大跨度铁路钢桁梁纵横梁桥面系纵梁连续问题探讨

2021-03-31艾宗良

四川建筑 2021年1期

艾宗良，袁明，鄢勇

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

2005版及2017版的《铁路桥梁钢结构设计规范》均对纵横梁桥面系结构做出了规定[1]：“……跨度大于80 m的简支梁宜在跨中设置可使纵梁纵向移动的活动支承，其间距不宜大于80 m。当纵梁连续长度大于48 m时，还应在其中部设制动联结系。”早期的铁路大跨度钢桁梁桥桥面系均采用了钢桁梁明桥面体系，其代表性工程有九江长江大桥、芜湖长江大桥及长寿长江大桥等，上述大桥桥面均每80 m左右设置了一道制动撑架且纵梁断缝。随着铁路的快速发展，特别是高速铁路的发展，我国铁路大跨度钢桁梁桥逐渐开始使用道砟桥面，2009年通车运营的武汉天兴洲长江大桥铁路桥面采用了“纵横梁+混凝土板”的道砟桥面系，为了减小桥面系共同作用引起的横梁旁弯，每两个节间设置一道伸缩纵梁[5]。相关学者就钢桁梁桥面系共同作用进行了研究，提出了密横梁正交异性钢桥面板、纵横梁正交异性钢桥面板、纵梁断缝+制动撑架等解决方案[2][4][7][8]。

新白沙沱长江特大桥[3][6]主桥采用(81+162+432+162+81) m钢桁梁斜拉桥，大桥总体布置见图1。主梁采用钢桁梁，大桥位六线铁路，采用上4下2双层桥面布置，横断面采用两片主桁，上层桥面采用正交异性钢桥面板，下层桥面采用纵横梁+结合梁道砟槽板，大桥横断面见图2。大桥全长达920 m，按照传统的每80 m左右设一道断缝，全桥纵梁断缝将达11道。若按照天兴洲大桥的设置方式，每两个节间(2×13.5 m)左右设一道断缝，全桥纵梁断缝将达34道。本文结合新白沙沱大桥的设计就纵横梁桥面系纵梁连续问题进行探讨。

图1 新白沙沱长江特大桥主桥总体布置

图2 钢桁梁横断面(单位：mm)

1 纵梁连续问题方案与计算模型

为了分析纵梁连续或断缝、制动撑架设置与否对桥面系及整体受力的影响，研究提出了纵梁连续(断缝)与制动撑架组合的12种方案见表1。方案12不设置制动撑架，每个节间均断缝，方案不能传递制动力，不合理，未进一步分析。针对11个方案，利用Midas Civil软件建立空间有限元模型，见图3。全桥共计约16 000个节点，单元约29 200个，其中斜拉索桁架单元124个，钢桁梁及桥塔梁单元约19 300个，上层桥面板单元约9 800个。

表1 纵横梁桥面系方案

图3 有限元分析模型

2 计算荷载

大桥上层桥面为四线客车线，下层桥面为双线货车线，共计六线铁路荷载。为了便于在同一水准下进行比较，计算分析在主力工况下比较，即恒载(不含支座沉降)+活载组合。

大桥主桁节间距13.5 m，全桥共计68个节间，小里程端横梁至大里程端横梁距离总长918 m。为便于数据处理，进行如下定义：从小里程侧起下层桥面节点横梁开始编号依次为H0、H1、H2、……、H68，下层桥面横梁间的纵梁(一个节间)依次编号为Z1、Z2、Z3……Z68。其中， H0为0#墩端横梁，H6为1#辅助墩横梁，H18为2#桥塔支点横梁，H34为主跨跨中横梁，H50为3#塔支点横梁，H62为4#辅助墩位置横梁，H68为5#墩端横梁。

