重載鐵路48 m下承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化研究

趙　博

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

Structural form Optimization for a 48m span through Steel Truss Beam on Heavy Haul Railway

ZHAO Bo

重載鐵路48 m下承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化研究

趙博

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

Structural form Optimization for a 48m span through Steel Truss Beam on Heavy Haul Railway

ZHAO Bo

摘要以蒙華鐵路通道48 m單線下承式鋼桁結(jié)合梁為例，采用有限元方法對不同節(jié)間距及不同橫梁間距的兩種設計方案進行計算分析和綜合比較，得出最優(yōu)方案。研究結(jié)果表明：在結(jié)構(gòu)高度受控時可加大節(jié)間距并加密橫梁，橫梁數(shù)量增加后可減小混凝土板的截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重，可有效改善結(jié)構(gòu)整體受力性能，節(jié)省建筑材料用量。

關鍵詞重載鐵路下承式鋼桁梁節(jié)間劃分有限元混凝土橋面板

1工程概況

蒙華鐵路通道是目前在建最長的重載鐵路通道，其軸重為30 t，在南段上行聯(lián)絡線LSDK1156+842處上跨焦柳線。此處受平面線位和高程共同控制，橋梁結(jié)構(gòu)高度軌頂?shù)搅旱撞荒艹^1.9 m，設計采用48 m單線下承式鋼桁梁跨越。主桁采用有豎桿平行弦華倫式三角桁架，兩片主桁中心距為7.6 m，桁高9.5 m，橋梁全長49.1 m，計算跨度為48 m。以主桁間距和橋面系結(jié)構(gòu)的合理選擇為出發(fā)點，對不同設計方案進行計算分析和比較，力求達到結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟美觀的目的。

2設計參數(shù)

(1)設計速度

客車120 km/h，貨車120 km/h。

(2)恒載

結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重按照《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)采用；二期恒載包括鋼軌、道砟、軌枕、防水層、保護層、人行道欄桿、擋砟墻、豎墻等附屬設施重量，合計按95 kN/m計算。

(3)列車活載

采用中-活載(2005)ZH標準(z=1.2)，荷載圖式見圖1。

圖1　中-活載(2005)ZH標準(z=1.2)荷載(單位：m)

(4)動力系數(shù)、牽引力和制動力、風力等

原則按照《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)采用[1]，但橫向搖擺力荷載取值提高20%。

(5)溫度荷載

按架設溫度20 ℃，整體升溫30 ℃，整體降溫-40 ℃計算。

(6)桿件截面形式

主桁上下弦桿、端腹桿采用箱形截面，其余腹桿和豎桿、上平聯(lián)采用H形截面，采用板式橋門架和橫聯(lián)。

(7)結(jié)構(gòu)材料

鋼材：鋼梁主體結(jié)構(gòu)均采用Q345qD級鋼，附屬工程采用Q345C級鋼，檢查設備采用Q235-B.Z；

混凝土：C50；

鋼筋：HRB400；

高強度螺栓：M24高強度螺栓；

剪力釘：φ22圓柱頭焊釘，焊釘材料為ML15。

3不同方案構(gòu)造形式

鋼桁梁橋面系結(jié)構(gòu)形式主要有明橋面、正交異性板鋼橋面、縱橫梁或密布橫梁結(jié)合橋面。鑒于已建成的鋼橋運營時出現(xiàn)的問題，明橋面已較少選用[2]。正交異形板鋼橋面和縱橫梁或密布橫梁結(jié)合橋面其實都可以歸結(jié)為板-格子梁體系，在國內(nèi)外鐵路鋼桁梁設計中均有采用[3]。如主跨336 m的南京大勝關鋼桁拱[4]、主跨1 092 m的滬通鋼桁梁斜拉橋等大跨度鋼桁梁采用正交異形板鋼橋面體系；京津城際改京山跨二環(huán)線96 m鋼桁梁采用縱橫梁結(jié)合橋面；福廈鐵路64 m、80 m等中小跨度簡支鋼桁梁采用密布橫梁結(jié)合橋面。

