鋼—混組合連續(xù)鋼構(gòu)方案在鐵路橋上的應(yīng)用探討

王 業(yè) 飛

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031； 2.中鐵二十三局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072)

鋼—混組合連續(xù)鋼構(gòu)方案在鐵路橋上的應(yīng)用探討

王 業(yè) 飛1，2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031； 2.中鐵二十三局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072)

以某跨涪江的鐵路橋梁工程為例，對(duì)鋼—混凝土組合連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)方案在鐵路大跨橋梁上的應(yīng)用進(jìn)行了探討，并結(jié)合有限元分析和車橋耦合分析驗(yàn)證了該方案的可行性，可供類似鐵路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)參考。

鋼—混組合箱梁，連續(xù)剛構(gòu)，鐵路橋

1 概述

近年來，隨著我國(guó)鐵路建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展，鐵路橋梁的形式也越來越多樣，而混凝土梁方案仍然以其優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性及友好的施工操作性在鐵路橋中占據(jù)了主要地位，同時(shí)混凝土主梁提供的較大剛度也較好地滿足了鐵路橋?qū)﹁F路列車行車平順性、舒適性的要求。但是隨著跨度的增大，混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))的經(jīng)濟(jì)性顯著下降，跨度增大后，其截面尺寸、材料消耗快速增加，且增加的材料主要用來克服其自身重量影響，目前在役的最大跨度的鐵路混凝土連續(xù)梁(剛構(gòu))為襄渝鐵路主跨192 m的牛角坪連續(xù)剛構(gòu)。鋼橋在鐵路橋梁中的應(yīng)用主要體現(xiàn)于300 m以上跨度的特大跨度橋梁中，同等跨度的結(jié)構(gòu)，其自身重量要比混凝土梁小很多，但是鋼橋的造價(jià)比混凝土梁又高出很多，因此如何從我國(guó)的國(guó)情實(shí)際出發(fā)，結(jié)合這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)并應(yīng)用于我國(guó)的鐵路橋梁建設(shè)中，經(jīng)濟(jì)合理進(jìn)行鐵路建設(shè)顯得十分必要。

剛—混組合連續(xù)梁(剛構(gòu))能夠比較好的滿足以上需要，連續(xù)梁(剛構(gòu))主體為混凝土結(jié)構(gòu)，僅將主跨中間節(jié)段(綜合考慮跨度，現(xiàn)場(chǎng)鋼箱梁節(jié)段吊裝條件確定)設(shè)計(jì)為鋼箱梁，可以大幅減少結(jié)構(gòu)的彎矩和自重效應(yīng)，又能以較低代價(jià)實(shí)現(xiàn)較大的跨越。理論上具有較好的可行性。

2 鋼—混組合箱梁剛構(gòu)方案

某橫跨涪江的鐵路單線橋，橋下河寬約170 m，橋高56 m，為通航控制，有砟鐵路，設(shè)計(jì)活載為“中—活載”。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌，研究提出了主跨 (96+206+73)鋼—混凝土組合連續(xù)剛構(gòu)方案。主跨跨中設(shè)置70 m長(zhǎng)的鋼箱節(jié)段，其余均采用混凝土材料。

混凝土梁體為單箱單室變高度變截面箱梁。主橋全長(zhǎng)377 m、箱寬8.0 m、頂板寬為8.5 m，箱梁跨中及邊跨梁端梁高為6.5 m，支點(diǎn)梁高為12.0 m。其間梁底按二次拋物線變化。頂板厚60 cm。底板厚50 cm～100 cm，腹板厚60 cm～120 cm。

混凝土主梁采用C55混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力采用19-15.2和17-15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線；頂板橫向預(yù)應(yīng)力筋采用4-15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線；豎向預(yù)應(yīng)力采用公稱直徑32 mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。體外預(yù)應(yīng)力采用27-15.2環(huán)氧噴涂無粘結(jié)鋼絞線，可調(diào)、可換型體外預(yù)應(yīng)力錨具。

中間節(jié)段的鋼箱梁采用Q370qD鋼材，截面為單箱雙室等高變截面。鋼箱梁主要由頂板、底板、腹板及各自的加勁肋組成。箱頂板寬度為8.5 m，鋼箱梁底板寬8.0 m，在鋼箱梁中設(shè)一道縱向隔板，以增強(qiáng)其整體剛度。外型幾何尺寸與混凝土箱梁保持一致，梁高6.5 m。頂板采用帶U形閉口肋的正交異性板結(jié)構(gòu)，厚度為32 mm，腹板為26 mm～28 mm，接頭2.5 m范圍內(nèi)為30 mm，底板厚度為24 mm～28 mm。橫隔板每隔4 m設(shè)置一道，每隔1 m設(shè)置一道次橫梁。頂板采用U形加勁肋，上口寬340 mm，下口寬180 mm，高320 mm，厚8 mm～10 mm。腹板和底板采用一字形加勁肋，其中腹板加勁肋厚度為20 mm，底板加勁肋厚度為24 mm，長(zhǎng)度均為280 mm。

