上跨運營鐵路雙層簡支鋼桁梁橋節(jié)點構(gòu)造對比分析

唐志偉

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)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(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求十分嚴(yán)格,應(yīng)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(jié)構(gòu),可將結(jié)構(gòu)整體受彎轉(zhuǎn)化為局部構(gòu)件的受壓或受拉,有效發(fā)揮材料性能,增大結(jié)構(gòu)跨度[2]。無論是前期工廠預(yù)制及整體吊裝施工還是后期維養(yǎng)及拆除重建,都能有效降低施工風(fēng)險,在上跨運營鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)中得到了廣泛運用。

某工程為蒸汽管網(wǎng)跨越鐵路,上跨結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力明確、自重輕、跨越能力大的特點,桁架體系使上部結(jié)構(gòu)力流的傳遞形式以軸向力形態(tài)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(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)恒載作用下傳力路徑

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體布置

根據(jù)鐵路設(shè)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(tài),鋼桁梁縱坡按照3‰的人字坡設(shè)計,以利于排水系統(tǒng)收集排水。桁內(nèi)設(shè)置4根DN500蒸汽管道,分上下兩層運輸。

1.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋上部由雙層鋼桁梁與鋼板構(gòu)成,設(shè)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(jié)間,節(jié)間長度3 m,結(jié)構(gòu)桿件尺寸見表1。

表1 構(gòu)件參數(shù)表

1.3 鋼桁梁節(jié)點構(gòu)造設(shè)計要求

節(jié)點構(gòu)造作為鋼桁梁橋的關(guān)鍵,將弦桿、腹桿、橫梁連接成空間整體受力結(jié)構(gòu)[4]。根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》可知,對于設(shè)有斜支管的Y、K、N形節(jié)點,構(gòu)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(shè)計規(guī)范》要求K形節(jié)點或N形節(jié)點支管間的間隙g不小于50 mm[5]。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定支管搭接的平面K形或N形節(jié)點搭接率應(yīng)滿足25%～100%,確保搭接的支管之間連接焊縫能可靠傳遞內(nèi)力[6]。故分別采用兩種不同類型的節(jié)點構(gòu)造設(shè)計,對比分析結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)系主要受力構(gòu)件采用Q355D鋼材,技術(shù)指標(biāo)符合《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591-2018)的相關(guān)要求,材料屬性見表2。

表2 鋼材力學(xué)性能參數(shù)

為研究兩種不同節(jié)點構(gòu)造結(jié)構(gòu)受力差異,對比分析了兩種節(jié)點構(gòu)造細(xì)節(jié)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(jié)點構(gòu)造細(xì)節(jié)

圖5 支管分離節(jié)點構(gòu)造細(xì)節(jié)

2.2 設(shè)計荷載

一期恒載。結(jié)構(gòu)自重根據(jù)Midas分析結(jié)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(hù)網(wǎng)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(fēng)荷載。按《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB10002-2017)附錄C,基本風(fēng)壓值取W0=0.7 kPa。鋼桁梁風(fēng)載體形系數(shù)K1取1.3,鋼桁梁折減系數(shù)0.4,防拋網(wǎng)阻風(fēng)作用考慮2.0系數(shù),風(fēng)壓高度變化系數(shù)K2取1.13,地形、地理條件系數(shù)K3取1.3。風(fēng)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(lián)桿件,上平聯(lián)4.2 kN/m,下平聯(lián)1.7 kN/m。

2.3 結(jié)果分析

通過查看最不利桿件的內(nèi)力狀態(tài),確定主力+附加力的最不利荷載工況。根據(jù)鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(TB10091-2017),在外力組合下,材料的容許應(yīng)力可相應(yīng)提高,其中組合容許應(yīng)力需考慮提高系數(shù)1.3。

根據(jù)Midas有限元整體模型結(jié)果,如圖6、圖7、圖8所示。分別選擇上弦桿節(jié)點(A9、A13、A14)與下弦桿節(jié)點(E8、E12、E14)進(jìn)行軸力、彎矩及應(yīng)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(yīng)力(單位：MPa)

在雙層荷載(主+附)作用下,通過對比兩種構(gòu)造形式的鋼桁梁軸力發(fā)現(xiàn),兩種鋼桁梁的軸力差異較小,其中上弦桿節(jié)點A13斜腹桿軸力最大相差54 kN,下弦桿節(jié)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(gòu)造形式的鋼桁梁彎矩發(fā)現(xiàn),兩種鋼桁梁的彎矩差異明顯,其中上弦桿節(jié)點A13上弦桿彎矩最大相差84.4 kNm,下弦桿節(jié)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(gòu)造形式的鋼桁梁應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn),兩種鋼桁梁的應(yīng)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(yīng)力最大達(dá)262 MPa,A13斜腹桿應(yīng)力最大達(dá)279 MPa,不滿足主+附荷載組合作用下拉桿容許應(yīng)力260 MPa的要求,需進(jìn)一步提高支點處斜腹桿的桿件尺寸才能滿足規(guī)范要求。支管搭接時,E12斜腹桿應(yīng)力最大為196 MPa,A13斜腹桿應(yīng)力最大為194 MPa。上弦桿節(jié)點A13斜腹桿應(yīng)力最大相差85 MPa,下弦桿節(jié)點E12斜腹桿應(yīng)力最大相差66 MPa。

3 結(jié)束語

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