重載鐵路大跨度鋼桁梁橋面系選擇及分析

郭子煜

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

重載鐵路大跨度鋼桁梁橋面系選擇及分析

郭子煜

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

為選擇適合重載鐵路大跨度鋼桁梁的橋面系形式，Midas/Civil程序建立有限元空間模型，通過(guò)對(duì)山西中南部108m雙線下承式鋼桁梁兩種不同橋面系的理論計(jì)算分析和綜合比較，得出大跨度鋼桁梁橋面系選用密橫梁鋼橋面板體系，既回避了混凝土橋面板的裂縫控制難題，又減小了結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約了用鋼量，還增加施工過(guò)程的安全性。

重載鐵路;大跨度;下承式鋼桁梁;橋面系;混凝土橋面板;鋼橋面板

1 概述

山西中南部鐵路通道是國(guó)內(nèi)第一條軸重為30t以貨運(yùn)為主的大能力鐵路運(yùn)輸線。目前國(guó)內(nèi)對(duì)中活載、ZK活載下大跨度下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁橋面系的結(jié)構(gòu)形式及分析比較多，但對(duì)于重載下的大跨度簡(jiǎn)支鋼桁梁橋面系的結(jié)構(gòu)形式及分析較少。橋面系的設(shè)計(jì)對(duì)鋼桁梁整體剛度、結(jié)構(gòu)耐久性以及對(duì)行車安全和舒適十分重要［1］。實(shí)際的鋼桁梁設(shè)計(jì)中，使用較多的橋面結(jié)構(gòu)形式有如下3種:(1)縱橫梁混凝土橋面板體系;(2)密橫梁混凝土橋面板體系;(3)密橫梁鋼橋面板體系［6］。本橋?yàn)橹剌d下的大跨度鋼桁梁，如果采用第一種橋面形式，由于橫梁個(gè)數(shù)較少，使橫梁結(jié)構(gòu)高度較高，橫梁的面內(nèi)、面外組合應(yīng)力較高［2］，故第一種橋面形式不適用于本橋。本文以重載鐵路108m雙線下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁密布橫梁混凝土橋面板和鋼橋面板為研究對(duì)象，建立整體有限元模型，對(duì)鋼桁梁橋面系兩種不同形式進(jìn)行計(jì)算分析，得出兩種橋面形式對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)參數(shù)

2.1 活載標(biāo)準(zhǔn)

(1)活載:1.2倍ZH－活載。詳見(jiàn)圖1。

(2)動(dòng)力系數(shù)、牽引力和制動(dòng)力系數(shù)仍按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)公式采用。

圖1 1.2倍ZH－活載圖示(單位:m)

(3)離心力仍采用《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)中的4.3.6條計(jì)算。但離心力的作用位置取軌頂以上2.2m。

(4)橫向搖擺力、脫軌荷載的計(jì)算原則按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)采用，荷載取值提高20%。

(5)二期恒載(道砟、線路設(shè)備、軌枕):

直線:146.8 kN/m·雙線

(6)設(shè)計(jì)速度:120 km/h(貨車)。

(7)結(jié)構(gòu)形式:采用平弦無(wú)豎桿華倫式三角桁架;密布橫梁體系;無(wú)下平聯(lián);“X”形上平聯(lián);采用桁式橋門架及橫聯(lián);主桁上、下弦均采用箱形桿件;腹桿除部分桿件受力需要采用箱形桿件外，其余均采用H形桿件。

(8)鋼材:鋼梁主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)除橋門架、橫聯(lián)、上平縱聯(lián)采用Q345qE外，其余均采用Q370qE鋼，附屬工程采用Q235C，Q370板厚不超過(guò)46mm。

鋼筋:HRB335。

混凝土:C50。

高強(qiáng)度螺栓:主桁采用M30高強(qiáng)螺栓，橋面系均采用M24高強(qiáng)螺栓。

剪力釘:φ22×180mm。

(9)溫度

最低設(shè)計(jì)溫度按－30℃，最高設(shè)計(jì)溫度按+45℃，鋼梁與混凝土溫差按±15℃考慮，日照引起的鋼梁局部升溫按30℃考慮。

3 主桁和橋面構(gòu)造形式

主桁類型為下承式道砟橋面簡(jiǎn)支鋼桁梁，桁式為平行弦無(wú)豎桿三角桁架(圖2)。主桁共9個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間12m，計(jì)算跨度108.0m，全長(zhǎng)109.5 m，桁高14.5m，橫橋向支座中心距為12.8m。橋面系除在下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置1道節(jié)點(diǎn)橫梁外，每個(gè)節(jié)間再設(shè)置3道橫梁，不設(shè)下平聯(lián)。

