鋼—混組合連續鋼構方案在鐵路橋上的應用探討

王 業 飛

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031； 2.中鐵二十三局集團有限公司，四川 成都 610072)

鋼—混組合連續鋼構方案在鐵路橋上的應用探討

王 業 飛1，2

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031； 2.中鐵二十三局集團有限公司，四川 成都 610072)

以某跨涪江的鐵路橋梁工程為例，對鋼—混凝土組合連續箱梁結構方案在鐵路大跨橋梁上的應用進行了探討，并結合有限元分析和車橋耦合分析驗證了該方案的可行性，可供類似鐵路橋梁設計時參考。

鋼—混組合箱梁，連續剛構，鐵路橋

1 概述

近年來，隨著我國鐵路建設事業的高速發展，鐵路橋梁的形式也越來越多樣，而混凝土梁方案仍然以其優越的經濟性及友好的施工操作性在鐵路橋中占據了主要地位，同時混凝土主梁提供的較大剛度也較好地滿足了鐵路橋對鐵路列車行車平順性、舒適性的要求。但是隨著跨度的增大，混凝土連續梁(剛構)的經濟性顯著下降，跨度增大后，其截面尺寸、材料消耗快速增加，且增加的材料主要用來克服其自身重量影響，目前在役的最大跨度的鐵路混凝土連續梁(剛構)為襄渝鐵路主跨192 m的牛角坪連續剛構。鋼橋在鐵路橋梁中的應用主要體現于300 m以上跨度的特大跨度橋梁中，同等跨度的結構，其自身重量要比混凝土梁小很多，但是鋼橋的造價比混凝土梁又高出很多，因此如何從我國的國情實際出發，結合這兩種材料的優點并應用于我國的鐵路橋梁建設中，經濟合理進行鐵路建設顯得十分必要。

剛—混組合連續梁(剛構)能夠比較好的滿足以上需要，連續梁(剛構)主體為混凝土結構，僅將主跨中間節段(綜合考慮跨度，現場鋼箱梁節段吊裝條件確定)設計為鋼箱梁，可以大幅減少結構的彎矩和自重效應，又能以較低代價實現較大的跨越。理論上具有較好的可行性。

2 鋼—混組合箱梁剛構方案

某橫跨涪江的鐵路單線橋，橋下河寬約170 m，橋高56 m，為通航控制，有砟鐵路，設計活載為“中—活載”。結合現場地形地貌，研究提出了主跨 (96+206+73)鋼—混凝土組合連續剛構方案。主跨跨中設置70 m長的鋼箱節段，其余均采用混凝土材料。

混凝土梁體為單箱單室變高度變截面箱梁。主橋全長377 m、箱寬8.0 m、頂板寬為8.5 m，箱梁跨中及邊跨梁端梁高為6.5 m，支點梁高為12.0 m。其間梁底按二次拋物線變化。頂板厚60 cm。底板厚50 cm～100 cm，腹板厚60 cm～120 cm。

混凝土主梁采用C55混凝土，縱向預應力采用19-15.2和17-15.2高強度低松弛鋼絞線；頂板橫向預應力筋采用4-15.2高強度低松弛鋼絞線；豎向預應力采用公稱直徑32 mm的PSB830預應力混凝土用螺紋鋼筋。體外預應力采用27-15.2環氧噴涂無粘結鋼絞線，可調、可換型體外預應力錨具。

中間節段的鋼箱梁采用Q370qD鋼材，截面為單箱雙室等高變截面。鋼箱梁主要由頂板、底板、腹板及各自的加勁肋組成。箱頂板寬度為8.5 m，鋼箱梁底板寬8.0 m，在鋼箱梁中設一道縱向隔板，以增強其整體剛度。外型幾何尺寸與混凝土箱梁保持一致，梁高6.5 m。頂板采用帶U形閉口肋的正交異性板結構，厚度為32 mm，腹板為26 mm～28 mm，接頭2.5 m范圍內為30 mm，底板厚度為24 mm～28 mm。橫隔板每隔4 m設置一道，每隔1 m設置一道次橫梁。頂板采用U形加勁肋，上口寬340 mm，下口寬180 mm，高320 mm，厚8 mm～10 mm。腹板和底板采用一字形加勁肋，其中腹板加勁肋厚度為20 mm，底板加勁肋厚度為24 mm，長度均為280 mm。

