大跨度鐵路鋼桁梁縱橫梁橋面系縱梁連續(xù)問(wèn)題探討

艾宗良， 袁 明， 鄢 勇

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

2005版及2017版的《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》均對(duì)縱橫梁橋面系結(jié)構(gòu)做出了規(guī)定[1]：“……跨度大于80 m的簡(jiǎn)支梁宜在跨中設(shè)置可使縱梁縱向移動(dòng)的活動(dòng)支承，其間距不宜大于80 m。當(dāng)縱梁連續(xù)長(zhǎng)度大于48 m時(shí)，還應(yīng)在其中部設(shè)制動(dòng)聯(lián)結(jié)系?！痹缙诘蔫F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(zhǎng)江大橋、蕪湖長(zhǎng)江大橋及長(zhǎng)壽長(zhǎng)江大橋等，上述大橋橋面均每80 m左右設(shè)置了一道制動(dòng)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(guó)鐵路大跨度鋼桁梁橋逐漸開(kāi)始使用道砟橋面，2009年通車(chē)運(yùn)營(yíng)的武漢天興洲長(zhǎng)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?jī)蓚€(gè)節(jié)間設(shè)置一道伸縮縱梁[5]。相關(guān)學(xué)者就鋼桁梁橋面系共同作用進(jìn)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(dòng)撐架等解決方案[2][4][7][8]。

新白沙沱長(zhǎng)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(jiàn)圖1。主梁采用鋼桁梁，大橋位六線(xiàn)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(jié)合梁道砟槽板，大橋橫斷面見(jiàn)圖2。大橋全長(zhǎng)達(dá)920 m，按照傳統(tǒng)的每80 m左右設(shè)一道斷縫，全橋縱梁斷縫將達(dá)11道。若按照天興洲大橋的設(shè)置方式，每?jī)蓚€(gè)節(jié)間(2×13.5 m)左右設(shè)一道斷縫，全橋縱梁斷縫將達(dá)34道。本文結(jié)合新白沙沱大橋的設(shè)計(jì)就縱橫梁橋面系縱梁連續(xù)問(wèn)題進(jìn)行探討。

圖1 新白沙沱長(zhǎng)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(wèn)題方案與計(jì)算模型

為了分析縱梁連續(xù)或斷縫、制動(dòng)撐架設(shè)置與否對(duì)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(dòng)撐架組合的12種方案見(jiàn)表1。方案12不設(shè)置制動(dòng)撐架，每個(gè)節(jié)間均斷縫，方案不能傳遞制動(dòng)力，不合理，未進(jìn)一步分析。針對(duì)11個(gè)方案，利用Midas Civil軟件建立空間有限元模型，見(jiàn)圖3。全橋共計(jì)約16 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元約29 200個(gè)，其中斜拉索桁架單元124個(gè)，鋼桁梁及橋塔梁?jiǎn)卧s19 300個(gè)，上層橋面板單元約9 800個(gè)。

表1 縱橫梁橋面系方案

圖3 有限元分析模型

2 計(jì)算荷載

大橋上層橋面為四線(xiàn)客車(chē)線(xiàn)，下層橋面為雙線(xiàn)貨車(chē)線(xiàn)，共計(jì)六線(xiàn)鐵路荷載。為了便于在同一水準(zhǔn)下進(jìn)行比較，計(jì)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(jì)68個(gè)節(jié)間，小里程端橫梁至大里程端橫梁距離總長(zhǎng)918 m。為便于數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行如下定義：從小里程側(cè)起下層橋面節(jié)點(diǎn)橫梁開(kāi)始編號(hào)依次為H0、H1、H2、……、H68，下層橋面橫梁間的縱梁(一個(gè)節(jié)間)依次編號(hào)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(diǎn)橫梁，H34為主跨跨中橫梁，H50為3#塔支點(diǎn)橫梁，H62為4#輔助墩位置橫梁，H68為5#墩端橫梁。

3 無(wú)制動(dòng)撐架縱梁連續(xù)方案

方案一縱梁連續(xù)不斷縫，且不設(shè)制動(dòng)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(nèi)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(nèi)最大負(fù)彎矩2 375 kN·m，發(fā)生在H6位置。H18橫梁位置縱梁最大負(fù)彎矩為1 985 kN·m，H34橫梁位置縱梁最大負(fù)彎矩1 207 kN·m。其余部位縱梁負(fù)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(yīng)力為397 MPa，最大壓應(yīng)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(yīng)力為144 MPa，最大壓應(yīng)力為193 MPa，其最大應(yīng)力發(fā)生部位位于壓重區(qū)域。

