高速鐵路連續(xù)梁0號(hào)塊三角托架不同結(jié)構(gòu)體系的受力性能比較

汪 杭 州

(中鐵三局集團(tuán)第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

1 工程概況

某高速鐵路連續(xù)梁橋計(jì)算跨度為(40+64+40)m。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。箱梁頂寬12.2 m，中支點(diǎn)梁高為5.29 m，端支點(diǎn)及跨中梁高為2.89 m，頂板厚度34 cm～60 cm，底板厚度44 cm～100 cm。連續(xù)梁0號(hào)塊采用托架施工。0號(hào)塊梁段長(zhǎng)度為8.0 m，其中4.6 m支撐在橋墩上方，兩邊懸出部分長(zhǎng)1.7 m(托架支撐)。0號(hào)塊梁段梁高墩頂為5.29 m，0號(hào)塊懸臂端梁高為4.91 m。荷載由上到下通過(guò)10 mm鋼模板、12槽鋼桁架及雙拼36槽鋼橫向分配梁傳至三角托架上。雙拼36槽鋼橫向分配梁縱向間距為0.5 m；腹板下縱梁托架采用雙拼工字鋼，底板下縱梁托架采用單拼工字鋼，托架頂部為Ⅰ32a工字鋼，斜撐采用Ⅰ28a工字鋼，斜撐底預(yù)埋件采用Ⅰ32a工字鋼，總共有4道縱梁托架，托架布置間距為1.5 m,2.22 m，1.5 m；0號(hào)塊托架結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1,圖2。

2 荷載計(jì)算及荷載組合

根據(jù)文獻(xiàn)[1]～[3]確定相關(guān)荷載取值與荷載組合：

1)澆筑混凝土自重為26 kN/m3；

2)模板自重3.0 kN/m2；

3)施工荷載人員、材料及施工機(jī)具荷載：2.5 kN/m2；

4)振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載2.0 kN/m2；

5)混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生的沖擊荷載2.0 kN/m2。

計(jì)算強(qiáng)度時(shí)荷載組合：1.2×(1)+2))+1.4×(3)+4)+5))。

計(jì)算剛度時(shí)荷載組合：1)+2)。

3 雙拼36槽鋼受力分析及驗(yàn)算

橫向分配梁的縱向間距為50 cm，計(jì)算跨度為(3.49+1.5+2.22+1.5+3.49)m。橫向雙拼36槽鋼分配梁的力學(xué)計(jì)算模型采用連續(xù)梁，腹板、底板處荷載采用均布荷載的形式加載，翼緣板處荷載采用集中荷載的形式加載。有限元模型及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。

由上述計(jì)算結(jié)果可知：σ=57.7 MPa<205 MPa；τ=57.7 MPa<125 MPa；v=3.77 mm<(l/400)=8.73 mm雙拼36槽鋼的受力滿足規(guī)范受力要求。

4 托架受力分析及驗(yàn)算

4.1 強(qiáng)度和剛度驗(yàn)算

托架承受橫向分配梁傳遞的力，鉸接與焊接托架所承擔(dān)的荷載相同，強(qiáng)度、撓度以及穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖7～圖12。

焊接托架的應(yīng)力、撓度記為：σ1,τ1,v1。

鉸接托架的應(yīng)力、撓度記為：σ2,τ2,v2。

σ1=127.1 MPa<205 MPa,σ2=118.7 MPa<205 MPa。

τ1=84.3 MPa<125 MPa,τ2=67.6 MPa<125 MPa。

v1=0.8 mm<(l/400)=4.7 mm,

v2=1.3 mm<(l/400)=4.7 mm。

由計(jì)算結(jié)果可知：托架的受力滿足規(guī)范要求。

4.2 穩(wěn)定性驗(yàn)算

焊接與鉸接托架的斜桿軸力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖13，圖14。

斜撐采用雙拼28a工字鋼，在桁架平面內(nèi)A=111 cm2，φ=0.931。

對(duì)于焊接斜桿：斜撐軸力N=322.8 kN。

對(duì)于鉸接斜桿：斜撐軸力N=440.1 kN。

由驗(yàn)算結(jié)果可知，焊接與鉸接托架的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

5 鉸接與焊接托架受力性能對(duì)比

從正應(yīng)力、剪應(yīng)力、穩(wěn)定性及剛度四個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)三角托架不同連接方式的受力特性，同時(shí)定義結(jié)構(gòu)受力性能的變化率為：(鉸接結(jié)構(gòu)的反應(yīng)-焊接結(jié)構(gòu)的反應(yīng))/焊接結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。主要分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鉸接與焊接托架受力性能對(duì)比表

通過(guò)以上分析，鉸接與焊接托架的受力特征主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)在荷載及受力桿件幾何尺寸均相同的條件下，鉸接托架的正應(yīng)力與剪應(yīng)力小于焊接托架的，對(duì)于本文算例，分別減小了6.61%與19.81%。2)鉸接與焊接托架中水平桿最大正應(yīng)力的發(fā)生部位不同，焊接托架的最大正應(yīng)力發(fā)生在焊接部位，而鉸接托架的最大正應(yīng)力發(fā)生在桿件的中部區(qū)域。3)與焊接托架相比，鉸接托架的整體剛度有所降低，導(dǎo)致?lián)隙容^大，對(duì)于本文算例，撓度增大了62.50%。4)與焊接托架相比，由于邊界約束變?nèi)?，?dǎo)致鉸接托架的斜桿穩(wěn)定性降低了36.54%。

6 結(jié)語(yǔ)

以某高速鐵路(40+64+40)m連續(xù)梁0號(hào)塊托架為研究對(duì)象，研究了三角托架不同結(jié)構(gòu)體系的受力及變形特征。在準(zhǔn)確分析托架的整體受力及合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造的前提下，焊接與鉸接托架均可滿足工程的受力需求。從受力角度看，與焊接托架相比，鉸接托架的水平桿受力更為有利，尤其正應(yīng)力降低顯著，但斜桿的穩(wěn)定性有所降低。鉸接托架的整體剛度不如焊接托架。從施工角度看，鉸接托架因?yàn)殂q接構(gòu)造，更利于重復(fù)利用。通過(guò)綜合比較，本工程最終選擇了焊接托架結(jié)構(gòu)體系。目前該橋0號(hào)塊已施工完畢，且施工質(zhì)量良好，再次驗(yàn)證了本文計(jì)算結(jié)果的合理性與可靠性。