賈超鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

連續(xù)梁—桁組合結(jié)構(gòu)幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的選取

賈超鋒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

為滿足客運(yùn)專線對(duì)軌道平順性的苛刻要求，研究能夠有效提高結(jié)構(gòu)剛度，降低溫度等變形的組合結(jié)構(gòu)意義重大。本文以(80+168+80)m混凝土連續(xù)梁—鋼桁組合結(jié)構(gòu)為背景，對(duì)桁梁合理加勁范圍、桁高、桁式、梁體剛度幾項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁—鋼桁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些理論支持。

連續(xù)梁—桁組合結(jié)構(gòu) 桁高 桁式 梁體剛度

為滿足高等級(jí)鐵路對(duì)軌道平順性的苛刻要求，研究能夠有效提高結(jié)構(gòu)剛度，溫度變形和徐變變形較小的新型組合結(jié)構(gòu)是十分必要的。連續(xù)梁—桁組合結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力混凝土梁和加勁結(jié)構(gòu)鋼桁架組合而成，該結(jié)構(gòu)既能有效地降低橋梁建筑高度，又可提高結(jié)構(gòu)整體剛度而改善梁端轉(zhuǎn)角，同時(shí)可明顯減小混凝土梁橋后期徐變變形值。可惜國(guó)內(nèi)該類結(jié)構(gòu)應(yīng)用還較少，其中中鐵大橋院和同濟(jì)大學(xué)在京滬高速鐵路南京越江工程中曾研究提出了斜拉橋主梁采用鋼桁梁-PC箱梁組合的方案，并進(jìn)行了初步的靜力和動(dòng)力分析，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力變形行為進(jìn)行了一定的探索。國(guó)外近年來在橋梁建設(shè)中開始較大范圍地應(yīng)用鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，工程中應(yīng)用的主要方式有以下兩種:①直接作為單獨(dú)的橋梁結(jié)構(gòu)即組合桁梁，應(yīng)用于立交橋;②鋼桁架作為空腹式混凝土箱梁的腹板。

鐵一院在蘭新第二雙線鐵路首次采用(80+168 +80)m連續(xù)梁—桁組合結(jié)構(gòu)(圖1)，采用“先梁后桁”的施工方法。本文就該橋幾項(xiàng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的選取進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖1 (80+168+80)m連續(xù)梁—桁組合結(jié)構(gòu)

1 桁梁合理加勁范圍

本橋采用“先梁后桁”的施工方案，在主力組合時(shí)，鋼桁梁只承受二期恒載和活載。對(duì)鐵路橋而言，自重一般約占全部豎向荷載的70%，這就意味著約70%的荷載仍由梁體承擔(dān)，因此梁桁組合結(jié)構(gòu)的梁高至少應(yīng)參照的連續(xù)梁來選取。根據(jù)常規(guī)連續(xù)梁的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，跨徑約140 m時(shí)支點(diǎn)梁高大約10.5～11.5 m之間，考慮到尚有后續(xù)荷載作用，以及梁—桁組合結(jié)構(gòu)由于構(gòu)造原因底板寬度加寬等因素，支點(diǎn)梁高暫取11 m，跨中梁高取5 m，梁高按照1.8次拋物線變化。典型截面如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 支點(diǎn)截面示意(單位:cm)

為取得加勁鋼桁的設(shè)置范圍對(duì)組合結(jié)構(gòu)(中跨168 m)的貢獻(xiàn)值，在加勁桁桁高12 m、節(jié)間長(zhǎng)12 m、鋼桁桿件尺寸相同等其它條件不變的前提下，以中跨跨中為對(duì)稱點(diǎn)分別對(duì)加設(shè)鋼桁范圍分別按0，84，108，120，132，156 m進(jìn)行了比較分析。分析結(jié)果如表1、表2、表3所示。

