白 唐

（新疆交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

大跨度鋼構(gòu)橋需要配置梁端伸縮器，以確保結(jié)構(gòu)銜接的有效支撐和平順過渡，并適應(yīng)溫度和載荷等因素引起的梁端變位影響。伸縮器是鋼構(gòu)橋梁的特殊梁端設(shè)備，不僅需要適應(yīng)橋體水平和轉(zhuǎn)角位移等空間變位，還需要具備良好的強度、剛度和功能可靠性。對需要承擔(dān)較大梁端縱向和橫向移位的大跨度鋼構(gòu)橋梁，傳統(tǒng)的單一上承式或下承式伸縮器設(shè)計都存在局限性。上承式由于剛度不足，難以滿足縱向大移位的要求；下承式因為梁端與移位箱直接剛接，難以適應(yīng)橫向移位的要求，而且主要應(yīng)力部件的職責(zé)不明確。針對這些問題，案例工程實施了功能分離式的梁端伸縮器工藝方案。由該裝置將上承式和下承式設(shè)計有機結(jié)合，可實現(xiàn)橫、縱向應(yīng)力部件的分離。在伸縮器的范圍內(nèi)，可以將線路上方視為上承式梁端伸縮器，僅在一定范圍內(nèi)承擔(dān)橫向應(yīng)力，超出范圍后也開始承擔(dān)縱向應(yīng)力；線路下方視為下承式梁端伸縮器，僅提供結(jié)構(gòu)的垂向支撐。在一定的變位內(nèi)，該裝置實現(xiàn)橫向和垂向應(yīng)力應(yīng)對的功能分離，從而實現(xiàn)分離式的梁端伸縮器設(shè)計目標(biāo)。

1 工程概況

某大跨度鋼構(gòu)路橋總長為1 428 m，其跨度配置為84 m+84 m+1 092 m+84 m+84 m，采用鋼桁梁五跨雙塔地錨懸索設(shè)計。上層為高速公路，雙向4 車道，設(shè)計速度100 km/h。下層為4 線鐵路，設(shè)計速度速度250 km/h，預(yù)留2 線設(shè)計速度200 km/h。加力梁采取板桁結(jié)合的鋼桁梁結(jié)構(gòu)，橫斷面采取直主桁帶副桁形式。桁高16 m，桁距30 m，節(jié)間跨度14 m，公路橋面寬為46 m，左右索吊點間距為43 m。主橋采取梁塔分離的半漂浮體系，在兩主塔處，鋼梁底部每側(cè)各配置4組縱向液體粘滯阻尼器。各個主塔及橋墩處的主桁下均設(shè)置了垂向剛性支撐座，具有一定縱向和橫向自由度。主塔加力梁上弦和下弦外側(cè)，橫向配置抗風(fēng)支撐座，輔助墩和邊墩處，主桁下方均在兩側(cè)配置橫向抗風(fēng)支撐座。邊墩抗風(fēng)橫向支撐座的抗壓剛度為3 100 km/cm，預(yù)壓力為1 600 kN，允許彈性形變?yōu)?.5 cm。由于梁端變位較大，與小跨度橋梁相比，簡易伸縮器無法滿足梁端變位適應(yīng)要求。因此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為此工程采取了適合大跨度鋼構(gòu)橋使用的伸縮器設(shè)計方案。

2 分離式梁端伸縮器設(shè)計方案

該梁端伸縮器的設(shè)計方案如圖1 所示，部件名稱如表1 所示。其左側(cè)為引橋側(cè)，右側(cè)為主橋側(cè)?？v向伸縮時，主橋的梁端會發(fā)生縱向移位，通過混凝土枕與道砟帶動橫向支撐梁實現(xiàn)縱向移位，固定端移位箱與主橋梁端會同時伸縮，構(gòu)成上、下支撐梁同步抽拉狀態(tài)。該方案的主橋側(cè)的固定鋼枕、混凝土枕均通過扣板與橫向支撐梁固結(jié)；活動鋼枕通過扣板與橫向支撐梁連接，扣板和橫向支撐梁縱向自由，橫向約束，垂向空隙5 m，活動鋼枕垂向5 mm 形變時，橫向支撐梁不承擔(dān)垂向應(yīng)力；固定鋼枕和引橋側(cè)混凝土枕通過扣板與橫向支撐梁連接，縱向自由，同步限制橫向和垂向移位；線上部分以橫向支撐梁為骨架，構(gòu)成軌排，維護(hù)活動鋼枕的橫向穩(wěn)定；其余鋼枕都與橫向支撐梁構(gòu)成垂向和橫向約束，主橋側(cè)的鋼枕與橫向支撐梁構(gòu)成縱向約束。為避免在縱向拉力下兩側(cè)混凝土枕開裂，均采取剛性骨架混凝土枕[1]。

