大跨度鋼構橋功能分離式梁端伸縮器設計研究

白 唐

（新疆交通科學研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

大跨度鋼構橋需要配置梁端伸縮器，以確保結構銜接的有效支撐和平順過渡，并適應溫度和載荷等因素引起的梁端變位影響。伸縮器是鋼構橋梁的特殊梁端設備，不僅需要適應橋體水平和轉角位移等空間變位，還需要具備良好的強度、剛度和功能可靠性。對需要承擔較大梁端縱向和橫向移位的大跨度鋼構橋梁，傳統的單一上承式或下承式伸縮器設計都存在局限性。上承式由于剛度不足，難以滿足縱向大移位的要求；下承式因為梁端與移位箱直接剛接，難以適應橫向移位的要求，而且主要應力部件的職責不明確。針對這些問題，案例工程實施了功能分離式的梁端伸縮器工藝方案。由該裝置將上承式和下承式設計有機結合，可實現橫、縱向應力部件的分離。在伸縮器的范圍內，可以將線路上方視為上承式梁端伸縮器，僅在一定范圍內承擔橫向應力，超出范圍后也開始承擔縱向應力；線路下方視為下承式梁端伸縮器，僅提供結構的垂向支撐。在一定的變位內，該裝置實現橫向和垂向應力應對的功能分離，從而實現分離式的梁端伸縮器設計目標。

1 工程概況

某大跨度鋼構路橋總長為1 428 m，其跨度配置為84 m+84 m+1 092 m+84 m+84 m，采用鋼桁梁五跨雙塔地錨懸索設計。上層為高速公路，雙向4 車道，設計速度100 km/h。下層為4 線鐵路，設計速度速度250 km/h，預留2 線設計速度200 km/h。加力梁采取板桁結合的鋼桁梁結構，橫斷面采取直主桁帶副桁形式。桁高16 m，桁距30 m，節間跨度14 m，公路橋面寬為46 m，左右索吊點間距為43 m。主橋采取梁塔分離的半漂浮體系，在兩主塔處，鋼梁底部每側各配置4組縱向液體粘滯阻尼器。各個主塔及橋墩處的主桁下均設置了垂向剛性支撐座，具有一定縱向和橫向自由度。主塔加力梁上弦和下弦外側，橫向配置抗風支撐座，輔助墩和邊墩處，主桁下方均在兩側配置橫向抗風支撐座。邊墩抗風橫向支撐座的抗壓剛度為3 100 km/cm，預壓力為1 600 kN，允許彈性形變為0.5 cm。由于梁端變位較大，與小跨度橋梁相比，簡易伸縮器無法滿足梁端變位適應要求。因此需要進行優化設計，為此工程采取了適合大跨度鋼構橋使用的伸縮器設計方案。

2 分離式梁端伸縮器設計方案

該梁端伸縮器的設計方案如圖1 所示，部件名稱如表1 所示。其左側為引橋側，右側為主橋側。縱向伸縮時，主橋的梁端會發生縱向移位，通過混凝土枕與道砟帶動橫向支撐梁實現縱向移位，固定端移位箱與主橋梁端會同時伸縮，構成上、下支撐梁同步抽拉狀態。該方案的主橋側的固定鋼枕、混凝土枕均通過扣板與橫向支撐梁固結；活動鋼枕通過扣板與橫向支撐梁連接，扣板和橫向支撐梁縱向自由，橫向約束，垂向空隙5 m，活動鋼枕垂向5 mm 形變時，橫向支撐梁不承擔垂向應力；固定鋼枕和引橋側混凝土枕通過扣板與橫向支撐梁連接，縱向自由，同步限制橫向和垂向移位；線上部分以橫向支撐梁為骨架，構成軌排，維護活動鋼枕的橫向穩定；其余鋼枕都與橫向支撐梁構成垂向和橫向約束，主橋側的鋼枕與橫向支撐梁構成縱向約束。為避免在縱向拉力下兩側混凝土枕開裂，均采取剛性骨架混凝土枕[1]。