3.1 密橫梁混凝土橋面板體系

密橫梁混凝土橋面板結(jié)構(gòu)不設(shè)縱梁，混凝土橋面板通過(guò)剪力釘與橫梁連接，橋面板不與主桁相連，橫梁與主桁下弦栓接將橋面荷載通過(guò)橫梁直接傳遞到主桁上［2］。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 主桁輪廓立面(單位:mm)

圖3 密橫梁混凝土橋面板結(jié)構(gòu)(單位:mm)

3.2 密橫梁鋼橋面板體系

由于橋面位于桁梁的受拉區(qū)，隨著橋梁跨度的增加，橋面越長(zhǎng)，混凝土橋面板所受拉力越大，混凝土橋面板設(shè)計(jì)難度增大。密橫梁鋼橋面板體系與密橫梁混凝土橋面板體系結(jié)構(gòu)相似，只不過(guò)是把混凝土改為鋼板。鋼橋面板下有U肋及豎肋加強(qiáng)。鋼橋面板與橫梁上翼緣形成一個(gè)整體，橋面板與主桁焊接，橫梁豎板和下翼緣與主桁下弦桿栓接。這樣，橋面板與主桁形成一個(gè)整體，參與整體受力。鋼橋面板不存在混凝土橋面板的收縮徐變問(wèn)題，而且溫度伸縮系數(shù)與主桁一致，橫梁面外彎曲效應(yīng)有所減弱。鋼橋面板可以分擔(dān)下弦桿的一部分拉力，可以減小下弦桿的截面尺寸。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 密橫梁鋼面板結(jié)構(gòu)(單位:mm)

4 不同橋面系構(gòu)造的計(jì)算分析比較

4.1 有限元模型

采用Midas/Civil程序建立有限元空間模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。分別建立了密橫梁混凝土橋面板和密橫梁鋼橋面板兩種結(jié)構(gòu)形式的空間有限元模型。密橫梁混凝土橋面板體系模型需建立純鋼結(jié)構(gòu)和鋼混組合結(jié)構(gòu)兩種模型，一期恒載由純鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)承受，二期恒載和活載由組合結(jié)構(gòu)承受分兩次計(jì)算，同時(shí)在組合結(jié)構(gòu)模型下分別計(jì)算混凝土收縮，升降溫對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，并按最不利影響進(jìn)行組合。密橫梁鋼橋面板體系模型相對(duì)簡(jiǎn)單，只需建立1個(gè)模型。整體計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 整體結(jié)構(gòu)模型

主桁桿件采用空間梁?jiǎn)卧?，混凝土板和鋼橋面板采用空間板單元，橫梁及平聯(lián)采用空間梁?jiǎn)卧?。按平截面假定考慮主桁下弦桿，橫梁和混凝土板或鋼板的偏心、鋼與混凝土板之間的滑移不考慮。主桁各桿件之間、橫梁與主桁下弦之間、上平聯(lián)與主桁上弦之間都按剛結(jié)處理，并考慮偏心。

設(shè)計(jì)荷載

(1)密橫梁混凝土橋面板體系

一期恒載(D1)340 kN/m;

二期恒載(D2)146 kN/m;

鋼材的彈性模量取值2.1×105MPa;

混凝土彈性模量取值

二期恒載1.4×104MPa(n=15);

活載2.1×104MPa(n=10);

混凝土收縮徐變1×104MPa(n=21);

混凝土升降溫1.5×104MPa(n=14);

n為計(jì)算溫度變化影響時(shí)鋼與混凝土的彈性模量比值。

(2)密橫梁鋼橋面板體系

恒載320 kN/m。

4.2 兩種方案對(duì)比分析

(1)兩種橋面系比較

表1是在主桁及橫梁截面相同時(shí)兩種橋面系的比較?；炷翗蛎姘宓母叨葹?00mm，鋼橋面的鋼板厚度為16mm。

從表1中可以看出，兩種橋面系下的橫梁應(yīng)力都滿足要求。但是由于鋼梁跨度太大，混凝土橋面板與鋼梁共同受力時(shí)，由于混凝土的收縮徐變，鋼與混凝土的升降溫不均，導(dǎo)致混凝土橋面板內(nèi)力過(guò)大，必須每米使用15根φ25mm的鋼筋，混凝土板的裂縫才能滿足要求，而此時(shí)鋼筋的應(yīng)力還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到規(guī)范限值，而鋼橋面板各部分最大應(yīng)力均滿足要求。

