鐵路橋梁鋼管混凝土結構體系參數研究

李國強，徐升橋

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院，北京 100055)

1 概述

目前鋼管混凝土結構在我國鐵路橋梁建設中已得到大量的應用，與建筑結構相比橋梁結構具有跨度大、承受活載的特點。疊加法符合橋梁工程師的設計習慣，可較好地反映大跨度鋼管混凝土拱橋施工和運營過程鋼管、混凝土應力變化以及結構位移變化的情況，便于設計者開展總體性橋梁結構分析，確保工程的使用與安全性能。

進行鐵路鋼管混凝土橋梁的結構分析時，結構安全系數與容許應力的取值以及鋼管內混凝土收縮、徐變參數的確定，是鋼管混凝土結構橋梁設計的關鍵問題，對保證鐵路橋梁鋼管混凝土結構的正常使用與結構安全具有十分重要意義。

有關符號:

fs—鋼的屈服強度;

fc—混凝土的標準強度;

［σs］—鋼材軸向容許應力;

As—鋼截面積;

Ac—混凝土截面積;

Φ—軸心受壓穩定系數;

N—計算軸向力;

M—計算彎矩;

NU—軸壓承載力;

C2—鋼管混凝土軸心強度計算系數［1］;

a、b、c、d、η0—鋼管混凝土壓彎強度計算系數［2，3］。

2 結構安全系數與容許應力

對時速250 km客運專線鐵路有砟軌道雙線簡支組合拱設計圖(專橋(2010)0227-Ⅳ)和大瑞鐵路瀾滄江特大橋［4］建立空間有限元分析模型，考慮施工過程鋼管、管內混凝土單元應力的逐步累加，以及混凝土收縮徐變的影響，進行結構安全系數與容許應力的取值計算分析。

2.1 專橋(2010)0227-Ⅳ

時速250 km客運專線鐵路有砟軌道雙線簡支組合拱(專橋(2010)0227-Ⅳ)為鋼管混凝土拱肋與混凝土主梁構成的組合橋梁結構，主梁長122 m，計算跨度118 m。主拱拱肋為鋼管混凝土平行拱，拱軸線采用二次拋物線，矢高 23.6 m，矢跨比 1/5。拱肋采用Q345q鋼、啞鈴形截面的鋼管混凝土，截面由2根鋼管及連接腹板組成，截面全高 3.2 m，鋼管直徑 1.2 m、壁厚32 mm(拱腳段 36 mm)，腹板厚 16 mm，管內灌注C50自密實混凝土。如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土拱肋截面(單位:mm)

(1)拱肋組合應力

主力組合作用下，鋼管最大應力171.4 MPa、最小應力137.6 MPa(受壓)，混凝土最大壓應力7.6 MPa;

主+附組合作用下，鋼管最大應力171.4 MPa、最小應力 128.4 MPa(受壓)，混凝土最大壓應力7.6 MPa。

(2)拱肋強度

軸心受壓構件的強度按下式計算

壓彎構件的強度應按下式計算

拱肋截面強度計算結果見圖2～圖5。

圖2 主力工況軸壓強度安全系數

圖4 主+附工況軸壓強度安全系數

圖5 主+附工況拱肋強度綜合系數

2.2 大瑞鐵路瀾滄江特大橋

大瑞鐵路瀾滄江特大橋［4］為主跨363 m上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，拱肋勁性骨架采用Q345q鋼的4管式桁架，弦桿鋼管外徑1.0 m，壁厚根據受力部位的不同分為 26、36、42、46 mm，管內灌注 C60 混凝土。

由于恒載比例大，本橋為主力組合工況控制設計。

(1)拱腳截面

主力組合下計算軸力N=41 880 kN，截面承載力Nu=85 756 kN。

安全系數 K=85 756/41 880=2.05。

相應的鋼管應力 σs=238 MPa，混凝土應力 σc=13.9 MPa。

(2)拱頂截面

主力組合下計算軸力N=39 691 kN，截面承載力Nu=87 742 kN。

安全系數 K=87 742/39 691=2.21。

相應的鋼管應力 σs=221 MPa，混凝土計算應力σc=14.3 MPa。

3 混凝土收縮

鋼管內混凝土的縱向收縮，將在截面上產生收縮自應力，對于鋼管是壓應力，對于混凝土則是拉應力。

3.1 計算方法

按以下3種計算條件，對時速250 km客運專線鐵路有砟軌道雙線簡支組合拱(專橋(2010)0227-Ⅳ)進行比較計算:

(1)不計管內混凝土收縮;

(2)參照混凝土梁“橋規”［5］的計算方法，收縮應變終極值取0.00011;

(3)管內混凝土收縮按混凝土降溫10℃計算。

圖6為采用 MIDAS/Civil建立的空間有限元模型，主梁、拱肋、橫撐均采用梁單元模擬;拱肋單元為啞鈴型截面，采用施工階段聯合截面來模擬鋼管和管內混凝土的相互作用。模型共包括291個節點和339個單元，分析模型如圖6所示。