首先分析中跨加桁和不加桁的計(jì)算結(jié)果。從表2，3中可知二期恒載及ZK活載作用下，加桁結(jié)構(gòu)的彎矩、中跨跨中豎向位移及梁端轉(zhuǎn)角明顯減小，其中中跨跨中彎矩減小約40%，可見加勁桁作用明顯。

圖3 跨中截面示意(單位:cm)

圖4 弦桿、腹桿截面(單位:mm)

表1 不同加勁范圍二期恒載140 kN/m作用下內(nèi)力比較

表2 不同加勁范圍ZK活載作用下的內(nèi)力比較

表3 不同加勁范圍ZK活載作用下剛度指標(biāo)比較

其次分析中跨加桁不同范圍的計(jì)算結(jié)果。由表1，2，3可知:隨著加桁范圍的增加，中支點(diǎn)彎矩逐漸減小，弦桿軸力逐漸增加，腹桿軸力逐漸減小，而中跨中彎矩變化不大。這是因?yàn)楫?dāng)加桁范圍超出正彎矩區(qū)段時(shí)，正彎矩的減小幅度很小，而對(duì)支點(diǎn)區(qū)結(jié)構(gòu)整體剛度有所幫助，從而減小了中支點(diǎn)負(fù)彎矩?？紤]到鋼桁最終傳力到梁體支點(diǎn)以及整體剛度的平穩(wěn)過渡，推薦加勁范圍為156 m方案。

2 桁高對(duì)組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

桁高是影響梁—桁組合結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的重要指標(biāo)。在其他條件不變的前提下，加大桁高則鋼桁承擔(dān)豎向荷載的比例增大，組合結(jié)構(gòu)的豎向剛度提高，但腹桿的長(zhǎng)細(xì)比加大，從而會(huì)對(duì)腹桿的穩(wěn)定帶來一定的不利影響;同時(shí)用鋼量也進(jìn)一步增加。因此合理選取桁高是連續(xù)梁—桁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

如前所述原因，進(jìn)行桁高比選時(shí)支點(diǎn)梁高暫取11 m，跨中梁高取5 m。

在此基礎(chǔ)上，按照中跨范圍設(shè)置無豎桿三角形平弦桁架時(shí)，對(duì)加勁桁的桁高進(jìn)行比選，考慮到節(jié)間長(zhǎng)度對(duì)總體受力性能的影響較小，節(jié)間長(zhǎng)度取12 m，考慮到鐵路限界，桁高的比選范圍為12～16 m。在二期恒載140 kN/m作用下，不同桁高對(duì)組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響如表4所示。

表4 二期恒載140 kN/m作用下加勁桁桁高對(duì)組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響

通過對(duì)鋼桁桁高從10，12，14，16 m計(jì)算對(duì)比分析可知:加勁桁的高度對(duì)支點(diǎn)彎矩的影響很小，可以忽略不計(jì)。對(duì)跨中截面而言，桁高越高對(duì)跨中的加勁作用越強(qiáng)，跨中彎矩逐漸減小(表4)，但由于梁體剛度較大，變化的幅度不劇烈;由于中跨剛度提高后，對(duì)邊跨的約束增強(qiáng)，梁端轉(zhuǎn)角及靜載撓度也逐步減小(表5)，但桁高達(dá)到14 m以上時(shí)，加勁增強(qiáng)幅度相對(duì)12 m桁高時(shí)明顯減小，而且用鋼量相對(duì)12 m桁高時(shí)也增加很多。

表5 ZK活載作用下不同桁高剛度指標(biāo)比較

另外綜合考慮桁高與節(jié)間長(zhǎng)度的匹配對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的影響以及景觀要求等因素，推薦采用12 m桁高。

3 桁式對(duì)組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

常用的桁式有三角桁、N形桁和菱形桁等，由于本橋主梁剛度大，主桁的受力相對(duì)較小，不存在節(jié)間長(zhǎng)度加大對(duì)橋面系用鋼量的影響，因此采用造型簡(jiǎn)潔、受力明確的無豎桿三角形桁架。

