趙　博

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

Structural form Optimization for a 48m span through Steel Truss Beam on Heavy Haul Railway

ZHAO Bo

重載鐵路48 m下承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化研究

趙博

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Structural form Optimization for a 48m span through Steel Truss Beam on Heavy Haul Railway

ZHAO Bo

摘要以蒙華鐵路通道48 m單線下承式鋼桁結(jié)合梁為例，采用有限元方法對不同節(jié)間距及不同橫梁間距的兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析和綜合比較，得出最優(yōu)方案。研究結(jié)果表明：在結(jié)構(gòu)高度受控時可加大節(jié)間距并加密橫梁，橫梁數(shù)量增加后可減小混凝土板的截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重，可有效改善結(jié)構(gòu)整體受力性能，節(jié)省建筑材料用量。

關(guān)鍵詞重載鐵路下承式鋼桁梁節(jié)間劃分有限元混凝土橋面板

1工程概況

蒙華鐵路通道是目前在建最長的重載鐵路通道，其軸重為30 t，在南段上行聯(lián)絡(luò)線LSDK1156+842處上跨焦柳線。此處受平面線位和高程共同控制，橋梁結(jié)構(gòu)高度軌頂?shù)搅旱撞荒艹^1.9 m，設(shè)計(jì)采用48 m單線下承式鋼桁梁跨越。主桁采用有豎桿平行弦華倫式三角桁架，兩片主桁中心距為7.6 m，桁高9.5 m，橋梁全長49.1 m，計(jì)算跨度為48 m。以主桁間距和橋面系結(jié)構(gòu)的合理選擇為出發(fā)點(diǎn)，對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析和比較，力求達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)美觀的目的。

2設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)速度

客車120 km/h，貨車120 km/h。

(2)恒載

結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)采用；二期恒載包括鋼軌、道砟、軌枕、防水層、保護(hù)層、人行道欄桿、擋砟墻、豎墻等附屬設(shè)施重量，合計(jì)按95 kN/m計(jì)算。

(3)列車活載

采用中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2)，荷載圖式見圖1。

圖1　中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(z=1.2)荷載(單位：m)

(4)動力系數(shù)、牽引力和制動力、風(fēng)力等

原則按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)采用[1]，但橫向搖擺力荷載取值提高20%。

(5)溫度荷載

按架設(shè)溫度20 ℃，整體升溫30 ℃，整體降溫-40 ℃計(jì)算。

(6)桿件截面形式

主桁上下弦桿、端腹桿采用箱形截面，其余腹桿和豎桿、上平聯(lián)采用H形截面，采用板式橋門架和橫聯(lián)。

(7)結(jié)構(gòu)材料

鋼材：鋼梁主體結(jié)構(gòu)均采用Q345qD級鋼，附屬工程采用Q345C級鋼，檢查設(shè)備采用Q235-B.Z；

混凝土：C50；

鋼筋：HRB400；

高強(qiáng)度螺栓：M24高強(qiáng)度螺栓；

剪力釘：φ22圓柱頭焊釘，焊釘材料為ML15。

3不同方案構(gòu)造形式

鋼桁梁橋面系結(jié)構(gòu)形式主要有明橋面、正交異性板鋼橋面、縱橫梁或密布橫梁結(jié)合橋面。鑒于已建成的鋼橋運(yùn)營時出現(xiàn)的問題，明橋面已較少選用[2]。正交異形板鋼橋面和縱橫梁或密布橫梁結(jié)合橋面其實(shí)都可以歸結(jié)為板-格子梁體系，在國內(nèi)外鐵路鋼桁梁設(shè)計(jì)中均有采用[3]。如主跨336 m的南京大勝關(guān)鋼桁拱[4]、主跨1 092 m的滬通鋼桁梁斜拉橋等大跨度鋼桁梁采用正交異形板鋼橋面體系；京津城際改京山跨二環(huán)線96 m鋼桁梁采用縱橫梁結(jié)合橋面；福廈鐵路64 m、80 m等中小跨度簡支鋼桁梁采用密布橫梁結(jié)合橋面。

