唐重平

(廣州珠三角城際軌道交通有限公司，廣東廣州 510000)

正交異性整體鋼橋面相對(duì)于傳統(tǒng)的鐵路明橋面，具有剛度大、自重輕、噪聲小、行車舒適等一系列優(yōu)勢(shì)，因此在高速鐵路橋梁中逐漸得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的正交異性整體鋼橋面多為縱橫梁或多橫梁體系，即在設(shè)置橫梁和縱肋的同時(shí)，在軌道下方還設(shè)置一小縱梁，達(dá)到傳遞列車活載的目的。在我國(guó)，南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、京滬高鐵濟(jì)南黃河大橋都采用了此種形式的整體鋼橋面?？v梁的設(shè)置一般是為了將承擔(dān)的荷載縱向傳遞至相鄰的橫梁上，如果橫梁設(shè)置的較密，那么縱梁即可減小，蛻化為縱肋，最后演變成一種無縱梁的密布橫梁正交異性整體鋼橋面。

密布橫梁體系正交異性整體鋼橋面一般由縱肋(U 肋和板肋)和橫梁(肋)鋼橋面板組成，沒有線路下方小縱梁。這種結(jié)構(gòu)體系相對(duì)于前述的正交異性橋面板，荷載的縱向傳遞主要依靠縱肋和橋面板，而橫梁(肋)和橋面板承擔(dān)了荷載的橫向傳遞作用。近來年，此種形式的正交異性橋面板在高速鐵路鋼橋中也得到了較多應(yīng)用，鄭州黃河公鐵兩用大橋鐵路橋，還有本文即將介紹的廈深鐵路榕江特大橋都采用了此種橋面形式。

廈深鐵路榕江特大橋主橋采用連續(xù)鋼桁梁柔性拱，其橋面采用密布橫梁體系正交異性整體鋼橋面結(jié)構(gòu)，鋼橋面由橋面板、橫梁、橫肋、縱肋及I 肋五個(gè)部分組成，橋面系布置如圖1 所示。

圖1 橋面系布置

目前，在鐵路系統(tǒng)，正交異性整體鋼橋面得到了越來越多的應(yīng)用，但對(duì)橋面系統(tǒng)特別是密布橫梁體系正交異性橋面板的受力機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化的研究還不夠深入。因此，本文針對(duì)廈深鐵路密布橫梁體系正交異性橋面板結(jié)構(gòu)，結(jié)合有限元分析和模型試驗(yàn)，對(duì)其傳力行為進(jìn)行了研究。

1 模型設(shè)計(jì)

截取主橋一個(gè)節(jié)間下弦及橋面系以1∶2 比例尺制作模型試件。依據(jù)相似理論對(duì)實(shí)橋正交異性橋面板受力進(jìn)行模擬，為保證加載方便和盡可能模擬實(shí)橋受力，節(jié)段兩側(cè)橋面伸出0.6875 m，弦桿伸出1.487 m。模型實(shí)際情況如圖2 所示。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?.061 m，長(zhǎng)8.495 m。分為下弦桿和橋面系兩部分，考慮到試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^寬，因此橋面系和下弦桿在工廠分別焊接完成，運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行拼接。橋面系為密布橫梁正交異性橋面板，節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁，節(jié)點(diǎn)之間按1.375 m等間距設(shè)置橫肋，橋面板下設(shè)置U 肋(板肋)，并遇腹板開孔通過;弦桿頂板伸出部分與兩側(cè)橋面板焊接連接，在橫梁(橫肋)連接處下弦桿與兩側(cè)橫梁(橫肋)焊接連接;橋面系和兩側(cè)下弦桿及兩側(cè)橫梁(橫肋)通過螺栓連接，橋面板進(jìn)行熔透焊接模型實(shí)際情況如圖2 所示。

圖2 安裝完成后試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)主要考察結(jié)構(gòu)在第一體系下弦軸力和列車活載作用下橋面板的傳力規(guī)律，根據(jù)模型試驗(yàn)研究的目的，設(shè)立了以下5個(gè)加載工況。

工況1:第一體系下弦軸力模擬;

工況2:雙線列車活載模擬(加載位－橫梁/肋上);

工況3:單線列車活載模擬(加載位－橫梁/肋上);

工況4:雙線列車活載模擬(加載位－橫梁/肋間);

工況5:單線列車活載模擬(加載位－橫梁/肋間)。

(1)第一體系軸力加載:根據(jù)實(shí)橋設(shè)計(jì)最大軸力，按照應(yīng)力等效原則，試驗(yàn)施加軸力大小為5396 kN。第一體系軸力加載主要研究整體鋼橋面的力學(xué)行為以及橋面系參與第一體系受力的程度。試驗(yàn)加載主要通過在下弦桿中穿鋼絞線，并通過千斤頂對(duì)下弦桿壓力實(shí)現(xiàn)(圖3)。

圖3 軸力工況加載

(2)單雙線列車活載加載:縱、橫梁(肋)主要承受活載產(chǎn)生的彎矩，其應(yīng)力也以彎曲應(yīng)力為主。因此模型試驗(yàn)中按彎曲應(yīng)力等效進(jìn)行荷載設(shè)計(jì)。通過將列車中－活載轉(zhuǎn)化為幾個(gè)集中荷載，近似的模擬列車活載作用，為了考察對(duì)比列車活載對(duì)橋面板局部響應(yīng)的影響，單雙線加載同時(shí)分為加載位為橫梁上和橫梁肋間兩個(gè)工況。試驗(yàn)時(shí)每個(gè)千斤頂施加荷載大小為70.78 kN，圖4 給出了工況二的荷載加載圖示。