表1 分離式梁端伸縮器部件名稱一覽表

在移位箱范圍內，移位箱和固定鋼枕還要賦予一定的橫向剛度約束，缺少這個約束，橫向支撐梁的支點跨度會變得過大，發生橫向搖擺時，梁端橫向移位就會被擴大，從而導致不穩定。但橫向剛度也不能太大，一般應以不超過道砟對混凝土枕形成的橫向約束剛度為宜，這樣可以降低移位箱對梁端橫向移位的傳導，活動鋼枕在橫向和垂向均獲得穩定約束。

3 梁端伸縮器應力應變模擬分析

3.1 主要部件的靜力應力應變分析

（1）鋼枕應力應變分析。活動鋼枕與固定軌枕在2根支撐梁和兩側移位箱上分別配置，位移箱、支撐梁之間配置枕下墊板，2 根支撐梁的中心距150 cm。應力情況：列車載荷作用于鋼軌，借助軌下墊板和扣件向鋼枕將傳力，鋼枕實體承壓，應力與支撐條件良好。為把握鋼枕應力應變狀態，采用工程有限元模擬軟件對鋼枕進行模擬分析。結果顯示，軸載350 kN（每側等效175 kN）靜活載集中影響下，考慮2 倍的局域動力放大系數，鋼枕最大應力45.63 MPa，最大形變0.26 mm，應力應變具有足夠安全儲備，符合安全設計要求[2]。

（2）垂向支撐梁應力分析。支撐梁是整個伸縮器應力的核心部件。該設計共設置了3 根活動鋼枕。支撐梁長度3.47 m，其與移位箱間配置了承壓支撐座。當伸縮器處于最大伸長功效時，支點間距3.16 m，相當于跨度3.16 m 的簡支梁。每套伸縮器共設置兩根支撐梁，為考慮伸縮器的垂向傳力特性，兩根支撐梁的橫向中心距為1.50 m。列車載荷在2 根支撐梁上視為均勻分布。有限元模擬結果顯示，單根支撐梁垂向施加荷載175 kN 時，支撐梁最大應力25.96 MPa，應力水平較低，儲備較大。跨中的最大撓度0.94 mm，撓度較小，符合安全設計要求。

（3）橫向支撐梁應力分析。橫向支撐梁用于承受橫向搖擺力，并為伸縮器提供橫向剛度。模擬條件為，簡化橫向支撐梁為連續鋼梁，支點間距設為固定鋼枕的中心距，伸縮器最大伸長工況下，水平橫向荷載作用于跨中最不利加載工況。考慮梁跨較短，橫向搖擺力可視為水平集中力，2 個支撐梁各承受橫向水平力50 kN。模擬結果顯示，單根橫向支撐梁承受載荷50 kN 工況下，其最大應力23.43 MPa，橫向最大移位1.31 mm，達到要求。在模擬橫向支撐梁時，未考慮梁縫區的應力及傳力作用，為安全起見，建議還是以裝置整體的模擬結果為準。

（4）連桿模擬分析。連桿是縱向伸縮器中主要承應力的伸縮桿件，其應力情況與伸縮時涉及的滑動面數、各滑動面的壓力、摩擦系數、扣件以及壓力等因素相關。研究顯示，分配到單組連桿上的伸縮阻力不應超過50 kN。因此，該模擬按照50 kN 的標準考慮單側桿件的應力情況。

模擬工況為，假設中部活動鋼枕在縱向載荷-50 kN影響下受到阻礙，計算連桿縱向應力狀態。計算結果結果顯示，模擬工況下，最大應力發生在長連桿中部，最大應力在126 MPa，低于材料的210 MPa 容許應力值，滿足連桿應力要求。須指出，連桿并不可以均按照50 kN限值設計，而且還要綜合考慮連桿匹配以及伸縮器縱向伸縮阻力狀態，才能充分滿足結構安全需要。

3.2 裝置整體的靜力應力應變分析

根據分離式梁端伸縮器設計方案，采用ABAQUS有限元模擬軟件建立模型，開展模擬計算。在模擬中對伸縮器給予部分簡化處理，比如不考慮兩側剛性骨架混凝土枕，對橫向支撐梁和軌道端部給予移位約束，以利于保持線路線型和支撐梁應力影響較小。因為移位箱斷面和整體剛度比較大，為提高模擬計算速度，采用實體C3D8R 單元，按剛體模擬計算，非關鍵應力構件按常規處理，關鍵應力構件提升網格密度。以實體模型模擬壓緊支撐座、承壓支撐座等彈性墊板。部件間接觸按照伸縮器實際工作狀態進行面面接觸、摩擦、綁定以及鉸旋轉等模擬。