受線路平面和高程控制，本橋建筑高度受限，同時考慮本橋所受活載為重載，如選用縱橫梁結(jié)合橋面，橫梁個數(shù)減小且荷載較大會造成橫梁結(jié)構(gòu)高度增加，不宜采用；而正交異性板鋼橋面多用于大跨度，用鋼量較大，不適合本橋。因此，橋面系結(jié)構(gòu)形式選用密布橫梁混凝土板結(jié)合梁橋面。

主桁節(jié)間長，則腹桿少，橋面系結(jié)構(gòu)尺寸增大，節(jié)間短，則腹桿增多，橋面系結(jié)構(gòu)尺寸減小，兩者都會增加用鋼量[5]。橫梁間距增大可減少用鋼量，但是混凝土橋面板厚度會相應(yīng)增加，造成建筑高度增加。在確定橋面系結(jié)構(gòu)形式后，分別選取6 m和8.10 m的節(jié)間長度進(jìn)行對比分析，兩種方案的橫梁間距分別為3 m和2.67 m，混凝土板厚度分別為0.3 m和0.27 m。兩種方案平立面和斷面圖如圖2和圖3所示。

圖2　2種方案布置(單位：m)

圖3　2種方案橫斷面(單位：m)

方案1：主桁節(jié)間距采用6 m，橫梁間距3 m，不設(shè)縱梁，節(jié)點(diǎn)和節(jié)間橫梁均采用“I” 形，下弦桿和橫梁高度為0.8 m，混凝土橋面板厚0.3 m，橫梁上翼緣上焊有剪力釘與混凝土橋面板連接。

方案2：主桁節(jié)間距采用8.01 m，橫梁間距2.67 m，不設(shè)縱梁，節(jié)點(diǎn)和節(jié)間橫梁均采用“I”形，下弦桿和橫梁高度為0.8 m，混凝土橋面板厚0.27 m，橫梁上翼緣上焊有剪力釘與混凝土橋面板連接。

4建立有限元模型

每個方案均建立2個有限元模型。其中一期恒載由純鋼結(jié)構(gòu)模型單獨(dú)承受，二期恒載、活載和附加力都由鋼混組合結(jié)構(gòu)模型承受。將計(jì)算所得的位移和應(yīng)力分別進(jìn)行疊加，得到各種荷載組合作用下的總位移和總應(yīng)力。

采用有限元軟件Midas/Civil建立空間模型。主桁桿件、橫梁、平聯(lián)均采用空間梁單元，混凝土板和整體橋門架采用板單元模擬。在鋼與混凝土板結(jié)合區(qū)域，不考慮兩者之間的滑移，邊界條件按照實(shí)際情況施加，全橋有限元模型見圖4和圖5。

圖4　方案1全橋有限元模型

圖5　方案2全橋有限元模型

5計(jì)算結(jié)果與分析

5.1　梁體變形及結(jié)構(gòu)自振特性

剛度計(jì)算沒有考慮混凝土橋面板產(chǎn)生裂縫引起的剛度折減，梁體變形及結(jié)構(gòu)自振特性見表1。

由表1可以看出，兩種方案的撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角、自振頻率均滿足規(guī)范要求，雖然方案2節(jié)間距大于方案1，橋面板厚度小于方案1，但是方案2橫梁間距小，兩個方案主桁寬度和高度均相同，方案2整體剛度僅略小于方案1。需要說明的是：由于混凝土橋面板位于主桁下弦受拉區(qū)，在二期恒載、列車活載、溫度變化、混凝土收縮等工況下，由于橋面系的共同作用，橋面板將承受很大的拉力，橋面板在拉力的反復(fù)作用下肯定會產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)的整體剛度會有所降低。

表1　梁體變形和結(jié)構(gòu)自振特性

5.2　主桁構(gòu)件受力

采用混凝土橋面板時主桁桿件的受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)的施工順序關(guān)系較大[6]，為了盡量減少恒載、混凝土收縮作用下橫梁的面外彎曲和混凝土橋面板的受拉問題，一般施工時均按照以下順序進(jìn)行：①架設(shè)鋼梁；②拆掉支架；③灌筑混凝土橋面板。計(jì)算時兩種方案均按照該施工順序進(jìn)行。

