某公鐵兩用斜拉橋橋面系承載能力評價★

杜飛虹 程耀東

(1.中鐵一局第四工程有限公司,陜西 咸陽 712000； 2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

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某公鐵兩用斜拉橋橋面系承載能力評價★

杜飛虹1程耀東2

(1.中鐵一局第四工程有限公司,陜西 咸陽 712000； 2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

為評價某公鐵兩用斜拉橋橋面系的承載能力，利用ANSYS建立了有限元模型，分析該橋面系在最不利荷載工況下的整體受力和各構件的位移及最大應力分布狀況，指出該斜拉橋橋面系的承載力及各構件的強度均滿足規范要求。

公鐵兩用斜拉橋，橋面系，有限元，承載力

0 引言

正交異性鋼橋面板是由縱橫向互相垂直的加勁肋連同橋面蓋板共同組成,具有高度低、自重輕、極限承載力大、易于加工制造等特點。但其受力較為復雜，制造施工要求較高，加之縱肋的設置對正交異性橋面板的性能有較大影響，且目前相關規范對該類橋面板的承載力計算還未給出指導，所以有必要探索其應力分布規律[1]，對其承載能力進行評價。

1 工程概況

某三索面公鐵兩用斜拉橋主橋為五跨連續鋼桁梁斜拉橋，橋梁全長1 290 m，跨度布置為(90+240+630+240+90)m，上層為六車道公路，下層為四線鐵路,總體布置見圖1。全橋采用漂浮體系，在主塔和主梁之間安裝阻尼裝置，以控制主梁在制動力和地震力作用下的縱向位移。各墩上設置有豎向剛性支座，縱向為活動，在主塔上同時設置橫向支座以限制主梁橫向位移。

主梁為板桁結合鋼桁梁，N形桁架，三片主桁對應于三索面布置。上、下弦桿均采用箱形截面。主桁腹桿采用箱形截面或H形截面。斜桿和豎桿采用箱形或工字形截面。每個豎桿處均設有桁架式橫聯，以提高結構抗扭轉能力。橫聯為三角形桁架形式，桁架高約5 m，“I”形桿件，桿件高440 mm，寬400 mm。主桁截面及細部尺寸如圖2所示。

公路橋面系采用正交異性鋼橋面板，板厚16 mm，下設U形加勁肋。“U”形縱向加勁肋肋高300 mm，板厚8 mm。每間距3 m范圍內設置橫梁，橫梁與主桁上弦桿高度相同，橫梁下緣與桁架式橫聯相連。橫梁下翼緣640 mm×28 mm，腹板厚為14 mm。橋面鋪裝為6 cm瀝青鋪裝。

鐵路橋面系采用正交異性鋼橋面板與主梁弦桿組成的箱桁結構，鋼箱頂底板分別與下弦桿的上下蓋板焊連，橫梁腹板與主桁桿件通過栓接形式連接。箱高約1.6 m，鋼箱頂板厚16 mm，底板厚12 mm。頂板下“U”形縱向加勁肋肋高300 mm，板厚8 mm；底板上“U”形縱向加勁肋肋高220 mm，板厚8 mm；在中跨結構受力較小區域內，鋼箱底板及其加勁肋被取消，僅在橫梁處設置橫梁下緣底板，橫梁下翼緣960 mm×40 mm，腹板厚為16 mm。橋面鋪裝為6 cm厚防水層+無砟軌道。

2 計算荷載

1)公路：六車道公路—Ⅰ級荷載。

根據JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范的強度設計標準荷載采用公路Ⅰ級標準荷載進行分析。公路橋面二期恒載(含橋面鋪裝和鋼制防撞欄桿)為28.6 kN/m。

2)鐵路：兩線中—活載+兩線ZK活載。

中—活載圖式如規范[2]圖4.3.1所示，橫向計算時取特種活載，特種活載值取為220 kN。 ZK—活載圖如規范[3]圖1.0.7-1～1.0.7-2所示，橫向計算采用特殊荷載，特殊活載值取為250 kN。鐵路橋面二期恒載(含無砟軌道、防水層、鋼擋砟墻、檢修道和接觸網)為211.45 kN/m。

3 評價原理及簡化計算

一般情況下，橋面系在隨機車輛荷載作用下產生縱、橫向的相對位移和局部應力。極端情況即全橋面滿布活載通行條件下，活載類似于恒載作用效果，且該活載通過橋面系傳遞至斜拉索及其支撐承受。因此橋面局部應力與活載是否布滿橋面無關，只與使得在橋面局部產生最大的相對位移有關。故只要找出產生最大變形的最不利輪位，計算其產生的最大局部應力，就可對實橋的承載能力進行評估分析[4]。

考慮到不同節間橋面系的縱、橫梁、U肋都是相同的，只有下弦桿的板厚不同，所以只需抽算若干有代表性的節間，不必每個節間都算。對本橋的橋面系采用如下的簡化計算方法：

1)建立一個包含有4個斜拉索錨點的三段錨拉節間, 橫橋向取1/2橋寬(當橋面荷載為偏載時，則橫橋向應取全寬計算)，包括一根邊桁下弦桿(系梁)、一根中桁下弦桿(系梁)和半幅橋面系(橋面板、縱梁、橫梁、縱肋、橫肋)，建立45 m梁段結構橋面系局部有限元分析模型。