由計(jì)算結(jié)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(dǎo)致橫梁應(yīng)力水平很高。若通過(guò)增加橫梁面外剛度來(lái)降低橫梁應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難(圖4～圖6)。

圖4 主力作用下橫梁面外彎矩內(nèi)力(單位：kN·m)

圖5 主力作用下縱梁面內(nèi)彎矩內(nèi)力(單位：kN·m)

圖6 主力作用下縱梁軸力內(nèi)力(單位：kN)

4 每6個(gè)節(jié)間設(shè)置制動(dòng)撐架縱梁連續(xù)方案

方案二縱梁不斷縫連續(xù)，每6個(gè)節(jié)間設(shè)置制動(dòng)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?？v梁平面內(nèi)最大正彎矩2 116 kN·m發(fā)生在Z1跨中位置，縱梁平面內(nèi)最大負(fù)彎矩2 731 kN·m，發(fā)生在H31位置。

H18橫梁位置縱梁最大負(fù)彎矩為1 977 kN·m，H34橫梁位置縱梁最大負(fù)彎矩1 202 kN·m。其余部位縱梁負(fù)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(dòng)撐架與橫梁組成一個(gè)桁架傳力體系，制動(dòng)撐架較單個(gè)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(dòng)撐架間距范圍內(nèi)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(dòng)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(qiáng)。

橫梁最大拉應(yīng)力為211 MPa，最大壓應(yīng)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(yīng)力為85.1 MPa(Z1位置)，最大壓應(yīng)力為189 MPa(Z25位置)。

由計(jì)算結(jié)果可知，雖然縱梁不斷縫，通過(guò)每6個(gè)節(jié)間設(shè)置一道制動(dòng)撐架，形成橋面系平面內(nèi)的傳力體系，使得橫梁應(yīng)力水平在允許范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)方案可行。

5 計(jì)算結(jié)果分析

上述方案對(duì)應(yīng)的橫梁面外彎矩、縱梁面內(nèi)彎矩、縱梁軸力、橋面系橫梁應(yīng)力、撓跨比等主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)縱梁不斷縫方案類(lèi)、縱梁斷縫且設(shè)置制動(dòng)撐架方案類(lèi)以及縱梁斷縫且不設(shè)制動(dòng)撐架方案類(lèi)進(jìn)行探討。

表2 不同橋面系方案主要計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5.1 縱梁不斷縫方案類(lèi)

方案一縱梁不斷縫，且無(wú)制動(dòng)撐架，其橫梁端部面外彎矩達(dá)2 605 kN·m，跨中彎矩達(dá)1 827 kN·m。其余各方案通過(guò)設(shè)置制動(dòng)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(duì)應(yīng)的橫梁最大應(yīng)力達(dá)397 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許應(yīng)力，顯然，不設(shè)制動(dòng)撐架且縱梁不斷縫方案不可行。

制動(dòng)撐架設(shè)置后，橋面節(jié)點(diǎn)橫梁的應(yīng)力水平逐漸降低，方案二橫梁最大應(yīng)力215 MPa，且隨著制動(dòng)撐架設(shè)置密度增加(方案三、四、五)，其應(yīng)力水平成下降趨勢(shì)，最低至176 MPa，活載作用下的撓跨比由1/768降低至1/796，結(jié)構(gòu)剛度有所提高。橋面系縱梁的應(yīng)力也由193 MPa,下降至183 MPa?？v梁不斷縫，在一定范圍內(nèi)設(shè)置制動(dòng)撐架方案，受力合理，方案可行。且隨著制動(dòng)撐設(shè)置密度的增加，橋面整體性越強(qiáng)，并由于制動(dòng)撐的約束，橋面橫梁應(yīng)力水平(面外彎矩)逐漸減小。但是，制動(dòng)撐若進(jìn)一步增多，會(huì)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(shè)制動(dòng)撐架方案類(lèi)

