蘇力

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

剛性懸索加勁鋼桁梁橋是一種新型的橋梁結構形式，結合了自錨式懸索橋與變截面連續(xù)鋼桁梁橋的受力特點，其結構形式新穎、造型美觀，支點向上變高不僅豐富了鋼桁梁立面造型，而且可顯著改善鋼桁梁主桁結構的受力狀態(tài)。目前國內已建成使用的該類型橋梁有東莞東江大橋、濟南黃河公鐵兩用橋等。

針對剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁梁的結構特點，學者們從不同角度開展了相關的理論及試驗研究。對于剛性懸索加勁鋼桁梁橋上弦桿與剛性加勁弦的交點，該節(jié)點受力狀態(tài)復雜，加勁弦桿具有很大的拉力，而上弦桿具有很大的壓力，因此在加勁弦桿和上弦桿的交接處形成了錯位，具有扭轉的趨勢，使得該處應力狀況變得極不明確。有限元計算及縮尺試驗結果表明，由于次應力效應，節(jié)點區(qū)域最大應力出現(xiàn)在加勁弦和上弦桿交叉處［1-2］。

研究表明剛性懸索加勁鋼桁梁的空間整體節(jié)點剛性較大，桿件在外荷載作用下承受一定彎矩，產(chǎn)生彎矩次應力，因此建立考慮節(jié)點剛度影響的剛性懸索加勁鋼桁梁橋空間受力計算模型，與節(jié)點完全鉸接和完全剛接2種模型的有限元計算結果進行比較，研究了節(jié)點剛度對桿端次應力及結構整體剛度的影響［3］。

石濟客運專線濟南黃河公鐵兩用橋公路和鐵路橋面系均采用了正交異性橋面板，其除承受橋面局部荷載外，還參與體系受力。文獻［4-5］基于正交異性橋面板的疲勞特性，并結合國內外規(guī)范要求，提出了濟南黃河公鐵兩用橋正交異性橋面板的設計構造細節(jié)及焊接工藝。此外，學者們還開展了剛性懸索加勁鋼桁梁橋全橋的縮尺模型試驗以及有限元計算分析，對結構整體的受力特點和承載力性能進行了研究［6-10］。

綜上所述，對于剛性懸索加勁鋼桁梁這一新型結構體系，學者們已針對其局部構造、整體結構開展了各類理論及試驗研究，但目前尚缺少實橋的相關試驗數(shù)據(jù)支持。本文基于石濟客運專線濟南黃河公鐵兩用橋的成橋試驗，針對結構特點開展了3方面的專項試驗研究：①對于三桁式空間桁架體系，外荷載作用在橫向上由3片主桁共同承擔，3片主桁由正交異性橋面體系相連接。由于邊桁和中桁桿件截面設計尺寸不同，且四線鐵路設計活載也有所差異，因此通過靜載試驗測試了3片主桁的橫向分配，以驗證結構的橫向整體性。②由于正交異性橋面體系在車輛反復作用下其局部構造細節(jié)處會產(chǎn)生較大的應力集中，因此在公路橋梁中出現(xiàn)了較多因為疲勞問題而產(chǎn)生的病害，本文針對鐵路正交異性橋面體系，研究了列車局部輪載作用下各構造細節(jié)的受力特征。③針對剛性懸索加勁鋼桁梁上弦桿與加勁弦連接處的特殊節(jié)點，基于相關文獻的模型試驗及有限元計算結果，對實橋節(jié)點的受力特性進行了測試。

1 工程實例

濟南黃河公鐵兩用橋主橋為（128+3×180+128）m剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁梁，我國鐵路橋梁上首次采用該結構形式，橋梁下層為石濟客運專線、邯長邯濟鐵路聯(lián)絡線四線鐵路，上層為濟南市繞城大北環(huán)雙向六車道公路。

鋼桁梁采用3片主桁，桁中心距14.65 m，桁高15 m，采用有豎桿三角形桁式，整體節(jié)點。加勁弦線形采用圓曲線設計，支點高24 m，在主跨跨中與上弦桿疊置，橋斷面布置見圖1。

圖1 橫斷面布置（單位：mm）

鐵路橋面采用縱橫梁體系的正交異性板整體橋面，節(jié)點處設橫梁，節(jié)點橫梁中間設3道橫肋。橋面板上對應每條鐵路的2根鋼軌分別設置高0.6 m的倒T形縱梁，橋面板設閉口加勁肋。公路橋面橫梁橫肋間距及截面形式均與鐵路橋面板相同，截面尺寸有所不同，設閉口加勁肋，不設置縱梁。

