重載鐵路大跨度鋼桁梁橋面系選擇及分析

郭子煜

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

重載鐵路大跨度鋼桁梁橋面系選擇及分析

郭子煜

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

為選擇適合重載鐵路大跨度鋼桁梁的橋面系形式，Midas/Civil程序建立有限元空間模型，通過對山西中南部108m雙線下承式鋼桁梁兩種不同橋面系的理論計算分析和綜合比較，得出大跨度鋼桁梁橋面系選用密橫梁鋼橋面板體系，既回避了混凝土橋面板的裂縫控制難題，又減小了結構自重，節約了用鋼量，還增加施工過程的安全性。

重載鐵路;大跨度;下承式鋼桁梁;橋面系;混凝土橋面板;鋼橋面板

1 概述

山西中南部鐵路通道是國內第一條軸重為30t以貨運為主的大能力鐵路運輸線。目前國內對中活載、ZK活載下大跨度下承式簡支鋼桁梁橋面系的結構形式及分析比較多，但對于重載下的大跨度簡支鋼桁梁橋面系的結構形式及分析較少。橋面系的設計對鋼桁梁整體剛度、結構耐久性以及對行車安全和舒適十分重要［1］。實際的鋼桁梁設計中，使用較多的橋面結構形式有如下3種:(1)縱橫梁混凝土橋面板體系;(2)密橫梁混凝土橋面板體系;(3)密橫梁鋼橋面板體系［6］。本橋為重載下的大跨度鋼桁梁，如果采用第一種橋面形式，由于橫梁個數較少，使橫梁結構高度較高，橫梁的面內、面外組合應力較高［2］，故第一種橋面形式不適用于本橋。本文以重載鐵路108m雙線下承式簡支鋼桁梁密布橫梁混凝土橋面板和鋼橋面板為研究對象，建立整體有限元模型，對鋼桁梁橋面系兩種不同形式進行計算分析，得出兩種橋面形式對結構受力的影響。

2 設計標準及相關參數

2.1 活載標準

(1)活載:1.2倍ZH－活載。詳見圖1。

(2)動力系數、牽引力和制動力系數仍按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)公式采用。

圖1 1.2倍ZH－活載圖示(單位:m)

(3)離心力仍采用《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)中的4.3.6條計算。但離心力的作用位置取軌頂以上2.2m。

(4)橫向搖擺力、脫軌荷載的計算原則按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)采用，荷載取值提高20%。

(5)二期恒載(道砟、線路設備、軌枕):

直線:146.8 kN/m·雙線

(6)設計速度:120 km/h(貨車)。

(7)結構形式:采用平弦無豎桿華倫式三角桁架;密布橫梁體系;無下平聯;“X”形上平聯;采用桁式橋門架及橫聯;主桁上、下弦均采用箱形桿件;腹桿除部分桿件受力需要采用箱形桿件外，其余均采用H形桿件。

(8)鋼材:鋼梁主體結構材質除橋門架、橫聯、上平縱聯采用Q345qE外，其余均采用Q370qE鋼，附屬工程采用Q235C，Q370板厚不超過46mm。

鋼筋:HRB335。

混凝土:C50。

高強度螺栓:主桁采用M30高強螺栓，橋面系均采用M24高強螺栓。

剪力釘:φ22×180mm。

(9)溫度

最低設計溫度按－30℃，最高設計溫度按+45℃，鋼梁與混凝土溫差按±15℃考慮，日照引起的鋼梁局部升溫按30℃考慮。

3 主桁和橋面構造形式

主桁類型為下承式道砟橋面簡支鋼桁梁，桁式為平行弦無豎桿三角桁架(圖2)。主桁共9個節間，每個節間12m，計算跨度108.0m，全長109.5 m，桁高14.5m，橫橋向支座中心距為12.8m。橋面系除在下弦節點處設置1道節點橫梁外，每個節間再設置3道橫梁，不設下平聯。