表1 分離式梁端伸縮器部件名稱一覽表

在移位箱范圍內(nèi)，移位箱和固定鋼枕還要賦予一定的橫向剛度約束，缺少這個約束，橫向支撐梁的支點跨度會變得過大，發(fā)生橫向搖擺時，梁端橫向移位就會被擴大，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定。但橫向剛度也不能太大，一般應(yīng)以不超過道砟對混凝土枕形成的橫向約束剛度為宜，這樣可以降低移位箱對梁端橫向移位的傳導(dǎo)，活動鋼枕在橫向和垂向均獲得穩(wěn)定約束。

3 梁端伸縮器應(yīng)力應(yīng)變模擬分析

3.1 主要部件的靜力應(yīng)力應(yīng)變分析

（1）鋼枕應(yīng)力應(yīng)變分析?；顒愉撜砼c固定軌枕在2根支撐梁和兩側(cè)移位箱上分別配置，位移箱、支撐梁之間配置枕下墊板，2 根支撐梁的中心距150 cm。應(yīng)力情況：列車載荷作用于鋼軌，借助軌下墊板和扣件向鋼枕將傳力，鋼枕實體承壓，應(yīng)力與支撐條件良好。為把握鋼枕應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，采用工程有限元模擬軟件對鋼枕進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示，軸載350 kN（每側(cè)等效175 kN）靜活載集中影響下，考慮2 倍的局域動力放大系數(shù)，鋼枕最大應(yīng)力45.63 MPa，最大形變0.26 mm，應(yīng)力應(yīng)變具有足夠安全儲備，符合安全設(shè)計要求[2]。

（2）垂向支撐梁應(yīng)力分析。支撐梁是整個伸縮器應(yīng)力的核心部件。該設(shè)計共設(shè)置了3 根活動鋼枕。支撐梁長度3.47 m，其與移位箱間配置了承壓支撐座。當(dāng)伸縮器處于最大伸長功效時，支點間距3.16 m，相當(dāng)于跨度3.16 m 的簡支梁。每套伸縮器共設(shè)置兩根支撐梁，為考慮伸縮器的垂向傳力特性，兩根支撐梁的橫向中心距為1.50 m。列車載荷在2 根支撐梁上視為均勻分布。有限元模擬結(jié)果顯示，單根支撐梁垂向施加荷載175 kN 時，支撐梁最大應(yīng)力25.96 MPa，應(yīng)力水平較低，儲備較大。跨中的最大撓度0.94 mm，撓度較小，符合安全設(shè)計要求。

（3）橫向支撐梁應(yīng)力分析。橫向支撐梁用于承受橫向搖擺力，并為伸縮器提供橫向剛度。模擬條件為，簡化橫向支撐梁為連續(xù)鋼梁，支點間距設(shè)為固定鋼枕的中心距，伸縮器最大伸長工況下，水平橫向荷載作用于跨中最不利加載工況。考慮梁跨較短，橫向搖擺力可視為水平集中力，2 個支撐梁各承受橫向水平力50 kN。模擬結(jié)果顯示，單根橫向支撐梁承受載荷50 kN 工況下，其最大應(yīng)力23.43 MPa，橫向最大移位1.31 mm，達(dá)到要求。在模擬橫向支撐梁時，未考慮梁縫區(qū)的應(yīng)力及傳力作用，為安全起見，建議還是以裝置整體的模擬結(jié)果為準(zhǔn)。

（4）連桿模擬分析。連桿是縱向伸縮器中主要承應(yīng)力的伸縮桿件，其應(yīng)力情況與伸縮時涉及的滑動面數(shù)、各滑動面的壓力、摩擦系數(shù)、扣件以及壓力等因素相關(guān)。研究顯示，分配到單組連桿上的伸縮阻力不應(yīng)超過50 kN。因此，該模擬按照50 kN 的標(biāo)準(zhǔn)考慮單側(cè)桿件的應(yīng)力情況。

模擬工況為，假設(shè)中部活動鋼枕在縱向載荷-50 kN影響下受到阻礙，計算連桿縱向應(yīng)力狀態(tài)。計算結(jié)果結(jié)果顯示，模擬工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在長連桿中部，最大應(yīng)力在126 MPa，低于材料的210 MPa 容許應(yīng)力值，滿足連桿應(yīng)力要求。須指出，連桿并不可以均按照50 kN限值設(shè)計，而且還要綜合考慮連桿匹配以及伸縮器縱向伸縮阻力狀態(tài)，才能充分滿足結(jié)構(gòu)安全需要。

3.2 裝置整體的靜力應(yīng)力應(yīng)變分析

根據(jù)分離式梁端伸縮器設(shè)計方案，采用ABAQUS有限元模擬軟件建立模型，開展模擬計算。在模擬中對伸縮器給予部分簡化處理，比如不考慮兩側(cè)剛性骨架混凝土枕，對橫向支撐梁和軌道端部給予移位約束，以利于保持線路線型和支撐梁應(yīng)力影響較小。因為移位箱斷面和整體剛度比較大，為提高模擬計算速度，采用實體C3D8R 單元，按剛體模擬計算，非關(guān)鍵應(yīng)力構(gòu)件按常規(guī)處理，關(guān)鍵應(yīng)力構(gòu)件提升網(wǎng)格密度。以實體模型模擬壓緊支撐座、承壓支撐座等彈性墊板。部件間接觸按照伸縮器實際工作狀態(tài)進(jìn)行面面接觸、摩擦、綁定以及鉸旋轉(zhuǎn)等模擬。

