64m鐵路簡支鋼桁梁受力特性分析

王富春

（中鐵二十一局集團有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

在經濟高速發展的推動下，我國鐵路建設事業也迎來了新的高潮期，不僅在鐵路建設過程中的施工工藝和流程等方面都取得了巨大進步［1~4］，而且鐵路工程也已經逐步向著更復雜、更特殊的場地推進。鋼桁梁由于具有承載力強、跨越能力大以及自重輕和施工速度快等優點，且適合工廠化制造，相較于混凝土橋梁更加低碳環保，因此在鐵路橋梁的建造中得到了十分廣泛應用［5~7］。

關于鐵路鋼桁梁橋的受力特性和施工方法，諸多學者從不同角度開展了大量十分有價值的研究工作。趙才華［1］以滬昆鐵路改建工程中的64m簡支鋼桁梁為研究對象，介紹了橋梁施工過程中鋼平臺的預壓、原位拼裝技術，保證了該橋在45 d之內完成拼裝施工；劉應龍［2］等以銀西高鐵銀川機場黃河特大橋主橋為研究對象，詳述了96 m簡支鋼桁梁和3×168 m連續鋼桁梁柔性拱橋的半懸臂施工法，對該橋的柔性拱依靠溫差變化實現了無外力自然合攏工藝進行了介紹；王剛［8］結合浩吉鐵路簡支鋼桁梁頂推施工過程，采用有限元軟件對頂推過程中不同的施工工況進行了模擬，得到了施工過程中下弦桿和導梁等不同類型桿件的內力變化情況；張宏武［9］以湖際中線高速鐵路上的48 m簡支鋼桁架為研究對象，提出了頂推過程中的糾偏措施，避免了對下部三線鐵路的影響，解決了在狹窄天窗期進行跨線頂推施工的難題，總結出的定制化港隊滑道、可快速拆除導梁、倒頂法和滑靴可自動脫落的滑移系統可在其他施工領域進行推廣，應用前景十分廣闊；安東閣［10］著重介紹了（5×12.8）m上跨高速公路煤運鐵路的拖拉施工技術，包括滑道系統、導梁系統、拖拉系統、糾偏系統以及整個拖拉過程的詳細步驟，對類似鐵路鋼桁架橋的拖拉施工具有一定的指導意義。王祝軍［11］從支架設計、橋頂面支墩、滑移設施、牽引設施、頂落梁和墩面移梁等多個方面詳述了64 m簡直鋼桁梁的拖拉施工工藝。惠世春［12］基于100 m鋼桁架橋的施工過程，介紹了采用浮托頂推法進行鋼桁梁快速假設的施工技術，為同類橋梁的施工提供了借鑒。

本論述以跨濟館高速公路的鐵路64 m簡支鋼桁梁橋為研究背景，采用Midas civil軟件分析了中-活載作用下結構變形和桿件內力，進一步分析了支座間存在高差時桿件內力的變化。研究內容以期為類似工程的設計和施工提供一些參考。

1 工程概況

跨濟館高速公路大橋位于山東聊城冠縣境內，其中第8跨采用64 m簡支鋼桁梁結構。該鋼桁梁與高速公路之間的斜交角度為34°07′。橋臺采取T形橋臺，橋墩采用單線圓端形橋墩；該橋平面位于直線段上，縱面位于半徑為10 000 m的豎曲線上。線路級別為國鐵Ⅰ級，正線單線，采用有砟軌道，設計荷載采用中-活載。

該橋的主桁采用無豎桿三角桁，桁高為11 m，節段長度為12 m+4×10 m+12 m，主桁的中心距為7.5 m。上、下弦桿采用箱型截面，斜腹桿采用箱形截面和H形截面；主桁節點采用整體節點形式，上、下弦桿在節點外拼接，斜腹桿采用插入式與整體節點拼接；上、下弦桿采用全截面拼接，斜腹桿采用兩面拼接。主桁弦桿及斜腹板的連接采用M27高強度螺栓連接。橋面縱、橫梁除端橫梁外均采用焊接工字型截面，端橫梁為焊接箱型截面。主桁立面如圖1所示。

