無(wú)下加勁弦鋼桁梁柔性拱力學(xué)性能

嚴(yán)定國(guó)

無(wú)下加勁弦鋼桁梁柔性拱力學(xué)性能

嚴(yán)定國(guó)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

傳統(tǒng)的鋼桁梁柔性拱為提高結(jié)構(gòu)剛度，一般采用下加勁弦，主要適用于懸拼的施工方案；取消下加勁弦之后，可采用頂推的施工方案，降低縱斷面，減少工程總投資，其適用性更加廣闊，但其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能將產(chǎn)生一定的變化。論文以合肥樞紐南環(huán)線跨合寧高速115+230+115 m無(wú)下加勁弦鋼桁梁柔性拱為基礎(chǔ)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和帶拱頂推施工進(jìn)行研究，深入分析了該結(jié)構(gòu)整體及節(jié)點(diǎn)力學(xué)行為和車橋耦合振動(dòng)特性，探討了正交異性復(fù)合鋼橋面板首次在鐵路橋上的應(yīng)用成果。本橋不僅為國(guó)內(nèi)最大跨度無(wú)下加勁弦鋼桁梁柔性拱，而且率先于鐵路橋梁中使用復(fù)合鋼橋面板，并在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)“帶拱頂推，拱腳合龍”施工方案，對(duì)同類型橋梁設(shè)計(jì)施工具有較大的參考和推廣價(jià)值。

無(wú)下加筋鋼桁梁柔性拱； 加勁弦； 復(fù)合鋼橋面板； 帶拱頂推

1 工程概況

合肥樞紐南環(huán)線跨越合寧高速公路采用115 +230+115 m鋼桁梁柔性拱［1］，為國(guó)內(nèi)目前最大跨度的無(wú)下加勁弦鋼桁梁柔性拱，設(shè)計(jì)行車速度250 km/h，列車活載為ZK活載。

主橋兩片主桁，采用有豎桿N形三角桁式，橋面系由橋面板、縱肋和橫梁構(gòu)成。主桁中心距為15 m，桁高15 m，節(jié)間長(zhǎng)度為12.75 m，邊跨為9個(gè)節(jié)間，中跨為18個(gè)節(jié)間［2］；拱肋線形為圓曲線，拱肋高45 m，高跨比為1/5.1；支座中心距梁端1 m，橋全長(zhǎng)為461 m，主橋孔跨布置見(jiàn)圖1。

圖1 全橋立面布置/m

本橋線間距4.6 m，道砟槽內(nèi)寬9.0 m［3］，兩側(cè)人行道寬各1.35 m，見(jiàn)圖2。上平縱聯(lián)設(shè)置于上弦和拱肋，橫聯(lián)間隔兩個(gè)節(jié)段布置；吊桿不采用橫撐［4］。道砟范圍內(nèi)采用14+3 mm復(fù)合鋼板：3 mm厚的毛面不銹鋼復(fù)層321及14 mm厚的Q345qD橋梁結(jié)構(gòu)鋼基層，其余部分采用16 mm普通鋼板。

圖2 橋面布置/m

上弦、下弦、拱肋和吊桿采用箱形截面，截面內(nèi)高分別為1060、1260，1460～1860、1100 mm；截面內(nèi)寬850～1100 mm，其中拱肋和吊桿內(nèi)側(cè)寬度采用1100、800 mm，吊桿構(gòu)件最大板厚為16 mm，其余構(gòu)件板厚最大不超過(guò)48 mm。

上下弦間的腹桿采用H形截面和箱形截面兩種形式，與主桁節(jié)點(diǎn)分別采用插入式和拼接式連接。吊桿采用拼接式連接。

傳統(tǒng)的鋼桁梁柔性拱均設(shè)有下加勁弦，本橋因斜交角度小，如仍然設(shè)置下加勁弦，必然導(dǎo)致因侵占公路凈空而需加大主橋跨度，從而增加工程投資。此外考慮本橋頂推施工條件，及縮短工期，主橋取消下加勁弦。該橋是合肥樞紐南環(huán)線控制性工程，其跨度在同類型橋梁中居于首位，并在鐵路橋梁上首次采用正交異性［5］復(fù)合鋼橋面板。具有如下創(chuàng)新特點(diǎn)：

