重载铁路48 m下承式钢桁梁结构形式优化研究

2015-03-16赵博

铁道勘察 2015年2期

关键词：桁梁横梁桥面

赵　博

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

Structural form Optimization for a 48m span through Steel Truss Beam on Heavy Haul Railway

ZHAO Bo

重载铁路48 m下承式钢桁梁结构形式优化研究

赵博

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Structural form Optimization for a 48m span through Steel Truss Beam on Heavy Haul Railway

ZHAO Bo

摘要以蒙华铁路通道48 m单线下承式钢桁结合梁为例，采用有限元方法对不同节间距及不同横梁间距的两种设计方案进行计算分析和综合比较，得出最优方案。研究结果表明：在结构高度受控时可加大节间距并加密横梁，横梁数量增加后可减小混凝土板的截面尺寸，降低结构自重，可有效改善结构整体受力性能，节省建筑材料用量。

关键词重载铁路下承式钢桁梁节间划分有限元混凝土桥面板

1工程概况

蒙华铁路通道是目前在建最长的重载铁路通道，其轴重为30 t，在南段上行联络线LSDK1156+842处上跨焦柳线。此处受平面线位和高程共同控制，桥梁结构高度轨顶到梁底不能超过1.9 m，设计采用48 m单线下承式钢桁梁跨越。主桁采用有竖杆平行弦华伦式三角桁架，两片主桁中心距为7.6 m，桁高9.5 m，桥梁全长49.1 m，计算跨度为48 m。以主桁间距和桥面系结构的合理选择为出发点，对不同设计方案进行计算分析和比较，力求达到结构简单、经济美观的目的。

2设计参数

(1)设计速度

客车120 km/h，货车120 km/h。

(2)恒载

结构构件自重按照《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)采用；二期恒载包括钢轨、道砟、轨枕、防水层、保护层、人行道栏杆、挡砟墙、竖墙等附属设施重量，合计按95 kN/m计算。

(3)列车活载

采用中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)，荷载图式见图1。

图1　中-活载(2005)ZH标准(z=1.2)荷载(单位：m)

(4)动力系数、牵引力和制动力、风力等

原则按照《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)采用[1]，但横向摇摆力荷载取值提高20%。

(5)温度荷载

按架设温度20 ℃，整体升温30 ℃，整体降温-40 ℃计算。

(6)杆件截面形式

主桁上下弦杆、端腹杆采用箱形截面，其余腹杆和竖杆、上平联采用H形截面，采用板式桥门架和横联。

(7)结构材料

钢材：钢梁主体结构均采用Q345qD级钢，附属工程采用Q345C级钢，检查设备采用Q235-B.Z；

混凝土：C50；

钢筋：HRB400；

高强度螺栓：M24高强度螺栓；

剪力钉：φ22圆柱头焊钉，焊钉材料为ML15。

3不同方案构造形式

钢桁梁桥面系结构形式主要有明桥面、正交异性板钢桥面、纵横梁或密布横梁结合桥面。鉴于已建成的钢桥运营时出现的问题，明桥面已较少选用[2]。正交异形板钢桥面和纵横梁或密布横梁结合桥面其实都可以归结为板-格子梁体系，在国内外铁路钢桁梁设计中均有采用[3]。如主跨336 m的南京大胜关钢桁拱[4]、主跨1 092 m的沪通钢桁梁斜拉桥等大跨度钢桁梁采用正交异形板钢桥面体系；京津城际改京山跨二环线96 m钢桁梁采用纵横梁结合桥面；福厦铁路64 m、80 m等中小跨度简支钢桁梁采用密布横梁结合桥面。

受线路平面和高程控制，本桥建筑高度受限，同时考虑本桥所受活载为重载，如选用纵横梁结合桥面，横梁个数减小且荷载较大会造成横梁结构高度增加，不宜采用；而正交异性板钢桥面多用于大跨度，用钢量较大，不适合本桥。因此，桥面系结构形式选用密布横梁混凝土板结合梁桥面。

主桁节间长，则腹杆少，桥面系结构尺寸增大，节间短，则腹杆增多，桥面系结构尺寸减小，两者都会增加用钢量[5]。横梁间距增大可减少用钢量，但是混凝土桥面板厚度会相应增加，造成建筑高度增加。在确定桥面系结构形式后，分别选取6 m和8.10 m的节间长度进行对比分析，两种方案的横梁间距分别为3 m和2.67 m，混凝土板厚度分别为0.3 m和0.27 m。两种方案平立面和断面图如图2和图3所示。

图2　2种方案布置(单位：m)

图3　2种方案横断面(单位：m)

方案1：主桁节间距采用6 m，横梁间距3 m，不设纵梁，节点和节间横梁均采用“I” 形，下弦杆和横梁高度为0.8 m，混凝土桥面板厚0.3 m，横梁上翼缘上焊有剪力钉与混凝土桥面板连接。

方案2：主桁节间距采用8.01 m，横梁间距2.67 m，不设纵梁，节点和节间横梁均采用“I”形，下弦杆和横梁高度为0.8 m，混凝土桥面板厚0.27 m，横梁上翼缘上焊有剪力钉与混凝土桥面板连接。

4建立有限元模型

每个方案均建立2个有限元模型。其中一期恒载由纯钢结构模型单独承受，二期恒载、活载和附加力都由钢混组合结构模型承受。将计算所得的位移和应力分别进行叠加，得到各种荷载组合作用下的总位移和总应力。

采用有限元软件Midas/Civil建立空间模型。主桁杆件、横梁、平联均采用空间梁单元，混凝土板和整体桥门架采用板单元模拟。在钢与混凝土板结合区域，不考虑两者之间的滑移，边界条件按照实际情况施加，全桥有限元模型见图4和图5。

