刚性悬索加劲连续钢桁梁受力特性成桥试验研究

2020-08-03苏力

铁道建筑 2020年7期

苏力

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

刚性悬索加劲钢桁梁桥是一种新型的桥梁结构形式，结合了自锚式悬索桥与变截面连续钢桁梁桥的受力特点，其结构形式新颖、造型美观，支点向上变高不仅丰富了钢桁梁立面造型，而且可显著改善钢桁梁主桁结构的受力状态。目前国内已建成使用的该类型桥梁有东莞东江大桥、济南黄河公铁两用桥等。

针对刚性悬索加劲连续钢桁梁的结构特点，学者们从不同角度开展了相关的理论及试验研究。对于刚性悬索加劲钢桁梁桥上弦杆与刚性加劲弦的交点，该节点受力状态复杂，加劲弦杆具有很大的拉力，而上弦杆具有很大的压力，因此在加劲弦杆和上弦杆的交接处形成了错位，具有扭转的趋势，使得该处应力状况变得极不明确。有限元计算及缩尺试验结果表明，由于次应力效应，节点区域最大应力出现在加劲弦和上弦杆交叉处［1-2］。

研究表明刚性悬索加劲钢桁梁的空间整体节点刚性较大，杆件在外荷载作用下承受一定弯矩，产生弯矩次应力，因此建立考虑节点刚度影响的刚性悬索加劲钢桁梁桥空间受力计算模型，与节点完全铰接和完全刚接2种模型的有限元计算结果进行比较，研究了节点刚度对杆端次应力及结构整体刚度的影响［3］。

石济客运专线济南黄河公铁两用桥公路和铁路桥面系均采用了正交异性桥面板，其除承受桥面局部荷载外，还参与体系受力。文献［4-5］基于正交异性桥面板的疲劳特性，并结合国内外规范要求，提出了济南黄河公铁两用桥正交异性桥面板的设计构造细节及焊接工艺。此外，学者们还开展了刚性悬索加劲钢桁梁桥全桥的缩尺模型试验以及有限元计算分析，对结构整体的受力特点和承载力性能进行了研究［6-10］。

综上所述，对于刚性悬索加劲钢桁梁这一新型结构体系，学者们已针对其局部构造、整体结构开展了各类理论及试验研究，但目前尚缺少实桥的相关试验数据支持。本文基于石济客运专线济南黄河公铁两用桥的成桥试验，针对结构特点开展了3方面的专项试验研究：①对于三桁式空间桁架体系，外荷载作用在横向上由3片主桁共同承担，3片主桁由正交异性桥面体系相连接。由于边桁和中桁杆件截面设计尺寸不同，且四线铁路设计活载也有所差异，因此通过静载试验测试了3片主桁的横向分配，以验证结构的横向整体性。②由于正交异性桥面体系在车辆反复作用下其局部构造细节处会产生较大的应力集中，因此在公路桥梁中出现了较多因为疲劳问题而产生的病害，本文针对铁路正交异性桥面体系，研究了列车局部轮载作用下各构造细节的受力特征。③针对刚性悬索加劲钢桁梁上弦杆与加劲弦连接处的特殊节点，基于相关文献的模型试验及有限元计算结果，对实桥节点的受力特性进行了测试。

1 工程实例

济南黄河公铁两用桥主桥为（128+3×180+128）m刚性悬索加劲连续钢桁梁，我国铁路桥梁上首次采用该结构形式，桥梁下层为石济客运专线、邯长邯济铁路联络线四线铁路，上层为济南市绕城大北环双向六车道公路。

钢桁梁采用3片主桁，桁中心距14.65 m，桁高15 m，采用有竖杆三角形桁式，整体节点。加劲弦线形采用圆曲线设计，支点高24 m，在主跨跨中与上弦杆叠置，桥断面布置见图1。

图1 横断面布置（单位：mm）

铁路桥面采用纵横梁体系的正交异性板整体桥面，节点处设横梁，节点横梁中间设3道横肋。桥面板上对应每条铁路的2根钢轨分别设置高0.6 m的倒T形纵梁，桥面板设闭口加劲肋。公路桥面横梁横肋间距及截面形式均与铁路桥面板相同，截面尺寸有所不同，设闭口加劲肋，不设置纵梁。

石济客运专线设计行车速度250 km/h，双线线间距4.6 m，设计活载为ZK活载；邯济线设计行车速度120 km/h，双线线间距4m，设计活载为中活载；2条铁路均采用有砟轨道。公路为双向六车道高速公路，设计速度80 km/h，桥面宽28.0 m，设计活载为公路⁃Ⅰ级。

2 试验方案

本文共开展了三项专项试验，测试了荷载作用下，桥梁3片主桁主要杆件的应力及主桁挠度、列车局部轮载作用下铁路正交异性桥面板局部应力、刚性悬索加劲钢桁梁上弦杆与加劲弦连接处特殊节点的局部应力。

2.1 测点布置

根据有限元计算结果，选择边跨、次主跨、主跨跨中及支点位置附近的上、下弦杆及腹杆对其应力进行测试，应力测点使用振弦式应变仪根据杆件截面形式按四点法进行布置；主桁挠度测点布置在边跨、次主跨、主跨四分点位置，使用水准仪进行测试；铁路正交异性桥面局部应力测点布置在E23，E24节间，测试位置包括钢桥面板、U形闭口加劲肋下缘、小纵梁下缘、横梁及横肋下缘、横梁及横肋过焊孔开口位置；特殊节点局部应力测试选择A29节点，测试位置包括加劲弦与上弦杆杆端、两根杆件连接板圆弧倒角、节点板主应力最大处。杆件应力及主桁挠度、铁路正交异性桥面局部效应、加劲弦与上弦杆连接节点局部应力测点布置分别见图2—图4。