（1）取消下加勁弦后，中支點(diǎn)處主桁下弦大節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大，同時(shí)考慮大噸位的中支座局部受力要求，該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜（圖3）。

圖3 中支點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

（2）鋼橋面板首次采用不銹鋼復(fù)合鋼板，可利用不銹鋼良好的耐久性有效解決橋面的防腐問(wèn)題，減少原鋼橋面板與道砟槽處結(jié)合面的日常維修。

（3）合寧高速公路車流量較大，本橋首次采用帶拱多點(diǎn)頂推架設(shè)方案，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)母蓴_最小。橋梁全長(zhǎng)461 m，頂推重量達(dá)10746 t，在國(guó)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目中位于前列。

2 橋梁受力行為

2.1 柔性拱加勁效應(yīng)

為研究柔性拱在加勁過(guò)程中的分擔(dān)比例，采用有限元程序midas/civil，分別建立有加勁拱的鋼桁梁模型（圖4）及無(wú)加勁拱的鋼桁梁模型（圖5）進(jìn)行分析。主要計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖4 模型一：115+230+115 m鋼桁梁

圖5 模型二：115+230+115 m鋼桁梁柔性拱

表1 拱加勁效應(yīng)

從表1可知，鋼桁梁加勁拱后，結(jié)構(gòu)總體剛度［6］有顯著提高，由1/676提高至1/3285；中跨荷載通過(guò)吊桿傳遞給拱肋，拱肋再將吊桿荷載傳遞至支座，大大降低鋼桁梁承擔(dān)荷載的比例。拱肋加勁后，將主要桿件軸力降低了50%左右，大大增加了鋼桁梁的跨越能力。

2.2 有無(wú)下加勁弦動(dòng)力性能比較

傳統(tǒng)的鋼桁梁柔性拱一般設(shè)下加勁弦，考慮到本橋施工及降低縱斷面要求，取消下加勁弦。并對(duì)有無(wú)下加勁弦的動(dòng)力特性進(jìn)了比較分析。

根據(jù)計(jì)算得到的10階振型頻率和振型特征分析，取消下加勁弦后，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能差異較小，可通過(guò)進(jìn)一步的車橋耦合分析驗(yàn)證取消下加勁弦后行車的舒適性。

2.3 主桁桿件受力特性

主桁整體節(jié)點(diǎn)焊接的鋼材采用 Q370qD鋼［7］，其余鋼材采用Q345qD鋼，主桁自重系數(shù)取1.45，其它鋼結(jié)構(gòu)取1.0，二期恒載按178 kN/m計(jì)，整體升溫45℃，降溫30℃。主墩及邊墩基礎(chǔ)不均勻沉降按2 cm計(jì)。其余荷載按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》取值。

通過(guò)空間桿系計(jì)算模型對(duì)全橋的上下弦桿、斜腹桿、豎腹桿、吊桿、拱肋、橫梁、橫肋、縱肋、縱平聯(lián)和橫聯(lián)等桿件采用空間梁?jiǎn)卧M，考慮各個(gè)桿件的偏心，建立空間有限元模型（圖6）。鋼橋面采用復(fù)合鋼板，厚度為14+3 mm，計(jì)算時(shí)不考慮不銹鋼層的受力，但考慮其自重作用。

圖6 MIDAS空間有限元模型

計(jì)算結(jié)果顯示：

（1）主梁豎向撓跨比1/2148，橫向撓跨比1/7217，最大梁端轉(zhuǎn)角1.95‰。由于加勁拱的效應(yīng)，本梁縱橫向剛度均較好，滿足規(guī)范要求，表明本橋基本尺寸是合理的。