3 无制动撑架纵梁连续方案

方案一纵梁连续不断缝，且不设制动撑架。横梁端部最大面外弯矩为2 605 kN·m,发生在H5横梁，横梁跨中最大面外弯矩为1 827 kN·m，发生在H4横梁。纵梁平面内最大正弯矩1 661 kN·m发生在Z1横梁跨中位置。纵梁平面内最大负弯矩2 375 kN·m，发生在H6位置。H18横梁位置纵梁最大负弯矩为1 985 kN·m，H34横梁位置纵梁最大负弯矩1 207 kN·m。其余部位纵梁负弯矩最大值1 668 kN·m，正弯矩最大值1 030 N·m。纵梁轴压力最大值为3 197 kN，发生在H19横梁位置，轴压力最小值发生在54 kN，发生在H0横梁位置。

除少部分跨中弦杆受拉以外，大部分节段的弦杆均受压，桥面纵梁受到横梁约束，呈现出整体受压的状态。

横梁最大拉应力为397 MPa，最大压应力为373 MPa，发生在横梁面外弯矩较大的区域(H4、H5)，纵梁最大拉应力为144 MPa，最大压应力为193 MPa，其最大应力发生部位位于压重区域。

由计算结果可知，由于纵梁不断缝，共同作用引起的横梁面外弯矩很大，导致横梁应力水平很高。若通过增加横梁面外刚度来降低横梁应力水平，虽然截面抵抗矩有所增加，但是由于共同作用引起的弯矩也将大大增加，其整体效果非常有限，本方案结构设计困难(图4～图6)。

图4 主力作用下横梁面外弯矩内力(单位：kN·m)

图5 主力作用下纵梁面内弯矩内力(单位：kN·m)

图6 主力作用下纵梁轴力内力(单位：kN)

4 每6个节间设置制动撑架纵梁连续方案

方案二纵梁不断缝连续，每6个节间设置制动撑架。横梁端部最大面外弯矩为842 kN·m,发生在H8横梁，横梁跨中最大面外弯矩为626 kN·m，发生在H4横梁。纵梁平面内最大正弯矩2 116 kN·m发生在Z1跨中位置，纵梁平面内最大负弯矩2 731 kN·m，发生在H31位置。

H18横梁位置纵梁最大负弯矩为1 977 kN·m，H34横梁位置纵梁最大负弯矩1 202 kN·m。其余部位纵梁负弯矩最大值2 731 kN·m，正弯矩最大值2 116 N·m。纵梁轴压力最大值为5 463 kN，发生在Z15横梁位置，纵梁轴拉力最大值712 kN，发生在Z34位置。

本方案与方案一相比，桥梁纵梁在主跨跨中段落受拉,制动撑架与横梁组成一个桁架传力体系，制动撑架较单个横梁的面外刚度大大增加，从而使得纵梁轴向受状态与制动撑架间距范围内主桁弦杆趋同。方案一为整体趋同，故方案一桥面纵梁未出现受拉状态。由表2可知，纵梁不断缝，随着制动撑架的加密，跨中纵梁的轴拉力越大，纵梁的轴压力也越大，桥面与主桁的整体性则越强。

横梁最大拉应力为211 MPa，最大压应力为215 MPa，发生在横梁面外弯矩较大的区域(H5、H6)，纵梁最大拉应力为85.1 MPa(Z1位置)，最大压应力为189 MPa(Z25位置)。

由计算结果可知，虽然纵梁不断缝，通过每6个节间设置一道制动撑架，形成桥面系平面内的传力体系，使得横梁应力水平在允许范围之内，设计方案可行。

5 计算结果分析

上述方案对应的横梁面外弯矩、纵梁面内弯矩、纵梁轴力、桥面系横梁应力、挠跨比等主要计算结果见表2。根据计算结果，分别对纵梁不断缝方案类、纵梁断缝且设置制动撑架方案类以及纵梁断缝且不设制动撑架方案类进行探讨。