方案六，每6個(gè)節(jié)間設(shè)置一道制動(dòng)撐，相應(yīng)縱梁每6個(gè)節(jié)間斷縫，橋面系節(jié)點(diǎn)橫梁最大應(yīng)力217 MPa，橋面系縱梁應(yīng)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(yīng)力進(jìn)一步降低。三個(gè)方案的活載作用下?lián)峡绫燃s1/761，結(jié)構(gòu)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(gè)節(jié)間均斷縫，縱梁完全不參與主桁受力，軸向受力為0?？v梁斷縫且設(shè)制動(dòng)撐架的三個(gè)方案，從結(jié)構(gòu)受力分析，方案是可行的，這又進(jìn)一步驗(yàn)證了論證鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范相關(guān)規(guī)定的合理性。不過(guò)，縱梁斷縫使得橋梁剛度有所降低，斷縫的存在也會(huì)影響行車(chē)舒適性。

5.3 縱梁斷縫且不設(shè)制動(dòng)撐架方案類(lèi)

對(duì)于方案九、十、十一，縱梁斷縫且無(wú)制動(dòng)撐架方案，共同作用程度較低，橋面縱橫梁應(yīng)力水平較低，但是，由于沒(méi)有制動(dòng)撐架，在列車(chē)制動(dòng)力的作用下，橋面橫梁將承受很大的面外彎矩，橫梁應(yīng)力水平將顯著升高，結(jié)構(gòu)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(duì)武漢天興洲長(zhǎng)江大橋下層橋面縱橫梁體系的相關(guān)研究[5]表明，“不設(shè)伸縮縱梁、每6個(gè)節(jié)間設(shè)置一道伸縮縱梁、每6個(gè)節(jié)間設(shè)置一道制動(dòng)撐三種方案情況下橫梁的應(yīng)力水平超過(guò)200 MPa；逐根橫梁加制動(dòng)撐、每根橫梁均設(shè)置一道制動(dòng)撐、每根橫梁均設(shè)置一道制動(dòng)撐且制動(dòng)撐的剛度增加一倍、每根橫梁均設(shè)置一道制動(dòng)撐且改變縱梁剛度等四種方案均不設(shè)伸縮縱梁，而采用了增設(shè)制動(dòng)撐的方法減少了橫梁的面外彎曲，隨著制動(dòng)撐的增加，橫梁的面外彎曲應(yīng)力減小了，但縱梁的應(yīng)力卻增加了，制動(dòng)撐越剛，橫梁的面外彎曲應(yīng)力越小，縱梁的應(yīng)力越大；每?jī)蓚€(gè)節(jié)間設(shè)置一道伸縮縱梁橫梁最大水平彎曲應(yīng)力為61.8 MPa，滿(mǎn)足要求”。

新白沙沱長(zhǎng)江大橋采用兩片主桁，桁寬24.5 m，其計(jì)算結(jié)果與天興洲大橋的相關(guān)研究規(guī)律上呈現(xiàn)一致性。通過(guò)有限元計(jì)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(duì)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?jī)H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(lái)的面外彎矩過(guò)大的問(wèn)題。

7 結(jié)論

(1)對(duì)于無(wú)制動(dòng)撐架且縱梁斷縫的方案，橫梁在列車(chē)制動(dòng)作用下，應(yīng)力水平很高，方案并不合理。

(2)對(duì)于縱梁斷縫方案，設(shè)置制動(dòng)撐架，屬于常規(guī)的方案，其主要缺點(diǎn)在于設(shè)置伸縮縱梁構(gòu)造復(fù)雜，并在一定程度影響行車(chē)舒適性。

(3)縱梁不斷縫，在一定范圍設(shè)置制動(dòng)撐架，橋面縱橫梁應(yīng)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(shí)避免了伸縮縱梁帶來(lái)構(gòu)造復(fù)雜和養(yǎng)護(hù)維修工作量大的問(wèn)題。

(4)新白沙沱長(zhǎng)江大橋桁寬達(dá)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(jié)構(gòu)，每六個(gè)節(jié)間設(shè)置一道制動(dòng)架，與節(jié)點(diǎn)橫梁組成桁架；縱梁與對(duì)應(yīng)下弦桿間采用不同應(yīng)力狀態(tài)確定制造長(zhǎng)度，大幅度改善了橋面系因與主桁共同受力帶來(lái)的不利影響，確?？v梁連續(xù)可行。

(5)隨著制動(dòng)撐設(shè)置密度的增加，橋面整體性越強(qiáng)，并由于制動(dòng)撐的約束，橋面橫梁應(yīng)力水平(面外彎矩)逐漸減小。制動(dòng)撐若進(jìn)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。