（2）主桁（含拱肋）桿件強(qiáng)度及穩(wěn)定［8］檢算荷載：恒載+二恒+基礎(chǔ)變位+雙線活載×沖擊系數(shù)；主桁（含拱肋）桿件疲勞檢算荷載：恒載+二恒+單線活載×杠桿分配系數(shù)×疲勞動(dòng)力系數(shù)×雙線修正系數(shù)，式中，沖擊系數(shù)取1.0；杠桿分配系數(shù)取0.8；雙線修正系數(shù)取1.19；疲勞動(dòng)力系數(shù)=1+18/（40+L），L為計(jì)算跨度。桿件強(qiáng)度最大計(jì)算應(yīng)力為171.6 MPa，穩(wěn)定最大計(jì)算應(yīng)力為189 MPa，疲勞最大計(jì)算應(yīng)力為110.3 MPa，均滿足規(guī)范要求。

2.4 橋面系受力特性

為了盡量反映實(shí)際受力情況，限于計(jì)算機(jī)硬件條件限制，本次研究取二個(gè)典型部位中支點(diǎn)及中跨中區(qū)域的鋼橋面體系進(jìn)行板單元模擬，然后導(dǎo)入全橋空間桿系模型對(duì)正交異性鋼橋面板進(jìn)行研究。圖7～9為混合有限元模型示意。局部細(xì)化部分下弦桿、U肋和板肋均用板單元模擬，整體模型下弦桿、U肋和板肋用梁?jiǎn)卧M，此兩部分的鏈接通過(guò)剛臂將梁?jiǎn)卧斯?jié)點(diǎn)與板單元部分截面節(jié)點(diǎn)相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)（剛性連接區(qū)域會(huì)引起局部失真，故查看板單元應(yīng)力時(shí)鈍化剛性連接附件的板單元）。

圖7 局部板單元模型位置示意

圖8 局部橫斷面

圖9 局部軸側(cè)圖

強(qiáng)度檢算荷載為：恒載+二恒+基礎(chǔ)變位+雙線活載×沖擊系數(shù)（橋面板沖擊系數(shù)）；疲勞檢算荷載為：恒載+二恒+基礎(chǔ)變位+單線活載×疲勞動(dòng)力系數(shù)（橋面疲勞動(dòng)力系數(shù)）+另外一線活載（80 kN/m）。

研究結(jié)果表明，中跨中區(qū)域的鋼橋面板和U肋強(qiáng)度應(yīng)力最大，分別為133.2、167.1 MPa。拱腳位置和中跨中區(qū)域的鋼橋面板最大疲勞應(yīng)力較為接近，為56 MPa。橋面板強(qiáng)度和疲勞應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

2.5 典型整體節(jié)點(diǎn)受力特性

整體節(jié)點(diǎn)即將節(jié)點(diǎn)板作為弦桿的一部分，其余桿件通過(guò)拼接的方式與整體節(jié)點(diǎn)連接［9］。本橋?yàn)闊o(wú)下加勁弦的鋼桁梁柔性拱，最為典型的整體節(jié)點(diǎn)為E9節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與有下加勁弦鋼桁梁柔性拱類似節(jié)點(diǎn)有較大差別，需承擔(dān)拱肋、下弦桿及腹桿傳遞的軸力，還需重點(diǎn)考慮在施工階段對(duì)鋼桁梁合龍施工所加的起頂力。

選取E9節(jié)點(diǎn)模型局部拼接范圍建立板單元模型，見(jiàn)圖10。采用循環(huán)網(wǎng)格法生成四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格單元尺寸控制為50 mm，細(xì)分系數(shù)1.0。單元總數(shù)為54568個(gè)。

圖10 E9節(jié)點(diǎn)局部模型網(wǎng)格劃分

將板單元模型導(dǎo)入到Midas Civil中，同整體計(jì)算的桿系模型整合。整合模型見(jiàn)圖11。強(qiáng)度及疲勞檢算荷載同主桁桿件檢算荷載組合一致。計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)縱、豎向正應(yīng)力云圖（圖12、13）。

圖11 整合模型E9節(jié)點(diǎn)細(xì)部

由圖12、13可知，節(jié)點(diǎn)板最大強(qiáng)度計(jì)算拉應(yīng)力為191.6 MPa，最大壓應(yīng)力281.9 MPa（端部承壓）。最大疲勞應(yīng)力為47.2 MPa。E9節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、疲勞應(yīng)力滿足要求。