箱體及節段間連接全部采用焊接，工地連接采用加勁肋栓接定位后再施焊，連接完成后拆除高強螺栓。

鋼—混凝土過渡段是本橋組合系統成立的關鍵部位。鋼箱混凝土現澆段長度1.5 m，內部澆筑混凝土。通過鋼箱梁頂板、腹板、底板、加勁肋板及其結合部位鋼板與混凝土的承壓進行軸力傳遞；通過結合部位頂、底板的預應力筋傳遞彎矩；通過鋼混接頭部位的開孔鋼板孔中的混凝土傳遞剪力。鋼—混凝土接頭混凝土區段長12.0 m，由混凝土連接過渡段長9.5 m和混凝土連接現澆段2.5 m組成；鋼—混凝土接頭鋼箱區段長10.5 m，由鋼箱工地連接段2.5 m和鋼箱剛度過渡段8 m組成。

3 全橋有限元分析結果

對主橋利用MIDAS軟件建立了有限元分析模型，主要考慮了結構自重、橋面恒載、活載、溫度荷載、風荷載的不利組合。有限元模型如圖1所示。

根據計算結果，混凝土主梁部分，運營階段最不利荷載作用下最大正壓應力16.1 MPa，最小壓應力1.9 MPa；截面最大主壓應力17.7 MPa，最大主拉應力-1.24 MPa； 正截面強度為2.37，滿足規范[1]要求。

鋼箱梁部分在運營階段最不利荷載作用下，鋼箱梁最大壓應力145.7 MPa，最大拉應力-51.5 MPa，滿足規范[2]要求。

靜活載所引起的中跨跨中最大豎向撓度0.079 m，撓跨比為1/2 607；在搖擺力、離心力和橫向風力作用下的跨中橫向水平位移為0.029 m，撓跨比為1/7 103，均滿足規范[3]要求。

運營階段混凝土梁截面強度安全系數K>2.2(主力)和1.98(主力+附加力)，抗裂安全系數K>1.2(主力)和1.2(主力+附加力)，滿足規范[1]要求。

4 鋼箱梁節段分析結果

為進一步了解中間70 m鋼箱梁節段的受力情況，又采用板單元建立了鋼箱梁節段模型進行局部分析，如圖2所示。鋼梁段采用板單元建模，采用“厚板”單元，即考慮板的剪切變形。在整體分析中，由于剛混接頭段存在預應力，引起剛度突變，位移隨之突變。考慮結果對位移敏感，根據圣維南原理，取中間60 m的鋼梁段進行分析。邊界條件采用端截面剛性連接+強制位移的形式實現。

最不利荷載組合，主力作用下頂板最大彎曲應力125.3 MPa，最大von-mises應力125.4 MPa；主力作用下底板最大彎曲應力36.2 MPa，最大von-mises應力41.0 MPa；溫度荷載引起的頂底板應力分別為-51.6 MPa，26.6 MPa；提取了跨中節段附近的應力圖如圖3所示。

從圖3的應力分布情況可以看出，鋼箱梁截面受力最不利位置主要分布于頂板區域，一是橫梁之間的跨中處，另一區域則是U形加勁肋板處。若進行施工圖設計需對此兩處進行進一步的深入研究和分析。

5 車橋耦合分析結果

列車對橋梁的動力影響日益增強，其動力作用引起橋梁上部結構的振動可能使結構構件產生疲勞，降低其強度和穩定性，而橋梁振動過大可能會對橋上車輛的運行安全和穩定性產生影響。