图4　方案1全桥有限元模型

图5　方案2全桥有限元模型

5计算结果与分析

5.1　梁体变形及结构自振特性

刚度计算没有考虑混凝土桥面板产生裂缝引起的刚度折减，梁体变形及结构自振特性见表1。

由表1可以看出，两种方案的挠跨比、梁端转角、自振频率均满足规范要求，虽然方案2节间距大于方案1，桥面板厚度小于方案1，但是方案2横梁间距小，两个方案主桁宽度和高度均相同，方案2整体刚度仅略小于方案1。需要说明的是：由于混凝土桥面板位于主桁下弦受拉区，在二期恒载、列车活载、温度变化、混凝土收缩等工况下，由于桥面系的共同作用，桥面板将承受很大的拉力，桥面板在拉力的反复作用下肯定会产生裂缝，结构的整体刚度会有所降低。

表1　梁体变形和结构自振特性

5.2　主桁构件受力

采用混凝土桥面板时主桁杆件的受力状态与结构的施工顺序关系较大[6]，为了尽量减少恒载、混凝土收缩作用下横梁的面外弯曲和混凝土桥面板的受拉问题，一般施工时均按照以下顺序进行：①架设钢梁；②拆掉支架；③灌筑混凝土桥面板。计算时两种方案均按照该施工顺序进行。

在主力作用下两种方案弦杆轴力的对比结果分别见图6，图7。可见，方案2的下弦杆轴力较方案1增大约10%，上弦杆轴力梁端较方案1减小约10%，跨中处较方案2增大约16%。主要原因是桥面板厚度减小后与主桁共同作用参与受力的能力减小，下弦杆轴力有所增大，方案2节间长度增加后上弦杆长度减小，所受轴力介于方案1梁端和跨中之间。

图6　下弦杆轴力对比曲线

图7　上弦杆轴力对比曲线

表2列出了主桁各构件和横梁的强度、总稳定性及疲劳应力情况。由表2可知，在主力工况作用下，各构件的强度、稳定性及疲劳均满足规范要求，方案1下弦杆和横梁应力水平小于方案2，上弦杆应力水平略大于方案2，腹杆应力水平两个方案基本一致。

表2　主桁杆件和横梁应力情况

5.3　混凝土板受力情况对比

两种方案均采用密布横梁混凝土结合体系，混凝土板通过剪力钉与横梁结合，由于共同作用，在荷载作用下参与主桁整体受力。混凝土板顺桥向不施加预应力，容许开裂，采用高配筋的方式控制混凝土裂缝宽度[7-9]。

混凝土板计算时未计入钢筋的作用，方案1混凝土板最大拉应力为5.5 MPa，方案2最大混凝土板最大拉应力为5.9 MPa，两个方案相差不大，方案1略小，主要因为方案1混凝土截面较大，计算钢筋应力和混凝土裂缝宽度时将混凝土板简化为支撑在横梁上的连续板结构(见表3)。可以看出，在不同工况作用下，两种方案的混凝土板裂缝和钢筋应力均满足规范要求，虽然方案1混凝土板所受轴力小于方案2，但是钢筋应力和裂缝宽度较方案2的大，主要原因是因为方案2横梁间距小后，相应混凝土板的跨度减小，钢筋应力和裂缝宽度均有所减小。

表3　钢筋应力桥面板轴力和裂缝宽度结果汇总

5.4　经济性分析

表4列出了方案1和方案2的结构指标，从中可以看出，方案2在减小了结构高度的情况下用钢量和钢筋混凝土用量均有所减小，分别减小了13%和11%，达到了结构简单，经济节省的目的，具有显著的经济效益。

表4　结构指标汇总

6结束语

本桥为48 m重载铁路钢桁结合梁，在中小跨度采用密布横梁混凝土桥面板的方案是合适的，具有横向刚度大、建筑高度低等优点，较传统的钢桁梁取消了下平纵联，施工更为简便。考虑混凝土板参与主桁共同受力可以降低下弦杆的截面。方案1和方案2桥梁刚度、强度和混凝土板受力等都能满足相关规范要求，方案2在方案1基础上加大节间距并加密横梁，横梁数量增加后减小了混凝土板的截面尺寸，改善了混凝土板受力，优化了结构高度，桥面板整体受力性能优于方案1，桥面板厚度减小后结构自重随之减小，提高了结构的整体受力性能。通过合理的选择节间距和横梁间距，方案2可有效节省材料用量，具有显著的经济效益。

参考文献

[1]中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京:中国铁道出版社，2005

[2]彭岚平，徐升桥，高静青.钢桁梁有碴桥面结构设计研究[J].铁道勘察，2007(S)

[3]徐勇，戴晓春.高速铁路96 m钢桁梁桥面系结构形式比较研究[J].铁道勘察，2007(S)

[4]张敏，叶梅新，张晔芝.密布横梁正交异性板整体桥面受力行为[J].中国铁道科学，2010，31(3)

[5]苏彦江.钢桥构造与设计[M].成都:西南交通大学出版社，2006

[6]陈佳，叶梅新，周德.下承式密布横梁体系钢-混组合桥受力状态研究[J].中南大学学报：自然科学版，2010，42(2)

[7]高文军.广珠铁路跨广清高速公路80 m结合钢桁梁设计[J].铁道标准设计，2013(3)

[8]聂建国.钢-混组合结构[M].北京:科学技术出版社，2005

[9]黄侨，周志祥.桥梁钢-混组合结构设计原理[M].北京:人民交通出版社，2004

中图分类号：U442.5

文献标识码：A