多橫梁整體橋面結(jié)構(gòu)橋面荷載傳遞途徑及計(jì)算方法

韓衍群，史召鋒，葉梅新

(1. 中南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410075；

2. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢，430010)

對(duì)于高速鐵路橋梁，其橋面結(jié)構(gòu)必須具有可靠的受力性能，足夠的豎向、側(cè)向和扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)還需具備一定質(zhì)量和阻尼，車橋的振動(dòng)響應(yīng)較小，這樣才能滿足高速行車安全與舒適的要求[1?4]。以往我國(guó)普通鐵路線上的鋼橋都是明橋面橋，但由于明橋面具有噪音大、剛度小和動(dòng)力性能差等結(jié)構(gòu)缺陷，這些明橋面在客運(yùn)專線和高速鐵路上不再適用[5?7]。多橫梁正交異性整體鋼橋面是由鋼正交異性橋面板與縱、橫梁和下弦桿的上翼緣在同一平面上連成一體，鋼正交異性橋面板下方設(shè)置縱向、橫向加強(qiáng)肋的橋面結(jié)構(gòu)。為了減小下弦節(jié)點(diǎn)處橫梁的受力和提高橋面行車平順性，道碴整體橋面不僅在下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁，而且在每節(jié)間內(nèi)也設(shè)置橫梁，下弦節(jié)點(diǎn)處橫梁在主桁節(jié)點(diǎn)處和主桁連接，節(jié)間內(nèi)橫梁與下弦桿(或系梁)連接。這種結(jié)構(gòu)由于將主桁弦桿、縱橫梁連成一體，可使橋面更有效地參與主桁共同受力，同時(shí)又減小了橫梁的側(cè)向變形，從而避免了為減小橫梁側(cè)向變形而設(shè)置伸縮縱梁的問題，可大大改善高速行車條件。這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)高速鐵路中應(yīng)用越來越多[8?9]，如在建中的京滬(北京—上海)高速鐵路南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋和擬建的新廣州站東平水道橋等均采用這種橋面結(jié)構(gòu)形式。

1 橋面荷載傳遞途徑

在多橫梁整體鋼橋面結(jié)構(gòu)中(如圖 1所示)，節(jié)間內(nèi)橋面荷載的傳力途徑主要有如下2條。

路徑1：一部分荷載先縱向，后橫向，即

路徑2：另一部分荷載先橫向，后縱向，即

圖1 南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋橋面結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of floor system of Nanjing Dashengguan Yangtse River Bridge

盡管橋面荷載沿2條路徑最終都傳至下弦節(jié)點(diǎn)，引起主桁(拱)變形，但不同路徑傳遞的橋面荷載在橋面系中引起不同的效應(yīng)。路徑1傳遞的橋面荷載引起下弦節(jié)點(diǎn)處大橫梁豎向彎曲，路徑2傳遞的橋面荷載引起下弦桿豎向彎曲。在這種橋面結(jié)構(gòu)中，大橫梁的負(fù)荷減小，只承擔(dān)部分橋面荷載，而下弦桿或系梁的負(fù)荷增大，除了承擔(dān)巨大的軸力外，還要承受豎向彎曲。下弦桿豎向彎矩與路徑2傳遞的荷載有關(guān)。為了給設(shè)計(jì)該類橋面結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，有必要研究多橫梁整體鋼橋面結(jié)構(gòu)中2條路徑傳遞荷載的規(guī)律及其計(jì)算方法。本文以節(jié)間內(nèi)布置3根橫梁的南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋引橋?yàn)槔?，建立空間有限元模型[10?12]，研究 2條路徑傳遞荷載，并分析下弦桿和橋面系(包括縱梁、縱肋和橋面板)剛度比、節(jié)點(diǎn)橫梁與節(jié)間橫梁剛度比等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)橋面荷載傳遞的影響，在此基礎(chǔ)上，給出節(jié)間內(nèi)布置3根橫梁時(shí)2條路徑傳遞橋面荷載的經(jīng)驗(yàn)公式。

該橋?yàn)?84+84) m多橫梁整體橋面三主桁連續(xù)鋼桁梁橋，主桁采用桁高16 m、節(jié)間長(zhǎng)度12 m的N形形式，桁寬為15 m，見圖1和圖2。在這種橋面型式的三主桁鋼桁梁橋中，橋面荷載的傳遞較復(fù)雜，既有節(jié)間內(nèi)橋面荷載通過多條路徑傳遞到主桁的問題，又有橋面荷載在3片主桁間橫向的分配問題[8,13]。本文主要討論第1個(gè)問題。

2 路徑傳力比

定義路徑傳遞的荷載與1個(gè)節(jié)間總荷載之比為傳力比。路徑1和路徑2的傳力比分別記為R1和R2，則R1和R2存在如下關(guān)系：

葉梅新等[8,14]研究了2條路徑傳遞橋面荷載的影響因素，指出影響2條路徑傳遞橋面荷載的主要因素為下弦桿剛度∑EI下弦桿和橋面系(包括縱梁、縱肋和橋面板)剛度∑EI橋面系之比(記為λ1)、節(jié)間橫梁剛度EI節(jié)間橫梁與節(jié)點(diǎn)橫梁剛度EI節(jié)點(diǎn)橫梁之比(記為λ2)。采用空間有限元分析計(jì)算該橋在二期恒載(400 kN/m)作用下不同λ1和λ2時(shí)路徑2的傳力比，分別見圖3和圖4(下弦節(jié)點(diǎn)編號(hào)見圖2)。

圖2 南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋引橋立面圖Fig.2 View of Nanjing Dashengguan Yangtse river bridge