圖1 鋼桁梁立面圖

主桁桿件、整體節點、拼接板、縱橫梁均采用Q370qE鋼材，填板、上平縱聯、橋門架等均采用Q345qD鋼材。鋼桁梁橋面混凝土采用C40聚丙烯腈纖維網補償收縮混凝土，擋砟墻采用C40混凝土。在縱梁、橫梁及下斜桿翼緣焊有剪力釘與混凝土橋面連接。

2 有限元分析模型

2.1 列車荷載

該線路級別為國鐵Ⅰ級，鋼桁梁設計荷載采用中-活載，荷載圖示如圖2所示。其中，包括5個間距為1.5 m的220 kN集中荷載、長度為30 m集度為92 kN/m的均布荷載，以及集度為80 kN/m無限長均布荷載。

圖2 荷載圖示

2.2 有限元計算模型

采用Midas civil有限元軟件建立計算模型。建模過程中采用梁單元模擬主桁桿件和縱、橫梁，采用虛擬梁單元模擬車道；通過在車道單元與縱梁之間建立剛性連接約束條件來保證施加在虛擬梁上的列車荷載傳遞至縱梁。計算分析過程中，沿著車輛荷載的移動路徑進行加載，分析得到車輛移動全過程中結構的受力變化，最后按影響線加載得到不同響應量的最不利加載方式，在此基礎上得到各桿件的最不利荷載效應結果，如圖3所示。

圖3 有限元分析模型圖

3 分析結果

3.1 撓度

基于上述建立的有限元模型，進行最不利加載得到結構的最大變形。如圖4所示，為沿跨徑方向不同位置結果的變形結果。

圖4 下弦桿撓度分布規律

由圖4可以看出，在中-活載的作用下，64 m簡支鋼桁梁的最大撓度可達到34.1 mm，出現在跨中位置。

3.2 內力

3.2.1 下弦桿

中-活載的作用下，簡支鋼桁梁的下弦桿承受拉應力。如圖5所示，結果為計算得到的不同位置處的下弦桿的最大應力值。

圖5 下弦桿最大應力

由圖5可以看出，下弦桿的桿件最大拉應力出現在跨中節點左右兩側的桿件上，且最大拉應力值可達到40.6 MPa（E4E6桿件）；梁端兩側的桿件應力為下弦桿中的最小結果，為19.48 MPa（E0E2桿件）；E2E4與E4E2′桿件的最大應力分別可達34.0 MPa和34.1 MPa。通過上述分析可知在中-活載作用下，下弦桿的最大應力遠小于材料許用應力。

3.2.2 斜桿

簡支鋼桁架結構的斜桿作為上、下弦桿間的傳力構件，主要承受剪力，在桁架結構中主要表現為軸向力的作用。選取3個典型斜桿計算得到的最大應力值結果如圖6所示。

圖6 斜杠最大應力

由圖6可以看出，3個不同位置斜杠的最大應力值分別為-58.7 MPa、76.2 MPa及-52.3 MPa，其中正值表示桿件承受拉應力，負值表示桿件承受壓應力，且拉應力最大為76.2 MPa。通過對各斜桿應力計算結果的對比可知，下承式鋼桁梁橋斜桿從兩端向跨中所受應力依次為壓應力和拉應力的交替變化，且桿件所承受的應力極值也遠遠小于材料的許用應力。

4 支座高差對結構受力影響分析

4.1 支座高差模擬

隨著運營時間的增長，墩臺不可避免的會發生沉降現象；加之建造過程中施工誤差的存在以及后期列車荷載長期循環作用的影響，較之建造初期，橋梁的各個支座間會出現高差。支座高差的存在，不僅會造成鋼桁梁發生扭轉變形，進而引起結構的附加內力，而且進一步會影響到線路平順性及車輛行駛過程中的安全性；支座等部位在重復的列車荷載作用下也極易發生損壞。由于支座存在高差帶來的結構損傷嚴重影響到了橋梁結構的服役質量。

