设置钢桁架梁对大跨铁路桥挠度影响分析

□文/张 斌

1 工程概况

新建郑州—周口—阜阳高速铁路途径的安徽区段水系发达、河流众多；因此，多采用大中跨度桥梁跨越，其中在安徽阜阳与临泉交界处采用45 m+75 m+172 m+75 m+45 m曲弦钢桁架加劲预应力混凝土连续箱梁跨越泉河Ⅳ级航道。见图1。

图1 桥梁结构

该线路为客运专线，设计最高时速350 km/h，设计荷载为ZK 活载，位于曲线段，最小曲率半径为8 000 m，双线正线，双线线间距5 m。主梁采用单箱双室变高度箱形截面，梁高在中支点处为11 m，边支点及中跨跨中处为5 m；梁底缘按二次抛物线变化。主梁一般段顶宽15.6 m，在与邻跨标准梁交界位置从15.6 m 线性变化为12.6 m。钢桁为再分式桁架，桁高为14 m，节间距为16 m，在中支点处借鉴拱的受力特点，使用曲弦方式与主梁连接，钢桁与混凝土之间采用极限承载能力高、抗疲劳性能好的PBL 剪力键及剪力钉进行传力[1～2]。见图2和表1。

图2 主梁横断面

表1 钢桁架尺寸

2 桥梁形式的选择

该桥曾考虑不设钢桁架方案，但所用预应力钢束过多，主梁截面过大且变形过大，会影响行车安全性及舒适性；后考虑增加钢桁架的方案，提高了结构的刚度，改善了梁端转角，减小了跨中挠度，能满足高铁对桥梁平顺性的要求，同时降低了施工与维修难度[3～4]，与泉河环境协调，景观效果好。

3 钢桁架对主梁中跨挠度影响的模拟

此种梁桁组合结构在国内尚处于研究发展阶段，为了研究钢桁架的安装对主梁中跨挠度的影响，在充分研究桥梁施工过程及荷载的情况下，利用Midas Civil 2016建立有限元分析模型，针对施工及运营状况进行模拟分析，通过具体数据探究钢桁架对主梁挠度的作用效果。

钢桁架在全桥合龙后进行安装。桥梁自重一般占铁路桥竖向总荷载的70%左右，因此考虑钢桁架承担剩余约30%的二期荷载及列车活荷载[5]。

采用具有单因素敏感性分析思想的控制单一变量方法[6]，选取安装钢桁架后施加二期荷载及列车活荷载与不安装钢桁架施加二期荷载及列车活荷载两个工况，提取主梁中跨挠度进行对比，从而更好地研究钢桁架对主梁挠度的影响。因边跨与次边跨挠度较小且主梁为对称结构，因此取1/2中跨进行研究。

3.1 施加二期荷载后

列车活荷载采用ZK 活载，二期荷载取值为150 kN/m。当施加二期荷载后，主梁1/2 中跨各节段挠度见图3。

图3 施加二期荷载后主梁1/2中跨挠度

由图3 可知，当施加二期荷载后，有钢桁架工况最大挠度为20 mm，无钢桁架工况最大挠度为22.1 mm，有钢桁架工况相对于无钢桁架工况挠度值减小了2.1 mm，挠度减小了9.5%。

3.2 施加二期荷载及单线列车活荷载后

当施加二期荷载及单线列车活荷载后，主梁1/2中跨各节段挠度见图4。

图4 施加二期荷载及单线列车活荷载后主梁1/2中跨挠度

由图4 可知，当施加二期荷载及单线列车活荷载后，有钢桁架工况最大挠度为36.6 mm，无钢桁架工况最大挠度为50.5 mm，有钢桁架工况相对无钢桁架工况挠度值减小了13.9 mm，挠度减小了27.5%。

3.3 施加二期荷载及双线列车活荷载后

当施加二期荷载及双线列车活荷载后，主梁1/2中跨各节段挠度见图5。

图5 施加二期荷载及双线列车活荷载后梁1/2中跨挠度

由图5 可知，当施加二期荷载及双线活荷载后，有钢桁架工况在最大挠度为53.3 mm，无钢桁架工况最大挠度为79 mm，有钢桁架工况相对无钢桁架工况挠度值减小了25.7 mm，挠度减小了32.5%。

4 实测结果

该桥梁进行完二期铺装后，对桥梁进行了高程测量，见图6。

由图6 可知，实测值与模拟值最大差为2.9 mm，挠度趋势大致相同，表明理论模拟精度较高。因施加列车活荷载后不方便测量，故未进行现场测量，但通过施加二期荷载后实测挠度值与理论挠度值对比，可以推测出施加列车活荷载后理论值的准确性。

图6 实测值与模拟值对比

5 结论

当仅施加二期荷载后，钢桁架对挠度的减弱作用并不明显，仅减小了9.5%，考虑钢桁架自重为78.5 kN/m，增加的钢桁架自重抵消了对挠度的减弱效果。

施加单线列车活荷载后，有钢桁架的主梁挠度减小了27.5%；施加双线列车活荷载后，有钢桁架的主梁挠度减小了32.5%，可见钢桁架的安装能提高结构刚度，有效减弱主梁挠度且荷载越大，减弱作用越明显。□■