圖12 節(jié)點(diǎn)板縱向正應(yīng)力云圖

圖13 節(jié)點(diǎn)板豎向正應(yīng)力云圖

2.6 車橋耦合振動(dòng)

運(yùn)用m法在樁周建立土彈簧模擬了樁-土共同作用，采用空間有限元方法建立其全橋動(dòng)力分析模型。表2列出了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，表3列出了國(guó)產(chǎn)300動(dòng)車組以160～300 km/h速度通行本橋的車輛響應(yīng)匯總。

由表2可知，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性良好；由表3可知，在國(guó)產(chǎn)300動(dòng)車組以速度160～300 km/h運(yùn)行，本橋車輛響應(yīng)值均滿足規(guī)范要求，列車運(yùn)營(yíng)安全性可靠。

表2 鋼桁梁柔性拱動(dòng)力特性

表3 列車類型及計(jì)算工況

3 復(fù)合鋼橋面板

3.1 爆炸焊接原理

鋼橋面作為主要的受力構(gòu)件，直接承受鐵路荷載，其耐久性要求更為突出。尤其在道砟槽和鋼橋面的連接面，會(huì)存在局部連接不密貼現(xiàn)象，容易產(chǎn)生積水，加劇橋面的銹蝕。同時(shí)結(jié)合面處的日常檢修和維護(hù)較困難，因此橋面成為整個(gè)結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。為解決橋面的防腐，本橋采用不銹鋼爆炸復(fù)合鋼板，利用不銹鋼良好耐腐蝕性來(lái)有效解決橋面的防腐問(wèn)題。爆炸焊接就是利用炸藥作為能源，使兩種或多種金屬結(jié)合成為一體的材料加工方法。在高壓作用下，兩種板材的表面就可以實(shí)現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合。爆炸焊接后的復(fù)合板經(jīng)過(guò)熱處理，其力學(xué)性能可恢復(fù)到基體母材的性能水平

3.2 復(fù)合材料的選擇

限于鐵路鋼橋的使用環(huán)境條件，復(fù)合鋼板的復(fù)層材料主要應(yīng)滿足耐腐蝕性、良好的加工適用性，同時(shí)也要考慮到經(jīng)濟(jì)性?？紤]到材料來(lái)源的方便性和價(jià)格因素，且不銹鋼類型較多，為確保主要性能，推薦321不銹鋼作為本橋整體橋面用復(fù)合鋼板的復(fù)層材料，基層采用Q345qD鋼。復(fù)合鋼板經(jīng)爆炸焊接后必須經(jīng)過(guò)消應(yīng)力熱處理，處理后的常規(guī)力學(xué)性能應(yīng)滿足表4的要求。

表4 321不銹鋼復(fù)合鋼板力學(xué)性能

3.3 復(fù)層厚度

有砟軌道對(duì)橋面板的壓力小于10 MPa，遠(yuǎn)低于鋼材強(qiáng)度容許值。故對(duì)復(fù)合鋼板來(lái)說(shuō)，既不會(huì)發(fā)生塑形變形，復(fù)層也不會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，因而磨損不是復(fù)層厚度的主要影響因素。

道砟間以及道砟與橋面板間不可避免存在縫隙，導(dǎo)致整個(gè)橋面系豎向存在氧濃度梯度，進(jìn)而產(chǎn)生有差異的電極電位。電極電位在潮濕的自然環(huán)境下，就會(huì)對(duì)復(fù)層鋼板復(fù)層產(chǎn)生電池腐蝕，故計(jì)算復(fù)層的厚度時(shí)，應(yīng)以電極腐蝕為主要計(jì)算依據(jù)。

保守估算，若以干濕變化環(huán)境按50%概率計(jì)算，復(fù)層厚度采用2 mm可滿足抗腐蝕要求?？紤]復(fù)合層表面需承受疲勞荷載，建議不銹鋼復(fù)層厚度最終采用3 mm設(shè)計(jì)，與橋梁主體結(jié)構(gòu)保持100年同等使用壽命。