梁端伸縮器在運營時需要承受橫向搖擺力和垂向輪載的作用。在進行整體靜力模擬分析時，除了分別分析橫向搖擺力和垂向載荷外，還需要考慮梁端支撐點移位所產生的附加力的影響，并根據這些不利因素對各荷載進行組合。共確定了4 種模擬計算工況，具體為：

工況1：伸縮器中部的活動鋼枕區域，施加了350 kN的垂向載荷；

工況2：在工況1 基礎上，活動鋼枕增加100 kN 水平載荷；

工況3：在工況2 基礎上，又在固定端移位箱施加了1 mm 垂向移位；

工況4：在工況3 基礎上，又在固定端移位箱施加了1 mm 的橫向位移。

伸縮器最大伸拉時的整體靜力組合應力應變計算結果如表2 所示[3]。

表2 伸縮器整體靜力組合模型計算結果

通過表2 數據能夠看到：

（1）在工況1 模擬計算中，鋼軌垂向支撐梁的最大垂向位移為0.074 cm，最大應力為20.380 MPa，相比部件模擬的位移為0.094 cm，最大應力25.96 MPa，差異度并不大。這表明由于整體結構對荷載的分散作用，部件分析的安全系數更大。在這種情況下，最大垂向位移為0.165 cm，對應的整體垂向剛度1 060 kN/cm

（2）在工況2 模擬計算中，鋼軌橫向支撐梁的橫向位移0.067 cm，最大應力16.02 MPa，相比部件模擬的位移為0.131 cm，應力23.43 MPa，差異較為明顯。這表明整體分析模型與組件分析模型存在一定程度的差異，但是計算結果均相對較小，處于允許范圍內。因此可以認為，橫向支撐梁能夠提供良好的橫向支撐剛度。

（3）在工況3 模擬計算中，鋼軌最大垂向位移為0.284 cm，垂向支撐梁最大垂向位移為0.136 cm，應力為23.36 MPa；橫向支撐梁最大橫向位移為0.068 cm，應力17.80 MPa。模擬計算結果均數值比較小，與工況2 相比，主要是由于垂向支撐梁和鋼軌的垂向形變增加，符合實際情況。

（4）在工況4 模擬計算中，鋼軌最大垂向位移為0.284 mm，垂向支撐梁垂向最大位移為0.137 cm，應力23.59 MPa；橫向支撐梁的橫向最大位移為0.136 cm，應力19.19 MPa。模擬結果均數值比較小，與工況3 相比，主要是由于橫向支承梁的橫向變形增加，表明位移箱的橫向位移可以通過鋼枕傳遞到橫向支承梁。

通過模擬計算結果可以看出，在四種不同的工況下，裝置整體應力水平都較低，說明伸縮器整體的應力應變功效滿足設計要求。因此可以得出結論，該功能分離式伸縮器可以在適應一定橫向移位的狀態下，滿足梁端平穩過渡和結構安全需要。

4 結語

該文基于工程應用案例，開展了鋼構橋功能分離式梁端伸縮器設計研究。

（1）介紹了分離式梁端伸縮器設計方案。該伸縮器由固定鋼枕、垂向支承梁、橫向支撐梁、承壓支撐座等27 種結構部件組成，該伸縮器下部分采用下承式伸縮器設計，僅提供垂向支撐剛度，上部分采用上承式伸縮器設計，僅提供橫向剛度。該設計形式可提供良好的橫向和垂向支撐，并能勝任適應一定量的橫向位移。

（2）介紹了該梁端伸縮器應力應變模擬分析結果。分別進行了主要部件的靜力應力應變分析和裝置整體的靜力應力應變分析。分析結果表明，該伸縮器組件安全儲備充足，伸縮器整體應力水平都較低，可以在適應一定橫向移位的狀態下，滿足整體的應力應變功效、梁端平穩過渡和結構安全需要，設計方案是合理和可行的。文中分析指出，伸縮器連桿并不可以均按照50 kN 限值設計，還要綜合考慮連桿匹配以及伸縮器縱向伸縮阻力狀態，才能充分滿足結構安全需要。