設(shè)置鋼桁架梁對(duì)大跨鐵路橋撓度影響分析

□文/張 斌

1 工程概況

新建鄭州—周口—阜陽高速鐵路途徑的安徽區(qū)段水系發(fā)達(dá)、河流眾多；因此，多采用大中跨度橋梁跨越，其中在安徽阜陽與臨泉交界處采用45 m+75 m+172 m+75 m+45 m曲弦鋼桁架加勁預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁跨越泉河Ⅳ級(jí)航道。見圖1。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)

該線路為客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)最高時(shí)速350 km/h，設(shè)計(jì)荷載為ZK 活載，位于曲線段，最小曲率半徑為8 000 m，雙線正線，雙線線間距5 m。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，梁高在中支點(diǎn)處為11 m，邊支點(diǎn)及中跨跨中處為5 m；梁底緣按二次拋物線變化。主梁一般段頂寬15.6 m，在與鄰跨標(biāo)準(zhǔn)梁交界位置從15.6 m 線性變化為12.6 m。鋼桁為再分式桁架，桁高為14 m，節(jié)間距為16 m，在中支點(diǎn)處借鑒拱的受力特點(diǎn)，使用曲弦方式與主梁連接，鋼桁與混凝土之間采用極限承載能力高、抗疲勞性能好的PBL 剪力鍵及剪力釘進(jìn)行傳力[1～2]。見圖2和表1。

圖2 主梁橫斷面

表1 鋼桁架尺寸

2 橋梁形式的選擇

該橋曾考慮不設(shè)鋼桁架方案，但所用預(yù)應(yīng)力鋼束過多，主梁截面過大且變形過大，會(huì)影響行車安全性及舒適性；后考慮增加鋼桁架的方案，提高了結(jié)構(gòu)的剛度，改善了梁端轉(zhuǎn)角，減小了跨中撓度，能滿足高鐵對(duì)橋梁平順性的要求，同時(shí)降低了施工與維修難度[3～4]，與泉河環(huán)境協(xié)調(diào)，景觀效果好。

3 鋼桁架對(duì)主梁中跨撓度影響的模擬

此種梁桁組合結(jié)構(gòu)在國內(nèi)尚處于研究發(fā)展階段，為了研究鋼桁架的安裝對(duì)主梁中跨撓度的影響，在充分研究橋梁施工過程及荷載的情況下，利用Midas Civil 2016建立有限元分析模型，針對(duì)施工及運(yùn)營狀況進(jìn)行模擬分析，通過具體數(shù)據(jù)探究鋼桁架對(duì)主梁撓度的作用效果。

鋼桁架在全橋合龍后進(jìn)行安裝。橋梁自重一般占鐵路橋豎向總荷載的70%左右，因此考慮鋼桁架承擔(dān)剩余約30%的二期荷載及列車活荷載[5]。

采用具有單因素敏感性分析思想的控制單一變量方法[6]，選取安裝鋼桁架后施加二期荷載及列車活荷載與不安裝鋼桁架施加二期荷載及列車活荷載兩個(gè)工況，提取主梁中跨撓度進(jìn)行對(duì)比，從而更好地研究鋼桁架對(duì)主梁撓度的影響。因邊跨與次邊跨撓度較小且主梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此取1/2中跨進(jìn)行研究。

3.1 施加二期荷載后

列車活荷載采用ZK 活載，二期荷載取值為150 kN/m。當(dāng)施加二期荷載后，主梁1/2 中跨各節(jié)段撓度見圖3。

圖3 施加二期荷載后主梁1/2中跨撓度

由圖3 可知，當(dāng)施加二期荷載后，有鋼桁架工況最大撓度為20 mm，無鋼桁架工況最大撓度為22.1 mm，有鋼桁架工況相對(duì)于無鋼桁架工況撓度值減小了2.1 mm，撓度減小了9.5%。

3.2 施加二期荷載及單線列車活荷載后

當(dāng)施加二期荷載及單線列車活荷載后，主梁1/2中跨各節(jié)段撓度見圖4。

圖4 施加二期荷載及單線列車活荷載后主梁1/2中跨撓度

由圖4 可知，當(dāng)施加二期荷載及單線列車活荷載后，有鋼桁架工況最大撓度為36.6 mm，無鋼桁架工況最大撓度為50.5 mm，有鋼桁架工況相對(duì)無鋼桁架工況撓度值減小了13.9 mm，撓度減小了27.5%。

3.3 施加二期荷載及雙線列車活荷載后

當(dāng)施加二期荷載及雙線列車活荷載后，主梁1/2中跨各節(jié)段撓度見圖5。

圖5 施加二期荷載及雙線列車活荷載后梁1/2中跨撓度

由圖5 可知，當(dāng)施加二期荷載及雙線活荷載后，有鋼桁架工況在最大撓度為53.3 mm，無鋼桁架工況最大撓度為79 mm，有鋼桁架工況相對(duì)無鋼桁架工況撓度值減小了25.7 mm，撓度減小了32.5%。

4 實(shí)測結(jié)果

該橋梁進(jìn)行完二期鋪裝后，對(duì)橋梁進(jìn)行了高程測量，見圖6。

由圖6 可知，實(shí)測值與模擬值最大差為2.9 mm，撓度趨勢大致相同，表明理論模擬精度較高。因施加列車活荷載后不方便測量，故未進(jìn)行現(xiàn)場測量，但通過施加二期荷載后實(shí)測撓度值與理論撓度值對(duì)比，可以推測出施加列車活荷載后理論值的準(zhǔn)確性。

圖6 實(shí)測值與模擬值對(duì)比

5 結(jié)論

當(dāng)僅施加二期荷載后，鋼桁架對(duì)撓度的減弱作用并不明顯，僅減小了9.5%，考慮鋼桁架自重為78.5 kN/m，增加的鋼桁架自重抵消了對(duì)撓度的減弱效果。

施加單線列車活荷載后，有鋼桁架的主梁撓度減小了27.5%；施加雙線列車活荷載后，有鋼桁架的主梁撓度減小了32.5%，可見鋼桁架的安裝能提高結(jié)構(gòu)剛度，有效減弱主梁撓度且荷載越大，減弱作用越明顯。□■