圖3 路徑2傳力比R2與λ1關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between load transfer ratio of routine 2 and λ1

圖4 路徑2傳力比R2與λ2關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between load transfer ratio of routine 2 and λ2

由圖3～4可見：路徑2傳力比R2隨著λ1和λ2增加而增加；當(dāng)λ1和λ2不變時(shí)，除與支座相鄰節(jié)間外，其他節(jié)間通過路徑1(或路徑2)傳遞的橋面荷載差別不大，不同節(jié)間的傳力比R2與R1變化量均在3.8%之內(nèi)。由此可見：R2與R1變化規(guī)律均可分2個(gè)區(qū)域：一是與支座相鄰節(jié)間，二是與支座不相鄰節(jié)間。在每個(gè)區(qū)域內(nèi)，R2與R1可近似認(rèn)為相同，且變化規(guī)律也相同。

3 路徑傳力比的經(jīng)驗(yàn)公式

由圖3和圖4可見：當(dāng)橋面板為鋼橋面板時(shí)，隨著λ1和λ2的變化，路徑2傳力比在0.6左右變化，引入影響系數(shù)a和b， 則：

式中：R2為路徑2傳遞的橋面荷載與節(jié)間總荷載比；a為下弦桿與橋面系相對(duì)剛度影響系數(shù)，與兩者相對(duì)剛度比λ1有關(guān)；b為橫梁相對(duì)剛度影響系數(shù)，與兩者相對(duì)剛度比λ2有關(guān)。

根據(jù)空間有限元計(jì)算結(jié)果，得出不同區(qū)域影響系數(shù)a與λ1的關(guān)系曲線以及不同區(qū)域影響系數(shù)b與λ1的關(guān)系曲線，見圖5～6。由圖5～6可見：a隨著λ1的增加而增加，當(dāng)λ1小于8.3時(shí)，a的增加速度較快，而隨著λ1的增加，a的增加速度逐漸減??；當(dāng)λ1＞16.6時(shí)，a變化不大；隨著λ2的增加，b不斷增加，但增加速度較小。為了方便計(jì)算，采用最小二乘法擬合的近似公式如下。

(1) 與端支座相鄰節(jié)間：(2) 與支座不相鄰節(jié)間：

圖5 影響系數(shù)a與λ1關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between influence coefficient a and λ1

(3) 與中支座相鄰節(jié)間：

研究結(jié)果表明：路徑2傳遞的荷載主要是通過節(jié)間內(nèi)橫梁傳遞的，鋼橋面板傳遞的荷載很少，不超過5%[8]，可忽略不計(jì)；當(dāng)節(jié)間橫梁剛度差別不大時(shí)，同一節(jié)間內(nèi)每根橫梁傳遞的節(jié)間荷載相差不大。因此，在路徑2中，主要是節(jié)間橫梁傳遞的荷載引起下弦桿豎向彎矩，確定路徑2傳遞的橋面荷載后，即可計(jì)算節(jié)間內(nèi)橋面荷載引起的下弦桿豎向彎矩。

4 算例

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋6節(jié)間桁段純鋼試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，兩端?jiǎn)支，相似比例為1∶6，節(jié)間長(zhǎng)為2.0 m，單幅桁寬為2.5 m，桁高2.0 m，橋面系截面慣性矩見表1。采用式(1)計(jì)算二期恒載荷載作用下路徑2的傳力比，見表2；2條路徑傳遞的橋面荷載確定后，可計(jì)算下弦桿的應(yīng)力，見圖7和圖8。為了比較，表2和圖7～8還給出了采用空間有限元模型計(jì)算得到的結(jié)果。由表2可見：同一節(jié)間內(nèi)每根橫梁傳遞的荷載變化不大；本文計(jì)算結(jié)果與空間有限元結(jié)果較吻合，與空間有限元計(jì)算結(jié)果相比，由本文計(jì)算的結(jié)果最大誤差在6%以內(nèi)。由圖7和圖8可見：計(jì)算得到的下弦桿應(yīng)力與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值、空間有限元結(jié)果均較吻合，驗(yàn)證了本文公式的正確性。

圖6 影響系數(shù)b與λ2關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between influence coefficient b and λ2

表1 橋面系截面慣性矩Table 1 Geometric characteristics of floor system 10?5 m4

表2 路徑2傳力比R2計(jì)算結(jié)果Table 2 Comparison of calculation results of routine 2 load transfer ratio %

圖7 下弦桿邊桁下翼緣應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of stress on bottom chord elements at edge truss

圖8 下弦桿中桁下翼緣應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of stress on bottom chord elements at middle truss

5 結(jié)論

(1) 在多橫梁整體橋面鋼桁梁橋中，下弦桿既承受軸向力作用，又承受豎向彎矩作用，豎向彎矩與節(jié)間橫梁傳力比有關(guān)。

(2) 在多橫梁整體橋面鋼桁梁橋中，當(dāng)節(jié)間內(nèi)布置3根橫梁時(shí)，節(jié)間橫梁總傳力比為0.6左右，具體值同下弦桿與橋面系(縱梁、縱肋和鋼橋面板)的豎向剛度比λ1、節(jié)間橫梁與節(jié)點(diǎn)橫梁的豎向剛度比λ2有關(guān)，并隨著λ1和λ2增加而增加。

(3) 2條路徑傳遞的荷載在不同的節(jié)間變化不大，由本文傳力比計(jì)算公式得到的結(jié)果與空間有限元試驗(yàn)結(jié)果均較吻合，說明了傳力比計(jì)算公式的正確性。該公式為多橫梁正交異性整體鋼橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供了便利。

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