受線路平面和高程控制，本橋建筑高度受限，同時考慮本橋所受活載為重載，如選用縱橫梁結(jié)合橋面，橫梁個數(shù)減小且荷載較大會造成橫梁結(jié)構(gòu)高度增加，不宜采用；而正交異性板鋼橋面多用于大跨度，用鋼量較大，不適合本橋。因此，橋面系結(jié)構(gòu)形式選用密布橫梁混凝土板結(jié)合梁橋面。

主桁節(jié)間長，則腹桿少，橋面系結(jié)構(gòu)尺寸增大，節(jié)間短，則腹桿增多，橋面系結(jié)構(gòu)尺寸減小，兩者都會增加用鋼量[5]。橫梁間距增大可減少用鋼量，但是混凝土橋面板厚度會相應增加，造成建筑高度增加。在確定橋面系結(jié)構(gòu)形式后，分別選取6 m和8.10 m的節(jié)間長度進行對比分析，兩種方案的橫梁間距分別為3 m和2.67 m，混凝土板厚度分別為0.3 m和0.27 m。兩種方案平立面和斷面圖如圖2和圖3所示。

圖2　2種方案布置(單位：m)

圖3　2種方案橫斷面(單位：m)

方案1：主桁節(jié)間距采用6 m，橫梁間距3 m，不設縱梁，節(jié)點和節(jié)間橫梁均采用“I” 形，下弦桿和橫梁高度為0.8 m，混凝土橋面板厚0.3 m，橫梁上翼緣上焊有剪力釘與混凝土橋面板連接。

方案2：主桁節(jié)間距采用8.01 m，橫梁間距2.67 m，不設縱梁，節(jié)點和節(jié)間橫梁均采用“I”形，下弦桿和橫梁高度為0.8 m，混凝土橋面板厚0.27 m，橫梁上翼緣上焊有剪力釘與混凝土橋面板連接。

4建立有限元模型

每個方案均建立2個有限元模型。其中一期恒載由純鋼結(jié)構(gòu)模型單獨承受，二期恒載、活載和附加力都由鋼混組合結(jié)構(gòu)模型承受。將計算所得的位移和應力分別進行疊加，得到各種荷載組合作用下的總位移和總應力。

采用有限元軟件Midas/Civil建立空間模型。主桁桿件、橫梁、平聯(lián)均采用空間梁單元，混凝土板和整體橋門架采用板單元模擬。在鋼與混凝土板結(jié)合區(qū)域，不考慮兩者之間的滑移，邊界條件按照實際情況施加，全橋有限元模型見圖4和圖5。

圖4　方案1全橋有限元模型

圖5　方案2全橋有限元模型

5計算結(jié)果與分析

5.1　梁體變形及結(jié)構(gòu)自振特性

剛度計算沒有考慮混凝土橋面板產(chǎn)生裂縫引起的剛度折減，梁體變形及結(jié)構(gòu)自振特性見表1。

由表1可以看出，兩種方案的撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角、自振頻率均滿足規(guī)范要求，雖然方案2節(jié)間距大于方案1，橋面板厚度小于方案1，但是方案2橫梁間距小，兩個方案主桁寬度和高度均相同，方案2整體剛度僅略小于方案1。需要說明的是：由于混凝土橋面板位于主桁下弦受拉區(qū)，在二期恒載、列車活載、溫度變化、混凝土收縮等工況下，由于橋面系的共同作用，橋面板將承受很大的拉力，橋面板在拉力的反復作用下肯定會產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)的整體剛度會有所降低。

表1　梁體變形和結(jié)構(gòu)自振特性

5.2　主桁構(gòu)件受力

采用混凝土橋面板時主桁桿件的受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的施工順序關系較大[6]，為了盡量減少恒載、混凝土收縮作用下橫梁的面外彎曲和混凝土橋面板的受拉問題，一般施工時均按照以下順序進行：①架設鋼梁；②拆掉支架；③灌筑混凝土橋面板。計算時兩種方案均按照該施工順序進行。