梁端伸縮器在運營時需要承受橫向搖擺力和垂向輪載的作用。在進(jìn)行整體靜力模擬分析時，除了分別分析橫向搖擺力和垂向載荷外，還需要考慮梁端支撐點移位所產(chǎn)生的附加力的影響，并根據(jù)這些不利因素對各荷載進(jìn)行組合。共確定了4 種模擬計算工況，具體為：

工況1：伸縮器中部的活動鋼枕區(qū)域，施加了350 kN的垂向載荷；

工況2：在工況1 基礎(chǔ)上，活動鋼枕增加100 kN 水平載荷；

工況3：在工況2 基礎(chǔ)上，又在固定端移位箱施加了1 mm 垂向移位；

工況4：在工況3 基礎(chǔ)上，又在固定端移位箱施加了1 mm 的橫向位移。

伸縮器最大伸拉時的整體靜力組合應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果如表2 所示[3]。

表2 伸縮器整體靜力組合模型計算結(jié)果

通過表2 數(shù)據(jù)能夠看到：

（1）在工況1 模擬計算中，鋼軌垂向支撐梁的最大垂向位移為0.074 cm，最大應(yīng)力為20.380 MPa，相比部件模擬的位移為0.094 cm，最大應(yīng)力25.96 MPa，差異度并不大。這表明由于整體結(jié)構(gòu)對荷載的分散作用，部件分析的安全系數(shù)更大。在這種情況下，最大垂向位移為0.165 cm，對應(yīng)的整體垂向剛度1 060 kN/cm

（2）在工況2 模擬計算中，鋼軌橫向支撐梁的橫向位移0.067 cm，最大應(yīng)力16.02 MPa，相比部件模擬的位移為0.131 cm，應(yīng)力23.43 MPa，差異較為明顯。這表明整體分析模型與組件分析模型存在一定程度的差異，但是計算結(jié)果均相對較小，處于允許范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為，橫向支撐梁能夠提供良好的橫向支撐剛度。

（3）在工況3 模擬計算中，鋼軌最大垂向位移為0.284 cm，垂向支撐梁最大垂向位移為0.136 cm，應(yīng)力為23.36 MPa；橫向支撐梁最大橫向位移為0.068 cm，應(yīng)力17.80 MPa。模擬計算結(jié)果均數(shù)值比較小，與工況2 相比，主要是由于垂向支撐梁和鋼軌的垂向形變增加，符合實際情況。

（4）在工況4 模擬計算中，鋼軌最大垂向位移為0.284 mm，垂向支撐梁垂向最大位移為0.137 cm，應(yīng)力23.59 MPa；橫向支撐梁的橫向最大位移為0.136 cm，應(yīng)力19.19 MPa。模擬結(jié)果均數(shù)值比較小，與工況3 相比，主要是由于橫向支承梁的橫向變形增加，表明位移箱的橫向位移可以通過鋼枕傳遞到橫向支承梁。

通過模擬計算結(jié)果可以看出，在四種不同的工況下，裝置整體應(yīng)力水平都較低，說明伸縮器整體的應(yīng)力應(yīng)變功效滿足設(shè)計要求。因此可以得出結(jié)論，該功能分離式伸縮器可以在適應(yīng)一定橫向移位的狀態(tài)下，滿足梁端平穩(wěn)過渡和結(jié)構(gòu)安全需要。

4 結(jié)語

該文基于工程應(yīng)用案例，開展了鋼構(gòu)橋功能分離式梁端伸縮器設(shè)計研究。

（1）介紹了分離式梁端伸縮器設(shè)計方案。該伸縮器由固定鋼枕、垂向支承梁、橫向支撐梁、承壓支撐座等27 種結(jié)構(gòu)部件組成，該伸縮器下部分采用下承式伸縮器設(shè)計，僅提供垂向支撐剛度，上部分采用上承式伸縮器設(shè)計，僅提供橫向剛度。該設(shè)計形式可提供良好的橫向和垂向支撐，并能勝任適應(yīng)一定量的橫向位移。

（2）介紹了該梁端伸縮器應(yīng)力應(yīng)變模擬分析結(jié)果。分別進(jìn)行了主要部件的靜力應(yīng)力應(yīng)變分析和裝置整體的靜力應(yīng)力應(yīng)變分析。分析結(jié)果表明，該伸縮器組件安全儲備充足，伸縮器整體應(yīng)力水平都較低，可以在適應(yīng)一定橫向移位的狀態(tài)下，滿足整體的應(yīng)力應(yīng)變功效、梁端平穩(wěn)過渡和結(jié)構(gòu)安全需要，設(shè)計方案是合理和可行的。文中分析指出，伸縮器連桿并不可以均按照50 kN 限值設(shè)計，還要綜合考慮連桿匹配以及伸縮器縱向伸縮阻力狀態(tài)，才能充分滿足結(jié)構(gòu)安全需要。