大跨度鐵路鋼桁梁縱橫梁橋面系縱梁連續(xù)問題探討

艾宗良， 袁 明， 鄢 勇

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

2005版及2017版的《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》均對縱橫梁橋面系結構做出了規(guī)定[1]：“……跨度大于80 m的簡支梁宜在跨中設置可使縱梁縱向移動的活動支承，其間距不宜大于80 m。當縱梁連續(xù)長度大于48 m時，還應在其中部設制動聯(lián)結系。”早期的鐵路大跨度鋼桁梁橋橋面系均采用了鋼桁梁明橋面體系，其代表性工程有九江長江大橋、蕪湖長江大橋及長壽長江大橋等，上述大橋橋面均每80 m左右設置了一道制動撐架且縱梁斷縫。隨著鐵路的快速發(fā)展，特別是高速鐵路的發(fā)展，我國鐵路大跨度鋼桁梁橋逐漸開始使用道砟橋面，2009年通車運營的武漢天興洲長江大橋鐵路橋面采用了“縱橫梁+混凝土板”的道砟橋面系，為了減小橋面系共同作用引起的橫梁旁彎，每兩個節(jié)間設置一道伸縮縱梁[5]。相關學者就鋼桁梁橋面系共同作用進行了研究，提出了密橫梁正交異性鋼橋面板、縱橫梁正交異性鋼橋面板、縱梁斷縫+制動撐架等解決方案[2][4][7][8]。

新白沙沱長江特大橋[3][6]主橋采用(81+162+432+162+81) m鋼桁梁斜拉橋，大橋總體布置見圖1。主梁采用鋼桁梁，大橋位六線鐵路，采用上4下2雙層橋面布置，橫斷面采用兩片主桁，上層橋面采用正交異性鋼橋面板，下層橋面采用縱橫梁+結合梁道砟槽板，大橋橫斷面見圖2。大橋全長達920 m，按照傳統(tǒng)的每80 m左右設一道斷縫，全橋縱梁斷縫將達11道。若按照天興洲大橋的設置方式，每兩個節(jié)間(2×13.5 m)左右設一道斷縫，全橋縱梁斷縫將達34道。本文結合新白沙沱大橋的設計就縱橫梁橋面系縱梁連續(xù)問題進行探討。

圖1 新白沙沱長江特大橋主橋總體布置

圖2 鋼桁梁橫斷面(單位：mm)

1 縱梁連續(xù)問題方案與計算模型

為了分析縱梁連續(xù)或斷縫、制動撐架設置與否對橋面系及整體受力的影響，研究提出了縱梁連續(xù)(斷縫)與制動撐架組合的12種方案見表1。方案12不設置制動撐架，每個節(jié)間均斷縫，方案不能傳遞制動力，不合理，未進一步分析。針對11個方案，利用Midas Civil軟件建立空間有限元模型，見圖3。全橋共計約16 000個節(jié)點，單元約29 200個，其中斜拉索桁架單元124個，鋼桁梁及橋塔梁單元約19 300個，上層橋面板單元約9 800個。

表1 縱橫梁橋面系方案

圖3 有限元分析模型

2 計算荷載

大橋上層橋面為四線客車線，下層橋面為雙線貨車線，共計六線鐵路荷載。為了便于在同一水準下進行比較，計算分析在主力工況下比較，即恒載(不含支座沉降)+活載組合。

大橋主桁節(jié)間距13.5 m，全橋共計68個節(jié)間，小里程端橫梁至大里程端橫梁距離總長918 m。為便于數(shù)據(jù)處理，進行如下定義：從小里程側起下層橋面節(jié)點橫梁開始編號依次為H0、H1、H2、……、H68，下層橋面橫梁間的縱梁(一個節(jié)間)依次編號為Z1、Z2、Z3……Z68。其中， H0為0#墩端橫梁，H6為1#輔助墩橫梁，H18為2#橋塔支點橫梁，H34為主跨跨中橫梁，H50為3#塔支點橫梁，H62為4#輔助墩位置橫梁，H68為5#墩端橫梁。

3 無制動撐架縱梁連續(xù)方案

方案一縱梁連續(xù)不斷縫，且不設制動撐架。橫梁端部最大面外彎矩為2 605 kN·m,發(fā)生在H5橫梁，橫梁跨中最大面外彎矩為1 827 kN·m，發(fā)生在H4橫梁?？v梁平面內最大正彎矩1 661 kN·m發(fā)生在Z1橫梁跨中位置?？v梁平面內最大負彎矩2 375 kN·m，發(fā)生在H6位置。H18橫梁位置縱梁最大負彎矩為1 985 kN·m，H34橫梁位置縱梁最大負彎矩1 207 kN·m。其余部位縱梁負彎矩最大值1 668 kN·m，正彎矩最大值1 030 N·m?？v梁軸壓力最大值為3 197 kN，發(fā)生在H19橫梁位置，軸壓力最小值發(fā)生在54 kN，發(fā)生在H0橫梁位置。