在主力作用下兩種方案弦桿軸力的對比結(jié)果分別見圖6，圖7。可見，方案2的下弦桿軸力較方案1增大約10%，上弦桿軸力梁端較方案1減小約10%，跨中處較方案2增大約16%。主要原因是橋面板厚度減小后與主桁共同作用參與受力的能力減小，下弦桿軸力有所增大，方案2節(jié)間長度增加后上弦桿長度減小，所受軸力介于方案1梁端和跨中之間。

圖6　下弦桿軸力對比曲線

圖7　上弦桿軸力對比曲線

表2列出了主桁各構(gòu)件和橫梁的強度、總穩(wěn)定性及疲勞應力情況。由表2可知，在主力工況作用下，各構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性及疲勞均滿足規(guī)范要求，方案1下弦桿和橫梁應力水平小于方案2，上弦桿應力水平略大于方案2，腹桿應力水平兩個方案基本一致。

表2　主桁桿件和橫梁應力情況

5.3　混凝土板受力情況對比

兩種方案均采用密布橫梁混凝土結(jié)合體系，混凝土板通過剪力釘與橫梁結(jié)合，由于共同作用，在荷載作用下參與主桁整體受力。混凝土板順橋向不施加預應力，容許開裂，采用高配筋的方式控制混凝土裂縫寬度[7-9]。

混凝土板計算時未計入鋼筋的作用，方案1混凝土板最大拉應力為5.5 MPa，方案2最大混凝土板最大拉應力為5.9 MPa，兩個方案相差不大，方案1略小，主要因為方案1混凝土截面較大，計算鋼筋應力和混凝土裂縫寬度時將混凝土板簡化為支撐在橫梁上的連續(xù)板結(jié)構(gòu)(見表3)。可以看出，在不同工況作用下，兩種方案的混凝土板裂縫和鋼筋應力均滿足規(guī)范要求，雖然方案1混凝土板所受軸力小于方案2，但是鋼筋應力和裂縫寬度較方案2的大，主要原因是因為方案2橫梁間距小后，相應混凝土板的跨度減小，鋼筋應力和裂縫寬度均有所減小。

表3　鋼筋應力橋面板軸力和裂縫寬度結(jié)果匯總

5.4　經(jīng)濟性分析

表4列出了方案1和方案2的結(jié)構(gòu)指標，從中可以看出，方案2在減小了結(jié)構(gòu)高度的情況下用鋼量和鋼筋混凝土用量均有所減小，分別減小了13%和11%，達到了結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟節(jié)省的目的，具有顯著的經(jīng)濟效益。

表4　結(jié)構(gòu)指標匯總

6結(jié)束語

本橋為48 m重載鐵路鋼桁結(jié)合梁，在中小跨度采用密布橫梁混凝土橋面板的方案是合適的，具有橫向剛度大、建筑高度低等優(yōu)點，較傳統(tǒng)的鋼桁梁取消了下平縱聯(lián)，施工更為簡便。考慮混凝土板參與主桁共同受力可以降低下弦桿的截面。方案1和方案2橋梁剛度、強度和混凝土板受力等都能滿足相關規(guī)范要求，方案2在方案1基礎上加大節(jié)間距并加密橫梁，橫梁數(shù)量增加后減小了混凝土板的截面尺寸，改善了混凝土板受力，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)高度，橋面板整體受力性能優(yōu)于方案1，橋面板厚度減小后結(jié)構(gòu)自重隨之減小，提高了結(jié)構(gòu)的整體受力性能。通過合理的選擇節(jié)間距和橫梁間距，方案2可有效節(jié)省材料用量，具有顯著的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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[9]黃僑，周志祥.橋梁鋼-混組合結(jié)構(gòu)設計原理[M].北京:人民交通出版社，2004

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0103-03

作者簡介：趙博(1983—)，男，2009年畢業(yè)于中南大學工程力學專業(yè)，工學碩士，工程師。

收稿日期：2015-01-14