該橋為大跨度連續剛構梁，且跨中區段70 m采用的鋼箱結構，目前這種組合形式在公路橋上有重慶石板坡長江大橋[4]，但是在鐵路橋上還沒有已經實施的先例，設置鋼箱梁后的梁體剛度、平順性能否滿足鐵路列車的行車要求無法直觀判斷，因此有必要對這種結構形式的橋梁進行車橋耦合動力響應分析。

應用MSC軟件按橋梁尺寸建立列車、橋梁的空間振動分析模型，連續箱梁體、鋼箱梁體，橋墩和樁基均采用梁單元，墩梁間支座采用主從約束方程處，模型如圖4所示。根據有關列車行車安全性與乘坐舒適性和平穩運行的評估標準，對剛—混組合連續剛構方案進行車橋耦合動力響應分析檢算。研究該橋在正常運營中是否有足夠的橫向剛度及良好的列車運營平穩性，為橋梁的合理設計提供支撐。

根據模型的計算結果得到了以下結論：

1)該橋的第一階橫向頻率0.743 Hz，主梁對稱橫彎；第一階豎向頻率1.105 Hz。振型為對稱豎彎。2)橋梁振動加速度滿足垂向不大于0.35g和橫向不大于0.14g的要求，滿足行車安全要求。3)DF4+C62重貨以60 km/h～80 km/h速度通過時，跨中最大動撓度值為58.416 mm，相應撓跨比為1/3 526，沒有出現共振現象。4)各種車輛編組以各個速度通過時，輪重減載率均小于0.6，脫軌系數均小于0.8，輪軸橫向力小于限值，行車安全性滿足要求。5)采用美國六級譜轉換的時域不平順作為激勵源，SS8機車和雙層客車以140 km/h～160 km/h速度通過時，動車豎向舒適度為優，橫向舒適度為良，拖車各舒適度均為優；車體加速度合格。6)采用美國五級譜轉換的時域不平順作為激勵源，DF4機車和C62重貨以車速70 km/h～80 km/h通過時，機車舒適度為良，重車平穩性指標也為良；車體加速度合格。

6 結語

本文結合探討了鋼—混凝土組合結構箱梁在大跨鐵路橋梁上的應用，并進行了初步的分析和計算，根據計算結果，混凝土主梁和鋼箱梁的應力均能滿足要求，橋梁的車橋耦合動力分析結果也表明此種結構形式的橋梁，能夠滿足行車剛度、平順性、舒適度等要求。但是鑒于鐵路列車活載和公路橋梁荷載的不同，若要進行方案的實施，建議對鋼—混凝土箱梁接頭區的疲勞性能、抗震性能設計及鋼箱梁就位合龍影響因素等方面進行進一步研究。

[1] TB 10002.3-2005，鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].

[2] TB 10002.2-2005,鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].

[3] 鐵建設函[2005]285號文，時速200公路客貨共線鐵路設計暫行規定[S].

[4] 鄧文中，代 彤.重慶石板坡長江大橋復線橋總體設計[J].橋梁建設，2006(6):28-32.

Application inquiry of steel-concrete composite continuous steel structure scheme in railway bridge

WANG Ye-fei1,2

(1.ChinaRailway2ndInstituteEngineeringGroupCo.,Ltd,Chengdu610031,China;2.ChinaRailway23rdBureauGroupCo.,Ltd,Chengdu610072,China)

Taking the crossing-Fu river railway bridge engineering as an example, the paper inquires the application of steel-concrete composite continuous steel structure scheme in large-span railway bridge, and testifies its feasibility by integrating with finite element analysis and vehicle-bridge coupling analysis, which can provide some guidance for similar railway bridge design.

steel-concrete composite box girder, continuous steel structure, railway bridge

1009-6825(2014)11-0214-03

2014-02-08

王業飛(1983- )，男，工程師

U448.13

A