2)根據實橋的下弦桿(系梁)和橋面系桿件的受力變形特點，加邊界條件設置于錨索下端錨點，其全部設置豎向約束，縱向一端設置縱向約束，橫向一側設置橫向約束。

3)施加橋面荷載，進行計算，得出的橋面板應力。

4 有限元數值模擬

4.1 有限元模型

公路橋面系和鐵路橋面系均采用一個包含有5個斜拉索錨點的三段錨拉節間(45 m)梁段的有限元模型。每隔3 m設置一道橫隔板。模型梁各部位板厚按照設計取值。由于鋼橋面板屬于薄板，為了較為詳細地了解其受力情況，在有限元分析計算時采用Shell63板殼單元，單元形狀為四邊形。其中鐵路橋面系有限元模型中設置4道縱向通長腹板，形成單箱多室的鋼箱。公路橋面板、橫隔板及鐵路鋼箱腹板有限元模型如圖3～圖5所示。

4.2 荷載工況

公路荷載工況偏保守地選擇為三車道同向加載(比相向加載更危險)方式，并假設三輛同向行進的汽車總是齊頭并進的。經試算，對于確定的橫斷面，當荷載位于橫向中心時，各應力均為最不利橫向位置。具體位置見圖6。

在確定縱向荷載最不利位置時，使用公路Ⅰ級車輛荷載進行加載，經試算，得出最不利加載位置，具體位置見圖7。

鐵路荷載工況偏保守選擇的加載方式為兩列火車同向加載(比相向加載更危險)，并假設兩列火車同向行進時總是齊頭并進的。荷載縱、橫向的最不利布置位置同公路荷載工況只需將荷載換為ZK活載。

4.3 結果分析

公路橋面系整體受力及各構件受力結果分析如表1所示，鐵路橋面系整體受力結果及各構件受力結果分析如表2所示。

表1 公路橋面系整體受力及各構件受力結果分析

由表1可知，在最不利荷載工況下，公路橋面系橋面板整體處于受壓狀態，縱向最大壓應力-15.1 MPa，橫向最大壓應力值為-29.2 MPa，橋面板各構件最大拉、壓應力均小于設計強度值，滿足設計強度要求。

公路橋面系跨中位置豎向位移在考慮鋪裝層參與工作后，豎向變形最大值由11.1 mm減小為1.07 mm，橋面板的壓應力受力也較均勻，應力值也較小，可見在相同荷載作用下，橋面鋪裝增加了橋面板的剛度，鋪裝層對橋面板的受力具有一定的擴散作用。

表2 鐵路橋面系整體受力及各構件受力結果分析

由表2可知鐵路橋面系鋼橋面板跨中截面最大豎向位移為11.0 mm，經分析該豎向變形較大是由錨索位置邊界條件模擬誤差導致。鋼箱橋面板整個處于受壓狀態，整體及各構件縱向最大壓應力為-64.5 MPa，拉應力為103.1 MPa；橫向最大壓應力值為-92.3 MPa，最大拉應力為65.6 MPa；豎向最大壓應力為-6.4 MPa，均小于設計強度要求。

綜上所述，公路橋面系及鐵路橋面系整體及各構件在各方向的應力均小于規范限值，跨中截面豎向位移值滿足規范要求，說明該橋面板結構的承載能力符合設計要求，結構是安全的。

5 結語

利用ANSYS建立某長江大橋橋面系的三維有限元模型，分析了最不利荷載和加載位置下整體及各構件的撓度和應力值，并以此進行了強度分析，可得出以下結論：

1)公路橋面系各構件的強度滿足規范要求。

2)鐵路橋面系在局部荷載作用下所有構件的強度滿足規范要求。

3)該橋面系承載力滿足設計要求，結構是安全的。

[1] 李亞東.橋梁工程概論[M].成都:西南交通大學出版社,2001.

[2] TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設計基本規范[S].

[3] TB 10621—2014，高速鐵路設計規范[S].

[4] 秦順全.蕪湖長江大橋板桁組合結構斜拉橋建造技術[J].土木工程學報,2005(9):94-97.

The bearing capacity evaluation of bridge deck system in a combined highway and railway cable-stayed bridge★

Du Feihong1Cheng Yaodong2

(1.FourthEngineeringLimitedCompany,ChinaRailwayFirstBureau,Xianyang712000,China;2.LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

In order to evaluate the bearing capacity of bridge deck system in a combined highway and railway cable-stayed bridge, the most unfavorable conditions were analyzed by using ANSYS. The whole forces, displacements and the maximum stress-distributions of components were obtained, pointed out that the carrying capacity and each member strength of the cable-stayed bridge deck system both met the specification requirements.

combined highway and railway cable-stayed bridge, bridge deck system, finite element method, bearing capacity

1009-6825(2016)20-0151-03

2016-05-04★:甘肅省科技計劃資助(項目編號：1508RJZA064)

杜飛虹(1980- )，男，工程師； 程耀東(1963- )，男，教授

U443.32

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