铁路桥梁钢管混凝土结构体系参数研究
2013-05-30李国强徐升桥
李国强，徐升桥
(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京 100055)
1 概述
目前钢管混凝土结构在我国铁路桥梁建设中已得到大量的应用，与建筑结构相比桥梁结构具有跨度大、承受活载的特点。叠加法符合桥梁工程师的设计习惯，可较好地反映大跨度钢管混凝土拱桥施工和运营过程钢管、混凝土应力变化以及结构位移变化的情况，便于设计者开展总体性桥梁结构分析，确保工程的使用与安全性能。
进行铁路钢管混凝土桥梁的结构分析时，结构安全系数与容许应力的取值以及钢管内混凝土收缩、徐变参数的确定，是钢管混凝土结构桥梁设计的关键问题，对保证铁路桥梁钢管混凝土结构的正常使用与结构安全具有十分重要意义。
有关符号:
fs—钢的屈服强度;
fc—混凝土的标准强度;
［σs］—钢材轴向容许应力;
As—钢截面积;
Ac—混凝土截面积;
Φ—轴心受压稳定系数;
N—计算轴向力;
M—计算弯矩;
NU—轴压承载力;
C2—钢管混凝土轴心强度计算系数［1］;
a、b、c、d、η0—钢管混凝土压弯强度计算系数［2，3］。
2 结构安全系数与容许应力
对时速250 km客运专线铁路有砟轨道双线简支组合拱设计图(专桥(2010)0227-Ⅳ)和大瑞铁路澜沧江特大桥［4］建立空间有限元分析模型，考虑施工过程钢管、管内混凝土单元应力的逐步累加，以及混凝土收缩徐变的影响，进行结构安全系数与容许应力的取值计算分析。
2.1 专桥(2010)0227-Ⅳ
时速250 km客运专线铁路有砟轨道双线简支组合拱(专桥(2010)0227-Ⅳ)为钢管混凝土拱肋与混凝土主梁构成的组合桥梁结构，主梁长122 m，计算跨度118 m。主拱拱肋为钢管混凝土平行拱，拱轴线采用二次抛物线，矢高 23.6 m，矢跨比 1/5。拱肋采用Q345q钢、哑铃形截面的钢管混凝土，截面由2根钢管及连接腹板组成，截面全高 3.2 m，钢管直径 1.2 m、壁厚32 mm(拱脚段 36 mm)，腹板厚 16 mm，管内灌注C50自密实混凝土。如图1所示。
图1 钢管混凝土拱肋截面(单位:mm)
(1)拱肋组合应力
主力组合作用下，钢管最大应力171.4 MPa、最小应力137.6 MPa(受压)，混凝土最大压应力7.6 MPa;
主+附组合作用下，钢管最大应力171.4 MPa、最小应力 128.4 MPa(受压)，混凝土最大压应力7.6 MPa。
(2)拱肋强度
轴心受压构件的强度按下式计算
压弯构件的强度应按下式计算
拱肋截面强度计算结果见图2～图5。
图2 主力工况轴压强度安全系数
图4 主+附工况轴压强度安全系数
图5 主+附工况拱肋强度综合系数
2.2 大瑞铁路澜沧江特大桥
大瑞铁路澜沧江特大桥［4］为主跨363 m上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥，拱肋劲性骨架采用Q345q钢的4管式桁架，弦杆钢管外径1.0 m，壁厚根据受力部位的不同分为 26、36、42、46 mm，管内灌注 C60 混凝土。
由于恒载比例大，本桥为主力组合工况控制设计。
(1)拱脚截面
主力组合下计算轴力N=41 880 kN，截面承载力Nu=85 756 kN。
安全系数 K=85 756/41 880=2.05。
相应的钢管应力 σs=238 MPa，混凝土应力 σc=13.9 MPa。
(2)拱顶截面
主力组合下计算轴力N=39 691 kN，截面承载力Nu=87 742 kN。
安全系数 K=87 742/39 691=2.21。
相应的钢管应力 σs=221 MPa，混凝土计算应力σc=14.3 MPa。
3 混凝土收缩
钢管内混凝土的纵向收缩，将在截面上产生收缩自应力，对于钢管是压应力，对于混凝土则是拉应力。
3.1 计算方法
按以下3种计算条件，对时速250 km客运专线铁路有砟轨道双线简支组合拱(专桥(2010)0227-Ⅳ)进行比较计算:
(1)不计管内混凝土收缩;
(2)参照混凝土梁“桥规”［5］的计算方法，收缩应变终极值取0.00011;
(3)管内混凝土收缩按混凝土降温10℃计算。