為了分析支座間出現高差后64 m簡支鋼桁梁結構不同部位的不同桿件內力的變化情況，參考文獻［13］的實測數據，擬定出本論述所示鋼桁梁結構各支座間的高差，將支座最低處的高程定為參考位置，各支座的高程由低到高分別為：0.0 mm（2號支座）、10.6 mm（1號支座）、22.7 mm（4號支座）及27.3mm（3號支座）。各支座的布置位置如圖7所示。這里需要說明的是，所謂支座高程是指支座上4個角點高程的平均值。本論述采用Midas civil軟件中的支座強制位移功能來實現對支座高程變化的模擬，即保證2號支座高程不變，根據擬定高差調整其他3個支座的高程。

圖7 支座位置

4.2 桿件內力變化

為了進行對比分析支座存在高差時桿件的內力變化，將支座不存在高差時結構受力狀態定義為工況I，將支座存在高差時結構的受力狀態定義為工況II。兩種不同工況下不同類型桿件最大內力計算結果，見表1所列。

由表1可以看出，在本論述所擬定的支座高差工況下，較之支座不存在高差的情況，不同類型的桿件內力均發生了較大變化，其中上弦桿的桿件內力變化幅度在8.2%~14.2%之間，下弦桿的桿件內力變化幅度在6.8%~19.2%之間，斜桿的桿件內力變化幅度在3.9%~16.3%之間。由此可知，支座間出現高差后，所分析桿件間內力均增大，最大達到20.4%。因此在施工過程中要嚴格控制支座高程的施工質量，在后續運營過程中還要增強對支座部位的養護。

表1 桿件內力變化

4.3 動力性能變化

橋梁結構的跨中橫向振幅和加速度是反應橋梁結構橫向振動特性的2個主要參數［13］。為了研究支座高差對結構橫向振動特性的影響，模擬列車按照50 km/h、55 km/h、60 km/h、65 km/h、70 km/h、75 km/h、80 km/h等不同速度運行時的工況，得到支座發生沉降前后結構跨中橫向振幅和橫向加速度的變化情況，計算結果如圖8所示，其中工況1表示支座不存在高差時的計算結果，工況2表示支座發生上述所述高差時的計算結果。

圖8 動力響應變化

由圖8（a）所示可以看出，當支座間不存在高差時，結構理論橫向振幅最大可達到4.08 mm，始終小于規范5.06 mm的限值。而當支座間存在最大27.3 mm高差時，就本論述所分析的工況下，當列車運行速度小于65 km/h時結構的橫向振幅滿足相關規范要求，另外結構的橫向振幅最大可達到5.48 mm，較之支座不存在高差的工況增加了34.4%，已經超過規范限值。由上圖8（b）所示可以看出，當支座間不存在高差時，理論結構橫向加速度最大值為1.18 m/s2，始終小于規范1.40 m/s2的限值；而當支座間存在高差時，當列車運行速度小于65 km/h時結構的橫向加速度滿足相關規范要求；另外結構的橫向加速度最大可達到1.70 m/s2，較之支座不存在高差的工況增加了44.1%，已經超過規范限值。由此可知，支座高差會放大橋梁結構的橫向振動響應，嚴重影響行車速度和行車質量。

5 結束語

本論述以64 m鐵路簡直鋼桁梁為研究對象，基于數值仿真分析得到了在中-活載作用下結果位移和內力響應結果，并模擬支座間出現高差的工況，分析了結構桿件內力和橫向動力響應的變化，得到以下結論：

（1）中-活載作用下，結構跨中最大位移可達到34.1 mm；下弦桿最大應力為40.6 MPa，斜桿最大應力為76.2 MPa。

（2）當支座間存在最大27.3 mm高差時，不同類型的桿件內力均發生了較大變化，其中上弦桿的桿件內力變化幅度在8.2%~14.2%之間，下弦桿的桿件內力變化幅度在6.8%~19.2%之間，斜桿的桿件內力變化幅度在3.9%~16.3%之間。

（3）考慮支座間的高差后，在80 km/h的時速下，結構的最大橫向振幅和橫向加速度較之支座不存在高差的情況分別增加了34.4%和44.1%，均超過了規范限值。