除少部分跨中弦桿受拉以外，大部分節(jié)段的弦桿均受壓，橋面縱梁受到橫梁約束，呈現(xiàn)出整體受壓的狀態(tài)。

橫梁最大拉應力為397 MPa，最大壓應力為373 MPa，發(fā)生在橫梁面外彎矩較大的區(qū)域(H4、H5)，縱梁最大拉應力為144 MPa，最大壓應力為193 MPa，其最大應力發(fā)生部位位于壓重區(qū)域。

由計算結果可知，由于縱梁不斷縫，共同作用引起的橫梁面外彎矩很大，導致橫梁應力水平很高。若通過增加橫梁面外剛度來降低橫梁應力水平，雖然截面抵抗矩有所增加，但是由于共同作用引起的彎矩也將大大增加，其整體效果非常有限，本方案結構設計困難(圖4～圖6)。

圖4 主力作用下橫梁面外彎矩內力(單位：kN·m)

圖5 主力作用下縱梁面內彎矩內力(單位：kN·m)

圖6 主力作用下縱梁軸力內力(單位：kN)

4 每6個節(jié)間設置制動撐架縱梁連續(xù)方案

方案二縱梁不斷縫連續(xù)，每6個節(jié)間設置制動撐架。橫梁端部最大面外彎矩為842 kN·m,發(fā)生在H8橫梁，橫梁跨中最大面外彎矩為626 kN·m，發(fā)生在H4橫梁。縱梁平面內最大正彎矩2 116 kN·m發(fā)生在Z1跨中位置，縱梁平面內最大負彎矩2 731 kN·m，發(fā)生在H31位置。

H18橫梁位置縱梁最大負彎矩為1 977 kN·m，H34橫梁位置縱梁最大負彎矩1 202 kN·m。其余部位縱梁負彎矩最大值2 731 kN·m，正彎矩最大值2 116 N·m?？v梁軸壓力最大值為5 463 kN，發(fā)生在Z15橫梁位置，縱梁軸拉力最大值712 kN，發(fā)生在Z34位置。

本方案與方案一相比，橋梁縱梁在主跨跨中段落受拉,制動撐架與橫梁組成一個桁架傳力體系，制動撐架較單個橫梁的面外剛度大大增加，從而使得縱梁軸向受狀態(tài)與制動撐架間距范圍內主桁弦桿趨同。方案一為整體趨同，故方案一橋面縱梁未出現(xiàn)受拉狀態(tài)。由表2可知，縱梁不斷縫，隨著制動撐架的加密，跨中縱梁的軸拉力越大，縱梁的軸壓力也越大，橋面與主桁的整體性則越強。

橫梁最大拉應力為211 MPa，最大壓應力為215 MPa，發(fā)生在橫梁面外彎矩較大的區(qū)域(H5、H6)，縱梁最大拉應力為85.1 MPa(Z1位置)，最大壓應力為189 MPa(Z25位置)。

由計算結果可知，雖然縱梁不斷縫，通過每6個節(jié)間設置一道制動撐架，形成橋面系平面內的傳力體系，使得橫梁應力水平在允許范圍之內，設計方案可行。

5 計算結果分析

上述方案對應的橫梁面外彎矩、縱梁面內彎矩、縱梁軸力、橋面系橫梁應力、撓跨比等主要計算結果見表2。根據(jù)計算結果，分別對縱梁不斷縫方案類、縱梁斷縫且設置制動撐架方案類以及縱梁斷縫且不設制動撐架方案類進行探討。

表2 不同橋面系方案主要計算結果統(tǒng)計

5.1 縱梁不斷縫方案類

方案一縱梁不斷縫，且無制動撐架，其橫梁端部面外彎矩達2 605 kN·m，跨中彎矩達1 827 kN·m。其余各方案通過設置制動撐架、斷縫或其組合的方案均能夠大大降低橫梁面外彎矩，方案一對應的橫梁最大應力達397 MPa，遠遠超過允許應力，顯然，不設制動撐架且縱梁不斷縫方案不可行。

制動撐架設置后，橋面節(jié)點橫梁的應力水平逐漸降低，方案二橫梁最大應力215 MPa，且隨著制動撐架設置密度增加(方案三、四、五)，其應力水平成下降趨勢，最低至176 MPa，活載作用下的撓跨比由1/768降低至1/796，結構剛度有所提高。橋面系縱梁的應力也由193 MPa,下降至183 MPa?？v梁不斷縫，在一定范圍內設置制動撐架方案，受力合理，方案可行。且隨著制動撐設置密度的增加，橋面整體性越強，并由于制動撐的約束，橋面橫梁應力水平(面外彎矩)逐漸減小。但是，制動撐若進一步增多，會一定程度增加用鋼量，且橋面受力改善水平有限。