图6为采用 MIDAS/Civil建立的空间有限元模型，主梁、拱肋、横撑均采用梁单元模拟;拱肋单元为哑铃型截面，采用施工阶段联合截面来模拟钢管和管内混凝土的相互作用。模型共包括291个节点和339个单元，分析模型如图6所示。
图6 空间有限元模型
3.2 计算结果(表1)
表1 拱肋恒载轴力 kN
从表1可知，混凝土收缩按管内混凝土降温10℃计算与按“桥规”方法计算，计算结果较为接近。
考虑管内混凝土收缩，钢管轴力增加约14.6% ～18.1%，混凝土轴力减小 18.1% ～22.2%，混凝土收缩效应不可忽视。
4 混凝土徐变
混凝土徐变使组合截面中钢管分担的内力增加，管内混凝土分担的内力减小。目前的铁路钢管混凝土拱桥设计，徐变计算多参照混凝土桥梁的计算方法。
4.1 计算方法
按以下3种计算条件，进行比较计算:
(1)不计钢管内混凝土的徐变;
(2)灌注钢管内混凝土10 d后张拉吊杆，参照混凝土梁“桥规”［5］的计算方法，钢管内混凝土徐变终极系数取 1.7;
(3)钢管内混凝土徐变终极系数取2.0。计算模型见图6。
4.2 计算结果
以上3种计算方法得到的结构内力见表2。考虑钢管内混凝土徐变，钢管内力增加、混凝土内力减小:徐变系数取1.7，钢管轴力增加约41.8%，混凝土轴力减小约 51.5%;徐变系数取 2.0，钢管轴力增加约47.7%，混凝土轴力减小约58.3%。
表2 拱肋恒载轴力 kN
5 刚度参数
钢管混凝土拱肋刚度的取值对结构的静动力计算结果有一定影响［6］，徐升桥［1］通过统一理论导出了叠加法公式的轴压刚度、弯曲刚度计算系数ηA、ηI，可较好地满足铁路钢管混凝土结构的设计计算需要。
5.1 计算方法
采用常规方法计算钢管混凝土结构的徐变效应时，钢管单元、混凝土单元的轴压刚度、抗弯刚度分别取:EsAs、ηAEcAc;EsIs、ηIEcIc。
时速250 km客运专线铁路有砟轨道双线简支组合拱(专桥(2010)0227-Ⅳ)拱肋标准段含钢率 α为0.116，根据文献［1］有关数据:ηA=1.02，ηI=0.46。
5.2 计算结果
不同刚度计算参数条件，恒、活载作用下的结构内力分别见表3、表4。
表3 拱肋恒载内力
表4 拱肋活载内力
考虑刚度计算参数，恒、活载作用下，钢管与混凝土分担的内力变化不大:钢管轴力略有减小、混凝土轴力略有增加。
6 结语
对于铁路桥梁钢管混凝土结构，结构安全系数K和钢管内混凝土收缩徐变系数、刚度计算参数的取值，是结构分析与设计的关键参数。
6.1 结构安全系数
从以上两类实桥的计算结果可以看出，钢管混凝土构件的钢管应力在各种荷载组合(不含地震力)下均不大于1.25［σs］，相应主力工况下的安全系数K不小于2.0，因此结构的强度安全系数K可按下式取值:
主力 K≥2.0;
主力+附加力 K≥1.8。
6.2 混凝土收缩、徐变
钢管混凝土结构的混凝土收缩值较普通钢筋混凝土结构要小，混凝土收缩产生的内力可按混凝土降温10℃计算;钢管混凝土拱桥主拱拱肋截面应力计算必须考虑混凝土徐变的影响，钢管内混凝土的徐变系数终极值 φ(t∞，τ)可取为 1.8 ～2.0。
6.3 刚度
采用常规方法计算钢管混凝土结构的徐变效应、动力特性和活载效应时，钢管和混凝土单元的轴压刚度、抗弯刚度分别取 EsAs、ηAEcAc;EsIs、ηIEcIc;考虑混凝土徐变和长期疲劳效应，计算钢管混凝土结构成桥阶段的结构稳定性时，钢管和混凝土单元的轴压刚度、抗弯刚度分别取 EsAs、0.5ηAEcAc;EsIs、0.5ηIEcIc。
［1］徐升桥.铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究［J］.铁道标准设计，2011(3):52-55。
［2］中铁工程设计咨询集团有限公司.铁路桥梁钢管混凝土结构技术规程［R］.北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2011.
［3］韩林海.钢管混凝土结构—理论与实践［M］.2版.北京:科学出版社，2007.
［4］徐升桥.铁路桥梁罕遇地震设计研究［J］.铁道工程学报，2008(S):158-164.
［5］TB10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.
［6］韦建刚，陈宝春.钢管混凝土拱桥拱肋刚度设计取值分析［J］.交通运输工程学报，2008，8(2):34-39.