图2 杆件应力及主桁挠度测点位置示意

图3 铁路正交异性桥面局部效应测点布置

图4 加劲弦与上弦杆连接节点局部应力测点布置（单位：mm）

2.2 加载方案

试验期间四线铁路有两线未铺轨，不具备列车加载条件，公路桥面两侧未联通。为达到一定的加载效率，在铺轨的石济客运专线一侧使用编组试验列车加载，未铺轨的胶济邯济联络线一侧使用重载汽车模拟列车荷载效应。使用的试验车辆包括：DF4机车、KZ70货车（满载）、K13货车（满载）、40 t三轴重载汽车，各类车辆荷载轴示图见图5。实际列车编组方式包括DF4+11KZ70+DF4，全长 175.014 m，DF4+25KZ70+K13+DF4，全长373.596 m。重载汽车共26辆，根据试验工况布置在最不利加载位置。

图5 静载试验列车轴示图（单位：cm）

对主桁杆件应力、主桁挠度及关键节点局部应力的测试，按编组列车形式分为边跨满布、次主跨满布、主跨满布、边跨+次主跨满布、次主跨+主跨满布5个加载轮位，重载汽车按影响线布置在最不利位置；对于铁路正交异性桥面系局部效应的测试，使用DF4机车首轴控制加载，沿纵向设置5个局部加载轮位，分别对应测试区域横梁、横肋正上方及相邻横梁（或横肋）中间位置。

3 试验结果分析

3.1 主桁横向分配

试验测试了在最不利轮位下主桁各孔挠度及相应杆件的应力。3片主桁边跨、次主跨及主跨的挠度实测结果及有限元计算结果见图6。可见，实测挠度曲线连续光滑，变形规律与理论计算值吻合良好。

图6 主桁挠度实测结果

3片主桁挠度横向分配比例的实测值和计算值见图7，由于下游侧加载车辆总重明显低于上游侧列车荷载，实测值及计算值都显示上游侧主桁变形明显大于下游侧主桁，但实测3片主桁挠度的分配比例较计算值更为平均。

图7 主桁挠度横向分配

实测数据通过四点法换算得到各杆件杆中平均应力，3片主桁上对应杆件应力的横向分配比例见图8。可见，应力实测值与计算值基本吻合，且与挠度测试值规律相似。由于试验荷载在上下游两侧桥面分布明显不均，因此3片主桁杆件的应力分配并不均匀，尤其对于支点截面位置相关杆件，这种现象更为明显。但下游侧边桁实测应力分配比例均略高于计算值，表明结构横向整体性较好，与主桁挠度测试值一致。

图8 主桁杆件应力横向分配

3.2 铁路正交异性桥面局部效应

纵梁、横梁、横肋的弯曲应力测试结果见图9，纵梁下缘测点位于局部轮位2处，其应力在该工况下达到峰值19 MPa，随着荷载移动，下缘应力由受拉转为受压，压应力在局部轮位5处达到峰值-11 MPa。横梁测点位于局部轮位5处，其应力在5个轮位的测试下基本保持在25～30 MPa。节间横肋测点位于局部轮位1处，其应力在该工况下达到峰值29 MPa，之后逐渐减小。

U形闭口加劲肋、钢桥面板、横梁过焊孔开口处的应力测试结果见图10。可见：U形闭口加劲肋、桥面板、过焊孔测点均位于局部轮位2处，其中U形闭口加劲肋在局部轮位2下达到峰值9 MPa，随着荷载移动，下缘应力由受拉转为受压，压应力在局部轮位5处达到峰值-6 MPa。在局部轮位荷载作用下，桥面板纵横向均呈受压状态，其中纵桥向应力在局部轮位1，2处较大，横桥向压应力变化较小。过焊孔测点布置在横肋上，其竖向局部应力为上方测点受压、下部测点受拉，横桥向应力变化较小。桥面板、U肋和过焊孔的应力测试结果表明，对于铁路正交异性桥面系，经过钢轨、轨枕和道砟的传递，上部荷载传递至桥面上后呈较为均匀的分布状态，桥面系相关构件上未出现明显的应力集中效应。

图9 纵梁、横梁、横肋弯曲应力测试结果

图10 应力测试结果

3.3 关键节点应力

对加劲弦与钢桁梁上弦杆的连接的A29节点应力进行了测试。节点板主压及主拉应力、加劲弦与上弦杆连接板主压及主拉应力的有限元计算结果见图11、图12。

图11 A29节点板应力云图（单位：MPa）

图12 A29节点加劲弦与上弦杆连接板应力云图（单位：MPa）

实测加劲弦J18A29杆端位置轴向应力为18.2 MPa，小于杆中平均轴向应力，但杆端测得的弯曲应力为-14.0 MPa，远大于杆中弯曲应力5.0 MPa。上弦杆A28A29仅测试了杆端上缘应力为-26.7 MPa，对应杆中上缘应力为-12.6 MPa。在上弦杆与加劲弦夹角处连接板圆弧倒角位置，靠近加劲弦位置测得拉应力56.0 MPa，靠近上弦杆位置测得压应力-36.6 MPa，该连接板受力较为复杂。对于A29上游侧节点板，测得最大拉应力为21.3 MPa，最大压应力为-21.8 MPa。