表2 不同桥面系方案主要计算结果统计

5.1 纵梁不断缝方案类

方案一纵梁不断缝，且无制动撑架，其横梁端部面外弯矩达2 605 kN·m，跨中弯矩达1 827 kN·m。其余各方案通过设置制动撑架、断缝或其组合的方案均能够大大降低横梁面外弯矩，方案一对应的横梁最大应力达397 MPa，远远超过允许应力，显然，不设制动撑架且纵梁不断缝方案不可行。

制动撑架设置后，桥面节点横梁的应力水平逐渐降低，方案二横梁最大应力215 MPa，且随着制动撑架设置密度增加(方案三、四、五)，其应力水平成下降趋势，最低至176 MPa，活载作用下的挠跨比由1/768降低至1/796，结构刚度有所提高。桥面系纵梁的应力也由193 MPa,下降至183 MPa。纵梁不断缝，在一定范围内设置制动撑架方案，受力合理，方案可行。且随着制动撑设置密度的增加，桥面整体性越强，并由于制动撑的约束，桥面横梁应力水平(面外弯矩)逐渐减小。但是，制动撑若进一步增多，会一定程度增加用钢量，且桥面受力改善水平有限。

5.2 纵梁断缝且设制动撑架方案类

方案六，每6个节间设置一道制动撑，相应纵梁每6个节间断缝，桥面系节点横梁最大应力217 MPa，桥面系纵梁应力119 MPa。方案七、八随着断缝的数量的增加，桥面系横梁纵梁应力进一步降低。三个方案的活载作用下挠跨比约1/761，结构刚度相比纵梁不断缝方案有所降低。另外，由表1可知，方案八由于每个节间均断缝，纵梁完全不参与主桁受力，轴向受力为0。纵梁断缝且设制动撑架的三个方案，从结构受力分析，方案是可行的，这又进一步验证了论证铁路桥梁钢结构规范相关规定的合理性。不过，纵梁断缝使得桥梁刚度有所降低，断缝的存在也会影响行车舒适性。

5.3 纵梁断缝且不设制动撑架方案类

对于方案九、十、十一，纵梁断缝且无制动撑架方案，共同作用程度较低，桥面纵横梁应力水平较低，但是，由于没有制动撑架，在列车制动力的作用下，桥面横梁将承受很大的面外弯矩，横梁应力水平将显著升高，结构不合理，且规范并不允许。

6 24.5 m宽桁有利作用的探讨

武汉天兴洲大桥采用三片主桁，桁宽2×15 m，针对武汉天兴洲长江大桥下层桥面纵横梁体系的相关研究[5]表明，“不设伸缩纵梁、每6个节间设置一道伸缩纵梁、每6个节间设置一道制动撑三种方案情况下横梁的应力水平超过200 MPa；逐根横梁加制动撑、每根横梁均设置一道制动撑、每根横梁均设置一道制动撑且制动撑的刚度增加一倍、每根横梁均设置一道制动撑且改变纵梁刚度等四种方案均不设伸缩纵梁，而采用了增设制动撑的方法减少了横梁的面外弯曲，随着制动撑的增加，横梁的面外弯曲应力减小了，但纵梁的应力却增加了，制动撑越刚，横梁的面外弯曲应力越小，纵梁的应力越大；每两个节间设置一道伸缩纵梁横梁最大水平弯曲应力为61.8 MPa，满足要求”。

新白沙沱长江大桥采用两片主桁，桁宽24.5 m，其计算结果与天兴洲大桥的相关研究规律上呈现一致性。通过有限元计算分析，由于其桁宽宽，在相同截面尺寸以及相同纵梁与主桁相对位移差的条件下，横梁跨度24.5 m的面外弯矩相比横梁跨度15 m的面外弯矩均有大幅度的降低，其中横梁跨中仅为30 %左右，横梁端部仅为33 %左右。桁宽24.5 m，极大的减小横梁面外刚度，有利于缓解桥面系共同作用带来的面外弯矩过大的问题。