石濟客運專線設計行車速度250 km/h，雙線線間距4.6 m，設計活載為ZK活載；邯濟線設計行車速度120 km/h，雙線線間距4m，設計活載為中活載；2條鐵路均采用有砟軌道。公路為雙向六車道高速公路，設計速度80 km/h，橋面寬28.0 m，設計活載為公路?Ⅰ級。

2 試驗方案

本文共開展了三項專項試驗，測試了荷載作用下，橋梁3片主桁主要桿件的應力及主桁撓度、列車局部輪載作用下鐵路正交異性橋面板局部應力、剛性懸索加勁鋼桁梁上弦桿與加勁弦連接處特殊節(jié)點的局部應力。

2.1 測點布置

根據(jù)有限元計算結果，選擇邊跨、次主跨、主跨跨中及支點位置附近的上、下弦桿及腹桿對其應力進行測試，應力測點使用振弦式應變儀根據(jù)桿件截面形式按四點法進行布置；主桁撓度測點布置在邊跨、次主跨、主跨四分點位置，使用水準儀進行測試；鐵路正交異性橋面局部應力測點布置在E23，E24節(jié)間，測試位置包括鋼橋面板、U形閉口加勁肋下緣、小縱梁下緣、橫梁及橫肋下緣、橫梁及橫肋過焊孔開口位置；特殊節(jié)點局部應力測試選擇A29節(jié)點，測試位置包括加勁弦與上弦桿桿端、兩根桿件連接板圓弧倒角、節(jié)點板主應力最大處。桿件應力及主桁撓度、鐵路正交異性橋面局部效應、加勁弦與上弦桿連接節(jié)點局部應力測點布置分別見圖2—圖4。

圖2 桿件應力及主桁撓度測點位置示意

圖3 鐵路正交異性橋面局部效應測點布置

圖4 加勁弦與上弦桿連接節(jié)點局部應力測點布置（單位：mm）

2.2 加載方案

試驗期間四線鐵路有兩線未鋪軌，不具備列車加載條件，公路橋面兩側未聯(lián)通。為達到一定的加載效率，在鋪軌的石濟客運專線一側使用編組試驗列車加載，未鋪軌的膠濟邯濟聯(lián)絡線一側使用重載汽車模擬列車荷載效應。使用的試驗車輛包括：DF4機車、KZ70貨車（滿載）、K13貨車（滿載）、40 t三軸重載汽車，各類車輛荷載軸示圖見圖5。實際列車編組方式包括DF4+11KZ70+DF4，全長 175.014 m，DF4+25KZ70+K13+DF4，全長373.596 m。重載汽車共26輛，根據(jù)試驗工況布置在最不利加載位置。

圖5 靜載試驗列車軸示圖（單位：cm）

對主桁桿件應力、主桁撓度及關鍵節(jié)點局部應力的測試，按編組列車形式分為邊跨滿布、次主跨滿布、主跨滿布、邊跨+次主跨滿布、次主跨+主跨滿布5個加載輪位，重載汽車按影響線布置在最不利位置；對于鐵路正交異性橋面系局部效應的測試，使用DF4機車首軸控制加載，沿縱向設置5個局部加載輪位，分別對應測試區(qū)域橫梁、橫肋正上方及相鄰橫梁（或橫肋）中間位置。

3 試驗結果分析

3.1 主桁橫向分配

試驗測試了在最不利輪位下主桁各孔撓度及相應桿件的應力。3片主桁邊跨、次主跨及主跨的撓度實測結果及有限元計算結果見圖6?？梢?，實測撓度曲線連續(xù)光滑，變形規(guī)律與理論計算值吻合良好。

圖6 主桁撓度實測結果

3片主桁撓度橫向分配比例的實測值和計算值見圖7，由于下游側加載車輛總重明顯低于上游側列車荷載，實測值及計算值都顯示上游側主桁變形明顯大于下游側主桁，但實測3片主桁撓度的分配比例較計算值更為平均。