3.1 密橫梁混凝土橋面板體系

密橫梁混凝土橋面板結構不設縱梁，混凝土橋面板通過剪力釘與橫梁連接，橋面板不與主桁相連，橫梁與主桁下弦栓接將橋面荷載通過橫梁直接傳遞到主桁上［2］。結構如圖3所示。

圖2 主桁輪廓立面(單位:mm)

圖3 密橫梁混凝土橋面板結構(單位:mm)

3.2 密橫梁鋼橋面板體系

由于橋面位于桁梁的受拉區，隨著橋梁跨度的增加，橋面越長，混凝土橋面板所受拉力越大，混凝土橋面板設計難度增大。密橫梁鋼橋面板體系與密橫梁混凝土橋面板體系結構相似，只不過是把混凝土改為鋼板。鋼橋面板下有U肋及豎肋加強。鋼橋面板與橫梁上翼緣形成一個整體，橋面板與主桁焊接，橫梁豎板和下翼緣與主桁下弦桿栓接。這樣，橋面板與主桁形成一個整體，參與整體受力。鋼橋面板不存在混凝土橋面板的收縮徐變問題，而且溫度伸縮系數與主桁一致，橫梁面外彎曲效應有所減弱。鋼橋面板可以分擔下弦桿的一部分拉力，可以減小下弦桿的截面尺寸。結構如圖4所示。

圖4 密橫梁鋼面板結構(單位:mm)

4 不同橋面系構造的計算分析比較

4.1 有限元模型

采用Midas/Civil程序建立有限元空間模型，對結構進行分析計算。分別建立了密橫梁混凝土橋面板和密橫梁鋼橋面板兩種結構形式的空間有限元模型。密橫梁混凝土橋面板體系模型需建立純鋼結構和鋼混組合結構兩種模型，一期恒載由純鋼結構單獨承受，二期恒載和活載由組合結構承受分兩次計算，同時在組合結構模型下分別計算混凝土收縮，升降溫對結構產生的影響，并按最不利影響進行組合。密橫梁鋼橋面板體系模型相對簡單，只需建立1個模型。整體計算模型如圖5所示。

圖5 整體結構模型

主桁桿件采用空間梁單元，混凝土板和鋼橋面板采用空間板單元，橫梁及平聯采用空間梁單元。按平截面假定考慮主桁下弦桿，橫梁和混凝土板或鋼板的偏心、鋼與混凝土板之間的滑移不考慮。主桁各桿件之間、橫梁與主桁下弦之間、上平聯與主桁上弦之間都按剛結處理，并考慮偏心。

設計荷載

(1)密橫梁混凝土橋面板體系

一期恒載(D1)340 kN/m;

二期恒載(D2)146 kN/m;

鋼材的彈性模量取值2.1×105MPa;

混凝土彈性模量取值

二期恒載1.4×104MPa(n=15);

活載2.1×104MPa(n=10);

混凝土收縮徐變1×104MPa(n=21);

混凝土升降溫1.5×104MPa(n=14);

n為計算溫度變化影響時鋼與混凝土的彈性模量比值。

(2)密橫梁鋼橋面板體系

恒載320 kN/m。

4.2 兩種方案對比分析

(1)兩種橋面系比較

表1是在主桁及橫梁截面相同時兩種橋面系的比較。混凝土橋面板的高度為300mm，鋼橋面的鋼板厚度為16mm。

從表1中可以看出，兩種橋面系下的橫梁應力都滿足要求。但是由于鋼梁跨度太大，混凝土橋面板與鋼梁共同受力時，由于混凝土的收縮徐變，鋼與混凝土的升降溫不均，導致混凝土橋面板內力過大，必須每米使用15根φ25mm的鋼筋，混凝土板的裂縫才能滿足要求，而此時鋼筋的應力還遠沒有達到規范限值，而鋼橋面板各部分最大應力均滿足要求。