箱體及節(jié)段間連接全部采用焊接，工地連接采用加勁肋栓接定位后再施焊，連接完成后拆除高強(qiáng)螺栓。

鋼—混凝土過渡段是本橋組合系統(tǒng)成立的關(guān)鍵部位。鋼箱混凝土現(xiàn)澆段長(zhǎng)度1.5 m，內(nèi)部澆筑混凝土。通過鋼箱梁頂板、腹板、底板、加勁肋板及其結(jié)合部位鋼板與混凝土的承壓進(jìn)行軸力傳遞；通過結(jié)合部位頂、底板的預(yù)應(yīng)力筋傳遞彎矩；通過鋼混接頭部位的開孔鋼板孔中的混凝土傳遞剪力。鋼—混凝土接頭混凝土區(qū)段長(zhǎng)12.0 m，由混凝土連接過渡段長(zhǎng)9.5 m和混凝土連接現(xiàn)澆段2.5 m組成；鋼—混凝土接頭鋼箱區(qū)段長(zhǎng)10.5 m，由鋼箱工地連接段2.5 m和鋼箱剛度過渡段8 m組成。

3 全橋有限元分析結(jié)果

對(duì)主橋利用MIDAS軟件建立了有限元分析模型，主要考慮了結(jié)構(gòu)自重、橋面恒載、活載、溫度荷載、風(fēng)荷載的不利組合。有限元模型如圖1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，混凝土主梁部分，運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載作用下最大正壓應(yīng)力16.1 MPa，最小壓應(yīng)力1.9 MPa；截面最大主壓應(yīng)力17.7 MPa，最大主拉應(yīng)力-1.24 MPa； 正截面強(qiáng)度為2.37，滿足規(guī)范[1]要求。

鋼箱梁部分在運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載作用下，鋼箱梁最大壓應(yīng)力145.7 MPa，最大拉應(yīng)力-51.5 MPa，滿足規(guī)范[2]要求。

靜活載所引起的中跨跨中最大豎向撓度0.079 m，撓跨比為1/2 607；在搖擺力、離心力和橫向風(fēng)力作用下的跨中橫向水平位移為0.029 m，撓跨比為1/7 103，均滿足規(guī)范[3]要求。

運(yùn)營(yíng)階段混凝土梁截面強(qiáng)度安全系數(shù)K>2.2(主力)和1.98(主力+附加力)，抗裂安全系數(shù)K>1.2(主力)和1.2(主力+附加力)，滿足規(guī)范[1]要求。

4 鋼箱梁節(jié)段分析結(jié)果

為進(jìn)一步了解中間70 m鋼箱梁節(jié)段的受力情況，又采用板單元建立了鋼箱梁節(jié)段模型進(jìn)行局部分析，如圖2所示。鋼梁段采用板單元建模，采用“厚板”單元，即考慮板的剪切變形。在整體分析中，由于剛混接頭段存在預(yù)應(yīng)力，引起剛度突變，位移隨之突變?？紤]結(jié)果對(duì)位移敏感，根據(jù)圣維南原理，取中間60 m的鋼梁段進(jìn)行分析。邊界條件采用端截面剛性連接+強(qiáng)制位移的形式實(shí)現(xiàn)。

最不利荷載組合，主力作用下頂板最大彎曲應(yīng)力125.3 MPa，最大von-mises應(yīng)力125.4 MPa；主力作用下底板最大彎曲應(yīng)力36.2 MPa，最大von-mises應(yīng)力41.0 MPa；溫度荷載引起的頂?shù)装鍛?yīng)力分別為-51.6 MPa，26.6 MPa；提取了跨中節(jié)段附近的應(yīng)力圖如圖3所示。

從圖3的應(yīng)力分布情況可以看出，鋼箱梁截面受力最不利位置主要分布于頂板區(qū)域，一是橫梁之間的跨中處，另一區(qū)域則是U形加勁肋板處。若進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)需對(duì)此兩處進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究和分析。