圖6 空間有限元模型

3.2 計算結果(表1)

表1 拱肋恒載軸力 kN

從表1可知，混凝土收縮按管內混凝土降溫10℃計算與按“橋規”方法計算，計算結果較為接近。

考慮管內混凝土收縮，鋼管軸力增加約14.6% ～18.1%，混凝土軸力減小 18.1% ～22.2%，混凝土收縮效應不可忽視。

4 混凝土徐變

混凝土徐變使組合截面中鋼管分擔的內力增加，管內混凝土分擔的內力減小。目前的鐵路鋼管混凝土拱橋設計，徐變計算多參照混凝土橋梁的計算方法。

4.1 計算方法

按以下3種計算條件，進行比較計算:

(1)不計鋼管內混凝土的徐變;

(2)灌注鋼管內混凝土10 d后張拉吊桿，參照混凝土梁“橋規”［5］的計算方法，鋼管內混凝土徐變終極系數取 1.7;

(3)鋼管內混凝土徐變終極系數取2.0。計算模型見圖6。

4.2 計算結果

以上3種計算方法得到的結構內力見表2。考慮鋼管內混凝土徐變，鋼管內力增加、混凝土內力減小:徐變系數取1.7，鋼管軸力增加約41.8%，混凝土軸力減小約 51.5%;徐變系數取 2.0，鋼管軸力增加約47.7%，混凝土軸力減小約58.3%。

表2 拱肋恒載軸力 kN

5 剛度參數

鋼管混凝土拱肋剛度的取值對結構的靜動力計算結果有一定影響［6］，徐升橋［1］通過統一理論導出了疊加法公式的軸壓剛度、彎曲剛度計算系數ηA、ηI，可較好地滿足鐵路鋼管混凝土結構的設計計算需要。

5.1 計算方法

采用常規方法計算鋼管混凝土結構的徐變效應時，鋼管單元、混凝土單元的軸壓剛度、抗彎剛度分別取:EsAs、ηAEcAc;EsIs、ηIEcIc。

時速250 km客運專線鐵路有砟軌道雙線簡支組合拱(專橋(2010)0227-Ⅳ)拱肋標準段含鋼率 α為0.116，根據文獻［1］有關數據:ηA=1.02，ηI=0.46。

5.2 計算結果

不同剛度計算參數條件，恒、活載作用下的結構內力分別見表3、表4。

表3 拱肋恒載內力

表4 拱肋活載內力

考慮剛度計算參數，恒、活載作用下，鋼管與混凝土分擔的內力變化不大:鋼管軸力略有減小、混凝土軸力略有增加。

6 結語

對于鐵路橋梁鋼管混凝土結構，結構安全系數K和鋼管內混凝土收縮徐變系數、剛度計算參數的取值，是結構分析與設計的關鍵參數。

6.1 結構安全系數

從以上兩類實橋的計算結果可以看出，鋼管混凝土構件的鋼管應力在各種荷載組合(不含地震力)下均不大于1.25［σs］，相應主力工況下的安全系數K不小于2.0，因此結構的強度安全系數K可按下式取值:

主力 K≥2.0;

主力+附加力 K≥1.8。

6.2 混凝土收縮、徐變

鋼管混凝土結構的混凝土收縮值較普通鋼筋混凝土結構要小，混凝土收縮產生的內力可按混凝土降溫10℃計算;鋼管混凝土拱橋主拱拱肋截面應力計算必須考慮混凝土徐變的影響，鋼管內混凝土的徐變系數終極值 φ(t∞，τ)可取為 1.8 ～2.0。

6.3 剛度

采用常規方法計算鋼管混凝土結構的徐變效應、動力特性和活載效應時，鋼管和混凝土單元的軸壓剛度、抗彎剛度分別取 EsAs、ηAEcAc;EsIs、ηIEcIc;考慮混凝土徐變和長期疲勞效應，計算鋼管混凝土結構成橋階段的結構穩定性時，鋼管和混凝土單元的軸壓剛度、抗彎剛度分別取 EsAs、0.5ηAEcAc;EsIs、0.5ηIEcIc。

［1］徐升橋.鐵路橋梁鋼管混凝土結構基本設計參數研究［J］.鐵道標準設計，2011(3):52-55。

［2］中鐵工程設計咨詢集團有限公司.鐵路橋梁鋼管混凝土結構技術規程［R］.北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2011.

［3］韓林海.鋼管混凝土結構—理論與實踐［M］.2版.北京:科學出版社，2007.

［4］徐升橋.鐵路橋梁罕遇地震設計研究［J］.鐵道工程學報，2008(S):158-164.

［5］TB10002.3—2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］韋建剛，陳寶春.鋼管混凝土拱橋拱肋剛度設計取值分析［J］.交通運輸工程學報，2008，8(2):34-39.