弦直接相连，荷载通过平弦传递至主桁架^[18-19]，但平弦的存在会在一定程度上破坏主桁架“力线明快”的美学原则，且设置平弦也并未对主桁的整体受力性能有太大改善，此外，平弦与腹杆相交处形成节点，施工时也存在诸多不便。

图 13 桁高变化处的桥面设置 Fig. 13 Deck arrangement at position of truss height changing

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(2) 不设平弦，如图 13(b)所示，桥面系的横梁采用与腹杆直接连接(焊接或栓接)的方式，荷载通过腹杆传递给主桁^[18-19]，对于斜腹杆件来说，在竖向力作用下，杆件承受斜向力，同时由于横梁与腹杆固结，还会承受较大的面内力矩和面外力矩，受力比较复杂，另外，在反复荷载作用下，横梁和腹杆连接位置的构造处理也会比较复杂。

基于上述不足，本桥在设计中的方案是多点支承式整体桥面系：不设置平弦，变高位置腹杆设置牛腿，桥面系设置边纵梁，边纵梁及箱型横梁形成的平面框架支承在腹杆牛腿上，如图 14所示，桥面系采用多点支承的方式支承在牛腿上，桥面系在变高处被弱化，不会破坏桁架结构的建筑外观。

图 14 分离区域轨道桥面系的结构 Fig. 14 Structure of rail bridge deck system in separation area

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变高区域轨道桥面立面布置如图 14~15所示，横桥向宽度为13.8 m，在主桁腹杆支承位置设置有箱形支承横梁，高1 548~1 616 mm，腹板厚16 mm，底板厚32 mm；箱型支承横梁间设有间距不大于3.0 m横向加劲肋，横肋采用倒T形截面，高596~664 mm，腹板厚12 mm，底板尺寸为200 mm×10 mm。

图 15 变高区域轨道桥面系立面图(单位：mm) Fig. 15 Elevation of rail bridge deck system in height changing area(unit: mm)

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分离段桥面系设置有6道纵梁，均采用倒T形结构，顶板焊接于桥面板，其中轨道车轨下面4道纵梁高1 000 mm，腹板厚度为12 mm，底板尺寸为360 mm×16 mm；端部支承于主桁腹杆上的2道边纵梁下翼缘与支撑横梁齐平，腹板厚16 mm，底板尺寸为520 mm×32 mm。

道庆州主桥下层桥面系在桁高变化处与主桁下弦杆分离，不再参与主桁受力，荷载通过纵梁传递至横梁，横梁通过支座支承在斜腹杆伸出的牛腿上。对于这种新型的桥面结构形式，结构的疲劳问题需要进行专门计算验证，采用Midas建立有限元模型，中间横梁两端采用竖向支座，结构最端部采用固结的连接方式，如图 16所示。

图 16 桁高变高区域桥面系平面框架及支点牛腿 Fig. 16 Plane frame and fulcrum corbel of bridge deck system in truss height changing area

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运营阶段主桁变高处下层轻轨桥面系横梁和纵梁的应力计算结果见表 5~6。

表 5~6可得运营阶段主桁变高处下层桥面系横梁最大应力139.8 MPa，发生在横梁横向跨中位置处，纵梁最大应力148.8 MPa，发生在纵梁与横梁相交位置处，结构应力均在规范要求的范围内^[13]。

牛腿高500 mm，横向宽为586 mm，纵向长600 mm，支座中心横向距腹杆中心880 mm，纵向布置于牛腿中心处，牛腿立面图、顶面图分别如图 17所示。

图 17 牛腿立面及顶平面图 Fig. 17 Elevation and top plane of corbel

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计算建立1根腹杆和1个牛腿的结构模型^[14]，腹杆长度取23.929 m，共划分了约6万个板壳单元，腹杆两端节点均固结，如图 18所示，将总体计算中腹杆杆端荷载等效成端部节点强迫位移，通过在腹杆顶端节点施加强迫位移模拟实际情况。

图 18 腹杆模型斜视图及牛腿局部模型 Fig. 18 Oblique view of belly rod model and partial model of corbel

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应力结果详见表 7~8, 可得主桁腹杆最大应力为119 MPa，牛腿顶板最大应力137.5 MPa，底板最大应力150.6 MPa，传剪板最大剪应力102.7 MPa，承压板最大应力109.3 MPa，结构应力均在规范要求的范围内^[13]。

道庆洲大桥最大的结构特点：跨度较大，桁高较矮，荷载较重，根据结构计算，弦杆内力比较大。为了分担部分主桁受力，该桥设计采用整体桥面系，即上层公路桥面系采用密横梁+混凝土板结合梁体系，下层轨道桥面系采用纵横梁+正交异性板整体桥面体系。本研究对标准断面的上层桥面和下层桥面作了详细的框架计算，计算结果表明结构刚度和应力均在规范要求的范围内^[13]。

同时，作为市政钢桁梁桥，为了满足三角形桁架结构的建筑外观要求，下层轻轨桥面系在变高位置处摒弃了传统的设置平弦的结构形式，采用了创新形式的桥面结构——多点支承式整体桥面系，并依据规范对此新型桥面结构进行了应力验算，另外，轻轨桥面系支撑在斜腹杆伸出的牛腿上，结构的局部受力比较复杂，本研究对腹杆处的牛腿进行了局部有限元分析，最终结果均在规范要求的范围内^[13]。