圖7 主桁撓度橫向分配

實測數(shù)據(jù)通過四點法換算得到各桿件桿中平均應力，3片主桁上對應桿件應力的橫向分配比例見圖8?？梢?，應力實測值與計算值基本吻合，且與撓度測試值規(guī)律相似。由于試驗荷載在上下游兩側橋面分布明顯不均，因此3片主桁桿件的應力分配并不均勻，尤其對于支點截面位置相關桿件，這種現(xiàn)象更為明顯。但下游側邊桁實測應力分配比例均略高于計算值，表明結構橫向整體性較好，與主桁撓度測試值一致。

圖8 主桁桿件應力橫向分配

3.2 鐵路正交異性橋面局部效應

縱梁、橫梁、橫肋的彎曲應力測試結果見圖9，縱梁下緣測點位于局部輪位2處，其應力在該工況下達到峰值19 MPa，隨著荷載移動，下緣應力由受拉轉為受壓，壓應力在局部輪位5處達到峰值-11 MPa。橫梁測點位于局部輪位5處，其應力在5個輪位的測試下基本保持在25～30 MPa。節(jié)間橫肋測點位于局部輪位1處，其應力在該工況下達到峰值29 MPa，之后逐漸減小。

U形閉口加勁肋、鋼橋面板、橫梁過焊孔開口處的應力測試結果見圖10?？梢姡篣形閉口加勁肋、橋面板、過焊孔測點均位于局部輪位2處，其中U形閉口加勁肋在局部輪位2下達到峰值9 MPa，隨著荷載移動，下緣應力由受拉轉為受壓，壓應力在局部輪位5處達到峰值-6 MPa。在局部輪位荷載作用下，橋面板縱橫向均呈受壓狀態(tài)，其中縱橋向應力在局部輪位1，2處較大，橫橋向壓應力變化較小。過焊孔測點布置在橫肋上，其豎向局部應力為上方測點受壓、下部測點受拉，橫橋向應力變化較小。橋面板、U肋和過焊孔的應力測試結果表明，對于鐵路正交異性橋面系，經(jīng)過鋼軌、軌枕和道砟的傳遞，上部荷載傳遞至橋面上后呈較為均勻的分布狀態(tài)，橋面系相關構件上未出現(xiàn)明顯的應力集中效應。

圖9 縱梁、橫梁、橫肋彎曲應力測試結果

圖10 應力測試結果

3.3 關鍵節(jié)點應力

對加勁弦與鋼桁梁上弦桿的連接的A29節(jié)點應力進行了測試。節(jié)點板主壓及主拉應力、加勁弦與上弦桿連接板主壓及主拉應力的有限元計算結果見圖11、圖12。

圖11 A29節(jié)點板應力云圖（單位：MPa）

圖12 A29節(jié)點加勁弦與上弦桿連接板應力云圖（單位：MPa）

實測加勁弦J18A29桿端位置軸向應力為18.2 MPa，小于桿中平均軸向應力，但桿端測得的彎曲應力為-14.0 MPa，遠大于桿中彎曲應力5.0 MPa。上弦桿A28A29僅測試了桿端上緣應力為-26.7 MPa，對應桿中上緣應力為-12.6 MPa。在上弦桿與加勁弦夾角處連接板圓弧倒角位置，靠近加勁弦位置測得拉應力56.0 MPa，靠近上弦桿位置測得壓應力-36.6 MPa，該連接板受力較為復雜。對于A29上游側節(jié)點板，測得最大拉應力為21.3 MPa，最大壓應力為-21.8 MPa。

4 結論

1）由于試驗荷載在上下游兩側橋面分布明顯不均，因此3片主桁的橫向分配并不均勻，但實測受力較小的下游邊桁桿件應力及主桁撓度分配比例均略大于計算值，表明結構橫向具有較好的整體性。

2）鐵路正交異性橋面系在局部輪位作用下，縱梁、橫梁、橫肋、U形閉口加勁肋、橋面板、橫梁過焊孔開口處應力幅值較小，說明對于鐵路正交異性橋面系，經(jīng)過鋼軌、軌枕和道砟的傳遞，上部荷載傳遞至橋面上后呈較為均勻的分布狀態(tài)，橋面系相關構件上未出現(xiàn)明顯的應力集中效應。

3）對上弦桿與加勁弦連接節(jié)點A29的測試表明，加勁弦及上弦桿桿端位置彎曲次應力效應明顯。在上弦桿與加勁弦夾角處連接板圓弧倒角位置，靠近加勁弦位置測得拉應力56.0 MPa，靠近上弦桿位置測得壓應力-36.6 MPa，該連接板受力較為復雜且應力幅較大，應對其疲勞問題予以關注。