(2)兩種橋面系下主桁應(yīng)力、撓度、用鋼量比較

表2針對(duì)了兩種橋面系下主桁應(yīng)力、撓度、用鋼量進(jìn)行了兩種比較:①當(dāng)鋼橋面板的主桁與混凝土橋面板的主桁截面相同且混凝土橋面板的主桁應(yīng)力最大時(shí)(同截面)，兩種橋面系的主桁應(yīng)力;②當(dāng)正交異性鋼橋面板的主桁應(yīng)力與混凝土橋面板的主桁應(yīng)力基本接近時(shí)(同應(yīng)力)，計(jì)算出兩種橋面系方案的全橋用鋼量。

表1 兩種橋面系比較

兩種情況下的比較可以看出，主桁截面相同，由于混凝土橋面板自重大，導(dǎo)致其達(dá)到應(yīng)力極限時(shí)，鋼橋面板的主桁應(yīng)力還有不少余量。為使鋼橋面板主桁應(yīng)力達(dá)到限值，可以將其主桁截面板厚減小，以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。

5 結(jié)論

(1)大跨度重載鐵路鋼桁梁若采用密橫梁混凝土橋面板體系，為了滿足混凝土橋面裂縫的要求，需要混凝土板的截面高度在300mm以上，從而導(dǎo)致鋼梁本身自重增大，主桁截面尺寸增加。

(2)大跨度鋼桁梁主要應(yīng)用于跨越公路或者既有鐵路，若采用密橫梁混凝土橋面板體系，鋼梁在架設(shè)完成后，還需要在既有線上方進(jìn)行混凝土的現(xiàn)澆施工影響橋下通車安全，而正交異性鋼橋面板體系全部為工廠制造，增加施工的安全性。

大跨度鋼桁梁橋面系選用密橫梁鋼橋面板體系，既回避了混凝土橋面板的裂縫控制難題，又減小了結(jié)構(gòu)自重，節(jié)省了用鋼量，還增加了施工過(guò)程的安全性，建議在大跨度鋼桁梁上推廣使用。

表2 兩種橋面系下主桁應(yīng)力、撓度及用鋼量比較 MPa

［1］徐勇，戴曉春．高速鐵路96m鋼桁梁橋面系結(jié)構(gòu)形式比較研究［J］．鐵道勘察，2007(S):24－27．

［2］高靜青．雙線下承式鋼桁結(jié)合梁橋面系構(gòu)造研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(5):73－75．

［3］葉梅新，楊斐，陳佳，侯杰平．106m下承式鋼桁結(jié)合梁橋面系結(jié)合形式的比較研究［J］．中國(guó)西部科技，2008(35):1－2．

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［6］李鳳琴，何偉，楊欣然．鋼桁結(jié)合梁橋面系構(gòu)造設(shè)計(jì)研究［J］．鐵道勘察，2007(S):20－23．

［7］鐵道部大橋工程局．孫口黃河大橋技術(shù)總結(jié)［M］．北京:科學(xué)出版社，1997．

［8］運(yùn)輸省鐵道局．鐵路結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及解說(shuō)鋼橋、結(jié)合梁橋［M］．日本:丸善株式會(huì)社，2003．

［9］李富文，伏魁先，劉學(xué)信．鋼橋［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2002．

Selection and Analysis on Bridge Deck System of Large-span Steel Truss Girder on Heavy-Haul Railway

GUO Zi-yu

(China Railway Engineering Consulting Group Co．，Ltd．，Beijing 100055，China)

To select a bridge deck system suitable for large-span steel truss girder on a heavy-haul railway，the software Midas/Civilwas employed to establish spatial finite elementmodel．After theoretical calculation and analysis as well as comprehensive comparison of two different bridge deck systems for a 108m double-track through-type steel truss girder on the Middle and Southern Shanxi Railway，the paper came to a conclusion that the steel deck with dense transverse beam should be used as the bridge deck system of this large-span steel truss girder，because it not only can avoid the cracking control problem in concrete deck system，but also can reduce structure's dead load，decrease the whole steel consumption，and enhance the safety of construction．

heavy-haul railway;large-span;through-type steel truss girder;bridge deck system;concrete deck of bridge;steel deck of bridge

U443.32

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．021

1004－2954(2014)03－0090－04

2013－07－01;

2013－08－08

郭子煜(1984—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:398692969@qq。