高速鐵路連續梁0號塊三角托架不同結構體系的受力性能比較

汪 杭 州

(中鐵三局集團第六工程有限公司，山西 晉中 030600)

1 工程概況

某高速鐵路連續梁橋計算跨度為(40+64+40)m。梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。箱梁頂寬12.2 m，中支點梁高為5.29 m，端支點及跨中梁高為2.89 m，頂板厚度34 cm～60 cm，底板厚度44 cm～100 cm。連續梁0號塊采用托架施工。0號塊梁段長度為8.0 m，其中4.6 m支撐在橋墩上方，兩邊懸出部分長1.7 m(托架支撐)。0號塊梁段梁高墩頂為5.29 m，0號塊懸臂端梁高為4.91 m。荷載由上到下通過10 mm鋼模板、12槽鋼桁架及雙拼36槽鋼橫向分配梁傳至三角托架上。雙拼36槽鋼橫向分配梁縱向間距為0.5 m；腹板下縱梁托架采用雙拼工字鋼，底板下縱梁托架采用單拼工字鋼，托架頂部為Ⅰ32a工字鋼，斜撐采用Ⅰ28a工字鋼，斜撐底預埋件采用Ⅰ32a工字鋼，總共有4道縱梁托架，托架布置間距為1.5 m,2.22 m，1.5 m；0號塊托架結構圖見圖1,圖2。

2 荷載計算及荷載組合

根據文獻[1]～[3]確定相關荷載取值與荷載組合：

1)澆筑混凝土自重為26 kN/m3；

2)模板自重3.0 kN/m2；

3)施工荷載人員、材料及施工機具荷載：2.5 kN/m2；

4)振搗混凝土時產生的荷載2.0 kN/m2；

5)混凝土澆筑時產生的沖擊荷載2.0 kN/m2。

計算強度時荷載組合：1.2×(1)+2))+1.4×(3)+4)+5))。

計算剛度時荷載組合：1)+2)。

3 雙拼36槽鋼受力分析及驗算

橫向分配梁的縱向間距為50 cm，計算跨度為(3.49+1.5+2.22+1.5+3.49)m。橫向雙拼36槽鋼分配梁的力學計算模型采用連續梁，腹板、底板處荷載采用均布荷載的形式加載，翼緣板處荷載采用集中荷載的形式加載。有限元模型及計算結果見圖3～圖6。

由上述計算結果可知：σ=57.7 MPa<205 MPa；τ=57.7 MPa<125 MPa；v=3.77 mm<(l/400)=8.73 mm雙拼36槽鋼的受力滿足規范受力要求。

4 托架受力分析及驗算

4.1 強度和剛度驗算

托架承受橫向分配梁傳遞的力，鉸接與焊接托架所承擔的荷載相同，強度、撓度以及穩定性驗算結果見圖7～圖12。

焊接托架的應力、撓度記為：σ1,τ1,v1。

鉸接托架的應力、撓度記為：σ2,τ2,v2。

σ1=127.1 MPa<205 MPa,σ2=118.7 MPa<205 MPa。

τ1=84.3 MPa<125 MPa,τ2=67.6 MPa<125 MPa。

v1=0.8 mm<(l/400)=4.7 mm,

v2=1.3 mm<(l/400)=4.7 mm。

由計算結果可知：托架的受力滿足規范要求。

4.2 穩定性驗算

焊接與鉸接托架的斜桿軸力計算結果見圖13，圖14。

斜撐采用雙拼28a工字鋼，在桁架平面內A=111 cm2，φ=0.931。

對于焊接斜桿：斜撐軸力N=322.8 kN。

對于鉸接斜桿：斜撐軸力N=440.1 kN。

由驗算結果可知，焊接與鉸接托架的穩定性均滿足規范要求。

5 鉸接與焊接托架受力性能對比

從正應力、剪應力、穩定性及剛度四個指標評價三角托架不同連接方式的受力特性，同時定義結構受力性能的變化率為：(鉸接結構的反應-焊接結構的反應)/焊接結構的反應。主要分析結果見表1。

表1 鉸接與焊接托架受力性能對比表

通過以上分析，鉸接與焊接托架的受力特征主要體現在以下幾個方面：

1)在荷載及受力桿件幾何尺寸均相同的條件下，鉸接托架的正應力與剪應力小于焊接托架的，對于本文算例，分別減小了6.61%與19.81%。2)鉸接與焊接托架中水平桿最大正應力的發生部位不同，焊接托架的最大正應力發生在焊接部位，而鉸接托架的最大正應力發生在桿件的中部區域。3)與焊接托架相比，鉸接托架的整體剛度有所降低，導致撓度較大，對于本文算例，撓度增大了62.50%。4)與焊接托架相比，由于邊界約束變弱，導致鉸接托架的斜桿穩定性降低了36.54%。

6 結語

以某高速鐵路(40+64+40)m連續梁0號塊托架為研究對象，研究了三角托架不同結構體系的受力及變形特征。在準確分析托架的整體受力及合理設計結構細部構造的前提下，焊接與鉸接托架均可滿足工程的受力需求。從受力角度看，與焊接托架相比，鉸接托架的水平桿受力更為有利，尤其正應力降低顯著，但斜桿的穩定性有所降低。鉸接托架的整體剛度不如焊接托架。從施工角度看，鉸接托架因為鉸接構造，更利于重復利用。通過綜合比較，本工程最終選擇了焊接托架結構體系。目前該橋0號塊已施工完畢，且施工質量良好，再次驗證了本文計算結果的合理性與可靠性。