結(jié)合本橋受力特點(diǎn)，又進(jìn)行了加設(shè)平弦無豎桿三角形桁架(見圖5)和曲弦無豎桿三角形桁架(見圖6)的對(duì)比。

在連續(xù)梁梁高取11～5 m、中跨加桁156 m范圍、節(jié)間長(zhǎng)12 m、鋼桁桿件尺寸等其它條件不變的前提下，對(duì)平弦桁高12 m和曲弦桁高從12 m變化到17 m的兩種加桁形式進(jìn)行對(duì)比分析。從加勁效果方面來看(表6)，曲線桁比平弦桁效果好，但提高幅度不大，而在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理方面曲弦桁難度較大，綜合分析推薦無豎桿三角形平弦桁架。

圖5 加平弦桁立面示意

圖6 加曲弦桁立面示意

表6 平弦桁和曲弦桁計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 梁體剛度對(duì)組合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

梁體剛度是影響組合結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的重要指標(biāo)，在加勁鋼桁不變的情況下，梁體剛度越大，需鋼桁加勁的作用越小，梁體剛度越小，需鋼桁加勁的作用越大。為取得合理的梁體剛度，在中跨156 m范圍加桁、桁高12 m、節(jié)間長(zhǎng)12 m、無豎桿三角形平弦桁架等其它條件不變的前提下，分別對(duì)支點(diǎn)(跨中)梁高10.5(4.5) m，11(5)m，11.5(5.5)m三種情況進(jìn)行對(duì)比分析。不同梁高內(nèi)力及剛度指標(biāo)的比較詳見表7、表8、表9。

表7 不同梁高二期恒載作用下內(nèi)力比較

表8 不同梁高ZK活載作用下內(nèi)力比較

表9 不同梁高ZK活載作用下剛度對(duì)比

從表7得知:二期恒載作用下，梁高整體增加0.5，1.0 m時(shí)，中支點(diǎn)彎矩分別增加4%，6%;中跨跨中彎矩分別增加19%，25%;邊跨跨中彎矩分別增加5.7%，11.3%;而鋼桁弦桿最大軸力分別減小10.5%，20.1%;腹桿最大軸力分別減小11.6%，21.7%。

從表8得知:ZK活載作用下，梁高整體增加0.5，1.0 m時(shí)，中支點(diǎn)彎矩分別增加1%，1.4%;中跨跨中彎矩分別增加12.2%，23%;邊跨跨中彎矩分別增加2.4%，4.4%;而鋼桁弦桿最大軸力分別減小11.7%，21.5%;腹桿最大軸力分別減小11.8%，21.5%。

從表9得知:ZK活載作用下，梁高整體增加0.5，1.0 m時(shí)，中跨跨中豎向位移分別減小17.7%，24.2%;梁段轉(zhuǎn)角分別減小18.2%，31.8%。

由上述可知，梁高整體增加0.5，1.0 m時(shí)，鋼桁桿件內(nèi)力逐漸減小，梁段轉(zhuǎn)角及跨中撓度均有大幅度改善，但是梁體增加1 m時(shí)對(duì)跨中撓度的改善幅度已不太明顯，且梁體自重也增加很多。綜合分析選取中支點(diǎn)梁高11 m，跨中梁高5 m的箱梁結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

通過上述關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算分析可知，上述幾種設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)不同取值，均對(duì)連續(xù)梁—桁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的影響。除此幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)外還有其它影響因素，尚需繼續(xù)探討研究。

［1］李慧樂，郭薇薇，夏禾.一種新型鐵路鋼—混組合桁架橋的動(dòng)力特性分析［J］.鐵道建筑，2011(10):1-4.

［2］蓋小紅.跨蘭西高速公路特大橋主橋連續(xù)梁—鋼桁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(11):70-73.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10020—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

(責(zé)任審編孟慶伶)

U441

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.02

1003-1995(2015)06-0006-04

2014-12-08;

2015-02-10

賈超鋒(1982—)，男，河南商丘人，工程師。