5 車橋耦合分析結(jié)果

列車對(duì)橋梁的動(dòng)力影響日益增強(qiáng)，其動(dòng)力作用引起橋梁上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生疲勞，降低其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而橋梁振動(dòng)過大可能會(huì)對(duì)橋上車輛的運(yùn)行安全和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

該橋?yàn)榇罂缍冗B續(xù)剛構(gòu)梁，且跨中區(qū)段70 m采用的鋼箱結(jié)構(gòu)，目前這種組合形式在公路橋上有重慶石板坡長(zhǎng)江大橋[4]，但是在鐵路橋上還沒有已經(jīng)實(shí)施的先例，設(shè)置鋼箱梁后的梁體剛度、平順性能否滿足鐵路列車的行車要求無法直觀判斷，因此有必要對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式的橋梁進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析。

應(yīng)用MSC軟件按橋梁尺寸建立列車、橋梁的空間振動(dòng)分析模型，連續(xù)箱梁體、鋼箱梁體，橋墩和樁基均采用梁?jiǎn)卧?，墩梁間支座采用主從約束方程處，模型如圖4所示。根據(jù)有關(guān)列車行車安全性與乘坐舒適性和平穩(wěn)運(yùn)行的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)剛—混組合連續(xù)剛構(gòu)方案進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析檢算。研究該橋在正常運(yùn)營(yíng)中是否有足夠的橫向剛度及良好的列車運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)性，為橋梁的合理設(shè)計(jì)提供支撐。

根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果得到了以下結(jié)論：

1)該橋的第一階橫向頻率0.743 Hz，主梁對(duì)稱橫彎；第一階豎向頻率1.105 Hz。振型為對(duì)稱豎彎。2)橋梁振動(dòng)加速度滿足垂向不大于0.35g和橫向不大于0.14g的要求，滿足行車安全要求。3)DF4+C62重貨以60 km/h～80 km/h速度通過時(shí)，跨中最大動(dòng)撓度值為58.416 mm，相應(yīng)撓跨比為1/3 526，沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象。4)各種車輛編組以各個(gè)速度通過時(shí)，輪重減載率均小于0.6，脫軌系數(shù)均小于0.8，輪軸橫向力小于限值，行車安全性滿足要求。5)采用美國(guó)六級(jí)譜轉(zhuǎn)換的時(shí)域不平順作為激勵(lì)源，SS8機(jī)車和雙層客車以140 km/h～160 km/h速度通過時(shí)，動(dòng)車豎向舒適度為優(yōu)，橫向舒適度為良，拖車各舒適度均為優(yōu)；車體加速度合格。6)采用美國(guó)五級(jí)譜轉(zhuǎn)換的時(shí)域不平順作為激勵(lì)源，DF4機(jī)車和C62重貨以車速70 km/h～80 km/h通過時(shí)，機(jī)車舒適度為良，重車平穩(wěn)性指標(biāo)也為良；車體加速度合格。

6 結(jié)語

本文結(jié)合探討了鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)箱梁在大跨鐵路橋梁上的應(yīng)用，并進(jìn)行了初步的分析和計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，混凝土主梁和鋼箱梁的應(yīng)力均能滿足要求，橋梁的車橋耦合動(dòng)力分析結(jié)果也表明此種結(jié)構(gòu)形式的橋梁，能夠滿足行車剛度、平順性、舒適度等要求。但是鑒于鐵路列車活載和公路橋梁荷載的不同，若要進(jìn)行方案的實(shí)施，建議對(duì)鋼—混凝土箱梁接頭區(qū)的疲勞性能、抗震性能設(shè)計(jì)及鋼箱梁就位合龍影響因素等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1] TB 10002.3-2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] TB 10002.2-2005,鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 鐵建設(shè)函[2005]285號(hào)文，時(shí)速200公路客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].

[4] 鄧文中，代 彤.重慶石板坡長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋總體設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè)，2006(6):28-32.

Application inquiry of steel-concrete composite continuous steel structure scheme in railway bridge

WANG Ye-fei1,2

(1.ChinaRailway2ndInstituteEngineeringGroupCo.,Ltd,Chengdu610031,China;2.ChinaRailway23rdBureauGroupCo.,Ltd,Chengdu610072,China)

Taking the crossing-Fu river railway bridge engineering as an example, the paper inquires the application of steel-concrete composite continuous steel structure scheme in large-span railway bridge, and testifies its feasibility by integrating with finite element analysis and vehicle-bridge coupling analysis, which can provide some guidance for similar railway bridge design.

steel-concrete composite box girder, continuous steel structure, railway bridge

1009-6825(2014)11-0214-03

2014-02-08

王業(yè)飛(1983- )，男，工程師

U448.13

A