5.2 縱梁斷縫且設制動撐架方案類

方案六，每6個節(jié)間設置一道制動撐，相應縱梁每6個節(jié)間斷縫，橋面系節(jié)點橫梁最大應力217 MPa，橋面系縱梁應力119 MPa。方案七、八隨著斷縫的數(shù)量的增加，橋面系橫梁縱梁應力進一步降低。三個方案的活載作用下?lián)峡绫燃s1/761，結構剛度相比縱梁不斷縫方案有所降低。另外，由表1可知，方案八由于每個節(jié)間均斷縫，縱梁完全不參與主桁受力，軸向受力為0。縱梁斷縫且設制動撐架的三個方案，從結構受力分析，方案是可行的，這又進一步驗證了論證鐵路橋梁鋼結構規(guī)范相關規(guī)定的合理性。不過，縱梁斷縫使得橋梁剛度有所降低，斷縫的存在也會影響行車舒適性。

5.3 縱梁斷縫且不設制動撐架方案類

對于方案九、十、十一，縱梁斷縫且無制動撐架方案，共同作用程度較低，橋面縱橫梁應力水平較低，但是，由于沒有制動撐架，在列車制動力的作用下，橋面橫梁將承受很大的面外彎矩，橫梁應力水平將顯著升高，結構不合理，且規(guī)范并不允許。

6 24.5 m寬桁有利作用的探討

武漢天興洲大橋采用三片主桁，桁寬2×15 m，針對武漢天興洲長江大橋下層橋面縱橫梁體系的相關研究[5]表明，“不設伸縮縱梁、每6個節(jié)間設置一道伸縮縱梁、每6個節(jié)間設置一道制動撐三種方案情況下橫梁的應力水平超過200 MPa；逐根橫梁加制動撐、每根橫梁均設置一道制動撐、每根橫梁均設置一道制動撐且制動撐的剛度增加一倍、每根橫梁均設置一道制動撐且改變縱梁剛度等四種方案均不設伸縮縱梁，而采用了增設制動撐的方法減少了橫梁的面外彎曲，隨著制動撐的增加，橫梁的面外彎曲應力減小了，但縱梁的應力卻增加了，制動撐越剛，橫梁的面外彎曲應力越小，縱梁的應力越大；每兩個節(jié)間設置一道伸縮縱梁橫梁最大水平彎曲應力為61.8 MPa，滿足要求”。

新白沙沱長江大橋采用兩片主桁，桁寬24.5 m，其計算結果與天興洲大橋的相關研究規(guī)律上呈現(xiàn)一致性。通過有限元計算分析，由于其桁寬寬，在相同截面尺寸以及相同縱梁與主桁相對位移差的條件下，橫梁跨度24.5 m的面外彎矩相比橫梁跨度15 m的面外彎矩均有大幅度的降低，其中橫梁跨中僅為30 %左右，橫梁端部僅為33 %左右。桁寬24.5 m，極大的減小橫梁面外剛度，有利于緩解橋面系共同作用帶來的面外彎矩過大的問題。

7 結論

(1)對于無制動撐架且縱梁斷縫的方案，橫梁在列車制動作用下，應力水平很高，方案并不合理。

(2)對于縱梁斷縫方案，設置制動撐架，屬于常規(guī)的方案，其主要缺點在于設置伸縮縱梁構造復雜，并在一定程度影響行車舒適性。

(3)縱梁不斷縫，在一定范圍設置制動撐架，橋面縱橫梁應力水平可以控制在規(guī)范允許范圍，橋面縱梁一定程度參與主桁受力，同時避免了伸縮縱梁帶來構造復雜和養(yǎng)護維修工作量大的問題。

(4)新白沙沱長江大橋桁寬達24.5 m，相比傳統(tǒng)的15.0 m桁寬，寬桁極大地減小了橫梁面外剛度，鋼桁梁縱橫梁橋面系采用縱梁連續(xù)結構，每六個節(jié)間設置一道制動架，與節(jié)點橫梁組成桁架；縱梁與對應下弦桿間采用不同應力狀態(tài)確定制造長度，大幅度改善了橋面系因與主桁共同受力帶來的不利影響，確?？v梁連續(xù)可行。

(5)隨著制動撐設置密度的增加，橋面整體性越強，并由于制動撐的約束，橋面橫梁應力水平(面外彎矩)逐漸減小。制動撐若進一步增多，橋面受力改善水平有限，并在一定程度增加用鋼量。