圖4 雙線列車活載(加載位－橫梁上)

2.2 試驗(yàn)測(cè)試方案

2.2.1 應(yīng)力測(cè)試

根據(jù)研究?jī)?nèi)容，以橫梁(肋)為邊界，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袆澐至硕鄠€(gè)測(cè)試斷面，圖6 給出了測(cè)試斷面的布置圖。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，整體鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)力最不利的位置在橋面板和橫梁焊接位置、板肋、U 肋和橫梁的連接部位?；谏鲜鲈颍瑧?yīng)變測(cè)點(diǎn)在這些位置布置較多，其它部位則做適當(dāng)布置。限于篇幅，圖7 只給出A－A 截面橫梁與橋面板和下弦桿的測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖5 加載裝置布置

圖6 試驗(yàn)測(cè)試斷面

圖7 部分應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

2.2.2 位移測(cè)試

為了描述整體鋼橋面節(jié)段模型在荷載作用下的變形情況，描述橋面板順橋向和橫橋向變形趨勢(shì)，需要布置位移測(cè)點(diǎn)，位移測(cè)點(diǎn)主要分布在模型橫橋向和縱橋向，呈十字狀布置，并在支座處布置4個(gè)位移測(cè)點(diǎn)測(cè)量支座豎向沉降(圖8)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)點(diǎn)較多，限于篇幅不能一一列舉，本文只給出部分代表性測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果。

圖8 位移測(cè)點(diǎn)布置

2.3.1 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表1 列出了工況一軸力荷載作用下下弦桿C－C 截面和F－F 截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值，最大Mises 等效應(yīng)力131.28 MPa，小于剛才屈服強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。

表1 工況1 下弦桿測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值(單位:MPa)

F－F 截面位于弦桿加載端頭，此處軸向力全部由弦桿承擔(dān)，但處于對(duì)模型加載時(shí)安全性考慮，此處板厚較大，因此應(yīng)力反而較C－C 截面小。C－C 截面位于模型中部，此處第一體系荷載已經(jīng)分散到橋面系中。根據(jù)弦桿截面各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力，將橫截面按照測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行分塊，并求得各分塊區(qū)域所分擔(dān)內(nèi)力，合計(jì)后可以得到弦桿截面承擔(dān)的軸力。經(jīng)計(jì)算可知，當(dāng)軸向荷載傳遞至模型中間時(shí)(C－C 截面附近)，由下弦桿分擔(dān)軸力比例為87.8 %，其余部分可認(rèn)為全部由橋面系構(gòu)件承擔(dān)。

表2 給出各關(guān)鍵部件在工況2 到工況5 的最大應(yīng)力值。

表2 關(guān)鍵構(gòu)件及部件最大應(yīng)力值(單位:MPa)

在各個(gè)列車活載作用工況下，結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件及部位最大應(yīng)力均未超過鋼材的屈服極限，且最大應(yīng)力也只有75，28 MPa 作用，有較大富余，因此可認(rèn)為該實(shí)際結(jié)構(gòu)具有較大的安全儲(chǔ)備，滿足使用要求;具體來看，結(jié)構(gòu)在單線加載時(shí)各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)一般都比雙線加載要小，且荷載作用于橫梁(肋)節(jié)間時(shí)，橋面板、縱肋等局部構(gòu)件響應(yīng)要比作用在橫梁(肋)上要大，這是因?yàn)闃蛎姘搴涂v肋參與了正交異性板第二第三體系受力的緣故。

2.3.2 位移測(cè)試結(jié)果

限于篇幅，圖9 僅示出工況2 荷載作用下試驗(yàn)?zāi)Ｐ拓Q向變形規(guī)律曲線。

圖9 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拓Q向變形規(guī)律

通過對(duì)圖9 模型豎向變形曲線分析，可以看到模型在雙線荷載作用下結(jié)構(gòu)變形沿順橋向和截面橫向大致對(duì)稱，最大豎向位移為5 mm 以內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)在工況1 軸力荷載作用下，下弦桿承擔(dān)了87.8 %的軸力，其余部分可認(rèn)為全部由橋面系構(gòu)件承擔(dān)。

(2)在各荷載工況下，結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件和重要部位應(yīng)力均較小，具有較大的安全儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)在單線加載時(shí)各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)一般都比雙線加載要小，荷載作用于橫梁(肋)節(jié)間時(shí)，橋面板、縱肋等局部構(gòu)件響應(yīng)要比作用在橫梁(肋)上要大。

(3)結(jié)構(gòu)在雙線荷載作用下變形連續(xù)，變形沿順橋向和截面橫向大致對(duì)稱，最大豎向位移為5 mm 以內(nèi)。

［1］羅如登.高速鐵路正交異性整體鋼橋面結(jié)構(gòu)形式受力性能和設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究［D］.中南大學(xué)，1980:7－10

［2］西南交通大學(xué).廈深鐵路榕江特大橋主橋典型節(jié)段鋼橋面模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.成都:西南交通大學(xué)，2012:17－38，40－102

［3］西南交通大學(xué).整體鋼橋面模型靜載試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.成都:西南交通大學(xué)，2010:4－7

［4］項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］.北京:人民交通出版社，2001

［5］韓衍群，葉梅新，羅如登.整體橋面鋼桁梁橋橋面荷載傳遞途徑的研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2008(1)