在主力作用下兩種方案弦桿軸力的對比結(jié)果分別見圖6，圖7?？梢?，方案2的下弦桿軸力較方案1增大約10%，上弦桿軸力梁端較方案1減小約10%，跨中處較方案2增大約16%。主要原因是橋面板厚度減小后與主桁共同作用參與受力的能力減小，下弦桿軸力有所增大，方案2節(jié)間長度增加后上弦桿長度減小，所受軸力介于方案1梁端和跨中之間。

圖6　下弦桿軸力對比曲線

圖7　上弦桿軸力對比曲線

表2列出了主桁各構(gòu)件和橫梁的強(qiáng)度、總穩(wěn)定性及疲勞應(yīng)力情況。由表2可知，在主力工況作用下，各構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及疲勞均滿足規(guī)范要求，方案1下弦桿和橫梁應(yīng)力水平小于方案2，上弦桿應(yīng)力水平略大于方案2，腹桿應(yīng)力水平兩個方案基本一致。

表2　主桁桿件和橫梁應(yīng)力情況

5.3　混凝土板受力情況對比

兩種方案均采用密布橫梁混凝土結(jié)合體系，混凝土板通過剪力釘與橫梁結(jié)合，由于共同作用，在荷載作用下參與主桁整體受力?；炷涟屙槝蛳虿皇┘宇A(yù)應(yīng)力，容許開裂，采用高配筋的方式控制混凝土裂縫寬度[7-9]。

混凝土板計(jì)算時未計(jì)入鋼筋的作用，方案1混凝土板最大拉應(yīng)力為5.5 MPa，方案2最大混凝土板最大拉應(yīng)力為5.9 MPa，兩個方案相差不大，方案1略小，主要因?yàn)榉桨?混凝土截面較大，計(jì)算鋼筋應(yīng)力和混凝土裂縫寬度時將混凝土板簡化為支撐在橫梁上的連續(xù)板結(jié)構(gòu)(見表3)。可以看出，在不同工況作用下，兩種方案的混凝土板裂縫和鋼筋應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，雖然方案1混凝土板所受軸力小于方案2，但是鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度較方案2的大，主要原因是因?yàn)榉桨?橫梁間距小后，相應(yīng)混凝土板的跨度減小，鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度均有所減小。

表3　鋼筋應(yīng)力橋面板軸力和裂縫寬度結(jié)果匯總

5.4　經(jīng)濟(jì)性分析

表4列出了方案1和方案2的結(jié)構(gòu)指標(biāo)，從中可以看出，方案2在減小了結(jié)構(gòu)高度的情況下用鋼量和鋼筋混凝土用量均有所減小，分別減小了13%和11%，達(dá)到了結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)節(jié)省的目的，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表4　結(jié)構(gòu)指標(biāo)匯總

6結(jié)束語

本橋?yàn)?8 m重載鐵路鋼桁結(jié)合梁，在中小跨度采用密布橫梁混凝土橋面板的方案是合適的，具有橫向剛度大、建筑高度低等優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)的鋼桁梁取消了下平縱聯(lián)，施工更為簡便?？紤]混凝土板參與主桁共同受力可以降低下弦桿的截面。方案1和方案2橋梁剛度、強(qiáng)度和混凝土板受力等都能滿足相關(guān)規(guī)范要求，方案2在方案1基礎(chǔ)上加大節(jié)間距并加密橫梁，橫梁數(shù)量增加后減小了混凝土板的截面尺寸，改善了混凝土板受力，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)高度，橋面板整體受力性能優(yōu)于方案1，橋面板厚度減小后結(jié)構(gòu)自重隨之減小，提高了結(jié)構(gòu)的整體受力性能。通過合理的選擇節(jié)間距和橫梁間距，方案2可有效節(jié)省材料用量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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中圖分類號：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)02-0103-03

作者簡介：趙博(1983—)，男，2009年畢業(yè)于中南大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

收稿日期：2015-01-14