4 施工方案

合寧高速公路車流量較大，交通運(yùn)輸繁忙，不可能封閉施工，在保證高速公路交通不受影響情況下安全施工是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析比較，采用“帶拱多點(diǎn)頂推、拱腳合龍”［11］施工架設(shè)方案，通過(guò)導(dǎo)梁、臨時(shí)輔助墩將鋼梁安全頂推至設(shè)計(jì)橋位（圖14）。頂推最大懸臂153 m，頂推重量達(dá)10746 t。

圖14 臨時(shí)輔助墩位置示意

圖14中，下部支撐結(jié)構(gòu)①～⑥號(hào)為拼裝支架，⑦、⑧號(hào)為臨時(shí)輔助墩，⑨、⑩號(hào)為墩旁托架。施工荷載按1.1 kN/m計(jì)，吊機(jī)荷載按1000 kN計(jì)。施工過(guò)程檢算主力工況（自重+施工荷載）和主+附工況（主力+溫度+橫向風(fēng)力）。結(jié)構(gòu)有限元模型按實(shí)際工況建立約束，模擬整個(gè)頂推過(guò)程，經(jīng)全過(guò)程施工階段分析研究，鋼桁梁及下部結(jié)構(gòu)各桿件應(yīng)力水平均滿足容許值要求，桿件控制應(yīng)力屬穩(wěn)定控制。各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明結(jié)構(gòu)安全，尺寸合理。

5 結(jié) 語(yǔ)

合肥樞紐南環(huán)線控制性工況115+230+115 m鋼桁梁柔性拱，為國(guó)內(nèi)目前最大跨度的無(wú)下加勁弦鋼桁梁柔性拱。大橋于2009年12月開(kāi)工建設(shè)，2013年4月落梁，2014年11月建成通車。本橋經(jīng)過(guò)大量的科研分析和技術(shù)攻關(guān)，合理地利用拱的加勁作用，提高了全橋剛度，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。本橋率先于鐵路橋梁中使用復(fù)合鋼橋面板、國(guó)內(nèi)首創(chuàng)“帶拱頂推，拱腳合龍”施工方案，對(duì)同類型橋梁設(shè)計(jì)施工具有較大的參考和推廣價(jià)值。

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M echanic Properties of Steel Truss Girder and Flexible Arch w ith no Bottom Stiffening Chords

YAN Ding-guo
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co Ltd，Wuhan 430063，China）

In order to increase the structural stiffness，bottom stiffening chords are used in the traditional steel truss girder and flexible arch that cantilever erection scheme ismainly adopted.After the cancellation of the bottom stiffening chords，the incremental launching construction scheme can be adopted，and the longitudinal section height and the total investment of the project are reduced，and the applicability of the structure ismore extensive，butthemechanical properties of the structure will produce some changes.Based on the Hefei hub south loop line overpass the Hening expressway（115 +230+115m）bridge of steel truss girder and flexible arch with no bottom stiffening chords，the structure design and the incremental launching scheme of the girderwith the arch are studied in this paper，the structuralmechanic behaviors of global and nodal and coupling vibration characteristics of vehicle-bridge are further analyzed，and orthotropic composite steel bridge deck，which was firstly applied on the railway bridges，is also discussed.The bridge hasmany innovations，not only for the longest span bridge of steel truss girder and flexible arch with no bottom stiffening chords，and takes the lead in the use of composite steel bridge deckin railway bridges，and“incremental launching scheme of the girderwith the arch，arch springing closure”construction scheme is the first domestic，the bridge has great reference value for the design and construction of the same type of bridge.

steel truss girder and flexible arch with no bottom stiffening chords；stiffening chords；composite steel bridge deck；incremental launching of the girder with the arch

U448.22+4

A

2095-0985（2016）04-0052-05

2015-12-27

2016-01-26

嚴(yán)定國(guó)（1979-），男，湖北荊州人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)闃蛄豪碚撆c工程實(shí)踐（Email：185212765@qq.com）