上跨運營鐵路雙層簡支鋼桁梁橋節點構造對比分析

唐志偉

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

0 引言

公鐵交叉工程是連接鐵路兩地的重要紐帶,其對橋梁結構的力學性能要求十分嚴格,應盡可能減少對運營鐵路的影響。鋼桁梁[1]是一種跨越能力非常強的橋梁結構,可將結構整體受彎轉化為局部構件的受壓或受拉,有效發揮材料性能,增大結構跨度[2]。無論是前期工廠預制及整體吊裝施工還是后期維養及拆除重建,都能有效降低施工風險,在上跨運營鐵路橋梁鋼結構中得到了廣泛運用。

某工程為蒸汽管網跨越鐵路,上跨結構在滿足功能要求的前提下需減少對運營鐵路的干擾,要求施工便捷,造型簡潔。簡支鋼桁梁具有結構受力明確、自重輕、跨越能力大的特點,桁架體系使上部結構力流的傳遞形式以軸向力形態為主,傳力簡單高效[3](如圖1所示),故采用雙層簡支鋼桁梁整體吊裝上跨鐵路可大大縮短施工工期,減少對運營鐵路的影響。該橋設計技術標準為：上下雙層4根管道運輸高溫蒸汽,桁架寬度4.0 m,高度3.2 m,跨鐵路桁架凈空不小于12.5 m。

圖1 桁架結構恒載作用下傳力路徑

1 結構設計

1.1 總體布置

根據鐵路設備及地形條件擬采用雙層簡支鋼桁梁橋跨鐵路,橋梁與鐵路交叉角度90°,平面線形位于直線上,主跨長度42 m。成橋狀態,鋼桁梁縱坡按照3‰的人字坡設計,以利于排水系統收集排水。桁內設置4根DN500蒸汽管道,分上下兩層運輸。

1.2 上部結構設計

橋上部由雙層鋼桁梁與鋼板構成,設置兩片主桁,主桁采用帶豎桿三角形桁式,桁高3.2 m,主桁中心距4.0 m,桁高與跨徑之比為1/13。支座中心至梁端距離為0.5 m,梁長43 m。桁梁共14個節間,節間長度3 m,結構桿件尺寸見表1。

表1 構件參數表

1.3 鋼桁梁節點構造設計要求

節點構造作為鋼桁梁橋的關鍵,將弦桿、腹桿、橫梁連接成空間整體受力結構[4]。根據《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》《鋼結構設計標準》可知,對于設有斜支管的Y、K、N形節點,構造時需考慮支管的夾角及偏心距的影響。《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》要求K形節點或N形節點支管間的間隙g不小于50 mm[5]。《鋼結構設計標準》規定支管搭接的平面K形或N形節點搭接率應滿足25%～100%,確保搭接的支管之間連接焊縫能可靠傳遞內力[6]。故分別采用兩種不同類型的節點構造設計,對比分析結構受力性能的差異。

2 鋼桁梁橋整體計算對比分析

2.1 Midas整體模型

采用有限元軟件Midas建立雙層簡支鋼桁梁模型,鋼桁梁采用梁單元,橋面板采用板單元模擬,模型邊界條件按簡支體系考慮。主桁及聯結系主要受力構件采用Q355D鋼材,技術指標符合《低合金高強度結構鋼》(GB/T 1591-2018)的相關要求,材料屬性見表2。

表2 鋼材力學性能參數

為研究兩種不同節點構造結構受力差異,對比分析了兩種節點構造細節存在差異的桁架,其余邊界條件保持一致,如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 雙層鋼桁梁支管搭接計算模型

圖3 雙層鋼桁梁支管分離計算模型

圖4 支管搭接節點構造細節

圖5 支管分離節點構造細節

2.2 設計荷載

一期恒載。結構自重根據Midas分析結果自動計入,其中橋面自重3.293 kN/m,橋面面荷載為1.05 kN/m2。

二期恒載。防護網按2 kN/m考慮,管道荷載見表3。

表3 管道荷載

活載。人群荷載3 kN/m2,雪荷載0.35 kN/m2。

風荷載。按《鐵路橋涵設計規范》(TB10002-2017)附錄C,基本風壓值取W0=0.7 kPa。鋼桁梁風載體形系數K1取1.3,鋼桁梁折減系數0.4,防拋網阻風作用考慮2.0系數,風壓高度變化系數K2取1.13,地形、地理條件系數K3取1.3。風荷載強度取值1.34 kPa,Midas中按梁單元線荷載施加在上、下平聯桿件,上平聯4.2 kN/m,下平聯1.7 kN/m。

2.3 結果分析

通過查看最不利桿件的內力狀態,確定主力+附加力的最不利荷載工況。根據鐵路橋梁鋼結構設計規范(TB10091-2017),在外力組合下,材料的容許應力可相應提高,其中組合容許應力需考慮提高系數1.3。

根據Midas有限元整體模型結果,如圖6、圖7、圖8所示。分別選擇上弦桿節點(A9、A13、A14)與下弦桿節點(E8、E12、E14)進行軸力、彎矩及應力對比分析。

圖6 鋼桁梁軸力(單位：kN)

圖7 鋼桁梁彎矩(單位：kN·m)

圖8 鋼桁梁應力(單位：MPa)

在雙層荷載(主+附)作用下,通過對比兩種構造形式的鋼桁梁軸力發現,兩種鋼桁梁的軸力差異較小,其中上弦桿節點A13斜腹桿軸力最大相差54 kN,下弦桿節點E14斜腹桿軸力最大相差55 kN,說明支管之間搭接或分離對鋼桁梁桿件的軸力影響較小。

通過對比兩種構造形式的鋼桁梁彎矩發現,兩種鋼桁梁的彎矩差異明顯,其中上弦桿節點A13上弦桿彎矩最大相差84.4 kNm,下弦桿節點E14下弦桿彎矩最大相差104.9 kNm,可知支管之間搭接或分離對鋼桁梁桿件的彎矩存在一定的影響。

通過對比兩種構造形式的鋼桁梁應力圖發現,兩種鋼桁梁的應力差異較大,尤其是端部斜腹桿相差較大。支管分離時,E12斜腹桿應力最大達262 MPa,A13斜腹桿應力最大達279 MPa,不滿足主+附荷載組合作用下拉桿容許應力260 MPa的要求,需進一步提高支點處斜腹桿的桿件尺寸才能滿足規范要求。支管搭接時,E12斜腹桿應力最大為196 MPa,A13斜腹桿應力最大為194 MPa。上弦桿節點A13斜腹桿應力最大相差85 MPa,下弦桿節點E12斜腹桿應力最大相差66 MPa。

3 結束語

蒸汽管網雙層簡支鋼桁梁跨越鐵路工程在進行雙層簡支鋼桁梁橋設計時,支管分離與支管搭接對結構的軸力影響較小,對支點附近節點上下弦桿的彎矩存在一定的影響,對支點附近節點斜腹桿影響較大,在支管分離時,上、下弦桿節點斜腹桿應力與支管搭接時斜腹桿應力存在較大差異,采用支管分離節點細節構造需進一步提高支點處斜腹桿的桿件尺寸才能滿足規范要求,通過對比節點構造差異對結構靜力性能的影響,有助于合理優化結構桿件設計,為今后類似工程提供參考。