(2)兩種橋面系下主桁應力、撓度、用鋼量比較

表2針對了兩種橋面系下主桁應力、撓度、用鋼量進行了兩種比較:①當鋼橋面板的主桁與混凝土橋面板的主桁截面相同且混凝土橋面板的主桁應力最大時(同截面)，兩種橋面系的主桁應力;②當正交異性鋼橋面板的主桁應力與混凝土橋面板的主桁應力基本接近時(同應力)，計算出兩種橋面系方案的全橋用鋼量。

表1 兩種橋面系比較

兩種情況下的比較可以看出，主桁截面相同，由于混凝土橋面板自重大，導致其達到應力極限時，鋼橋面板的主桁應力還有不少余量。為使鋼橋面板主桁應力達到限值，可以將其主桁截面板厚減小，以達到節約鋼材的目的。

5 結論

(1)大跨度重載鐵路鋼桁梁若采用密橫梁混凝土橋面板體系，為了滿足混凝土橋面裂縫的要求，需要混凝土板的截面高度在300mm以上，從而導致鋼梁本身自重增大，主桁截面尺寸增加。

(2)大跨度鋼桁梁主要應用于跨越公路或者既有鐵路，若采用密橫梁混凝土橋面板體系，鋼梁在架設完成后，還需要在既有線上方進行混凝土的現澆施工影響橋下通車安全，而正交異性鋼橋面板體系全部為工廠制造，增加施工的安全性。

大跨度鋼桁梁橋面系選用密橫梁鋼橋面板體系，既回避了混凝土橋面板的裂縫控制難題，又減小了結構自重，節省了用鋼量，還增加了施工過程的安全性，建議在大跨度鋼桁梁上推廣使用。

表2 兩種橋面系下主桁應力、撓度及用鋼量比較 MPa

［1］徐勇，戴曉春．高速鐵路96m鋼桁梁橋面系結構形式比較研究［J］．鐵道勘察，2007(S):24－27．

［2］高靜青．雙線下承式鋼桁結合梁橋面系構造研究［J］．鐵道標準設計，2005(5):73－75．

［3］葉梅新，楊斐，陳佳，侯杰平．106m下承式鋼桁結合梁橋面系結合形式的比較研究［J］．中國西部科技，2008(35):1－2．

［4］中華人民共和國鐵道部．TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［6］李鳳琴，何偉，楊欣然．鋼桁結合梁橋面系構造設計研究［J］．鐵道勘察，2007(S):20－23．

［7］鐵道部大橋工程局．孫口黃河大橋技術總結［M］．北京:科學出版社，1997．

［8］運輸省鐵道局．鐵路結構物設計標準及解說鋼橋、結合梁橋［M］．日本:丸善株式會社，2003．

［9］李富文，伏魁先，劉學信．鋼橋［M］．北京:中國鐵道出版社，2002．

Selection and Analysis on Bridge Deck System of Large-span Steel Truss Girder on Heavy-Haul Railway

GUO Zi-yu

(China Railway Engineering Consulting Group Co．，Ltd．，Beijing 100055，China)

To select a bridge deck system suitable for large-span steel truss girder on a heavy-haul railway，the software Midas/Civilwas employed to establish spatial finite elementmodel．After theoretical calculation and analysis as well as comprehensive comparison of two different bridge deck systems for a 108m double-track through-type steel truss girder on the Middle and Southern Shanxi Railway，the paper came to a conclusion that the steel deck with dense transverse beam should be used as the bridge deck system of this large-span steel truss girder，because it not only can avoid the cracking control problem in concrete deck system，but also can reduce structure's dead load，decrease the whole steel consumption，and enhance the safety of construction．

heavy-haul railway;large-span;through-type steel truss girder;bridge deck system;concrete deck of bridge;steel deck of bridge

U443.32

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．021

1004－2954(2014)03－0090－04

2013－07－01;

2013－08－08

郭子煜(1984—)，男，工程師，2008年畢業于北京交通大學橋梁工程專業，工學碩士，E-mail:398692969@qq。