密布横梁体系整体钢桥面静载试验研究

唐重平

(广州珠三角城际轨道交通有限公司，广东广州 510000)

正交异性整体钢桥面相对于传统的铁路明桥面，具有刚度大、自重轻、噪声小、行车舒适等一系列优势，因此在高速铁路桥梁中逐渐得到了广泛应用。传统的正交异性整体钢桥面多为纵横梁或多横梁体系，即在设置横梁和纵肋的同时，在轨道下方还设置一小纵梁，达到传递列车活载的目的。在我国，南京大胜关长江大桥、京沪高铁济南黄河大桥都采用了此种形式的整体钢桥面。纵梁的设置一般是为了将承担的荷载纵向传递至相邻的横梁上，如果横梁设置的较密，那么纵梁即可减小，蜕化为纵肋，最后演变成一种无纵梁的密布横梁正交异性整体钢桥面。

密布横梁体系正交异性整体钢桥面一般由纵肋(U 肋和板肋)和横梁(肋)钢桥面板组成，没有线路下方小纵梁。这种结构体系相对于前述的正交异性桥面板，荷载的纵向传递主要依靠纵肋和桥面板，而横梁(肋)和桥面板承担了荷载的横向传递作用。近来年，此种形式的正交异性桥面板在高速铁路钢桥中也得到了较多应用，郑州黄河公铁两用大桥铁路桥，还有本文即将介绍的厦深铁路榕江特大桥都采用了此种桥面形式。

厦深铁路榕江特大桥主桥采用连续钢桁梁柔性拱，其桥面采用密布横梁体系正交异性整体钢桥面结构，钢桥面由桥面板、横梁、横肋、纵肋及I 肋五个部分组成，桥面系布置如图1 所示。

图1 桥面系布置

目前，在铁路系统，正交异性整体钢桥面得到了越来越多的应用，但对桥面系统特别是密布横梁体系正交异性桥面板的受力机理及参数优化的研究还不够深入。因此，本文针对厦深铁路密布横梁体系正交异性桥面板结构，结合有限元分析和模型试验，对其传力行为进行了研究。

1 模型设计

截取主桥一个节间下弦及桥面系以1∶2 比例尺制作模型试件。依据相似理论对实桥正交异性桥面板受力进行模拟，为保证加载方便和尽可能模拟实桥受力，节段两侧桥面伸出0.6875 m，弦杆伸出1.487 m。模型实际情况如图2 所示。

试验模型宽8.061 m，长8.495 m。分为下弦杆和桥面系两部分，考虑到试验模型较宽，因此桥面系和下弦杆在工厂分别焊接完成，运抵实验室后进行拼接。桥面系为密布横梁正交异性桥面板，节点处设置横梁，节点之间按1.375 m等间距设置横肋，桥面板下设置U 肋(板肋)，并遇腹板开孔通过;弦杆顶板伸出部分与两侧桥面板焊接连接，在横梁(横肋)连接处下弦杆与两侧横梁(横肋)焊接连接;桥面系和两侧下弦杆及两侧横梁(横肋)通过螺栓连接，桥面板进行熔透焊接模型实际情况如图2 所示。

图2 安装完成后试验模型

2 模型试验

2.1 试验加载方案

试验主要考察结构在第一体系下弦轴力和列车活载作用下桥面板的传力规律，根据模型试验研究的目的，设立了以下5个加载工况。

工况1:第一体系下弦轴力模拟;

工况2:双线列车活载模拟(加载位－横梁/肋上);

工况3:单线列车活载模拟(加载位－横梁/肋上);

工况4:双线列车活载模拟(加载位－横梁/肋间);

工况5:单线列车活载模拟(加载位－横梁/肋间)。

(1)第一体系轴力加载:根据实桥设计最大轴力，按照应力等效原则，试验施加轴力大小为5396 kN。第一体系轴力加载主要研究整体钢桥面的力学行为以及桥面系参与第一体系受力的程度。试验加载主要通过在下弦杆中穿钢绞线，并通过千斤顶对下弦杆压力实现(图3)。

图3 轴力工况加载

(2)单双线列车活载加载:纵、横梁(肋)主要承受活载产生的弯矩，其应力也以弯曲应力为主。因此模型试验中按弯曲应力等效进行荷载设计。通过将列车中－活载转化为几个集中荷载，近似的模拟列车活载作用，为了考察对比列车活载对桥面板局部响应的影响，单双线加载同时分为加载位为横梁上和横梁肋间两个工况。试验时每个千斤顶施加荷载大小为70.78 kN，图4 给出了工况二的荷载加载图示。

图4 双线列车活载(加载位－横梁上)

2.2 试验测试方案

2.2.1 应力测试

根据研究内容，以横梁(肋)为边界，在试验模型中划分了多个测试断面，图6 给出了测试断面的布置图。

根据有限元分析结果，整体钢结构试验模型应力最不利的位置在桥面板和横梁焊接位置、板肋、U 肋和横梁的连接部位。基于上述原因，应变测点在这些位置布置较多，其它部位则做适当布置。限于篇幅，图7 只给出A－A 截面横梁与桥面板和下弦杆的测点布置图。

图5 加载装置布置

图6 试验测试断面

图7 部分应变测点布置

2.2.2 位移测试

为了描述整体钢桥面节段模型在荷载作用下的变形情况，描述桥面板顺桥向和横桥向变形趋势，需要布置位移测点，位移测点主要分布在模型横桥向和纵桥向，呈十字状布置，并在支座处布置4个位移测点测量支座竖向沉降(图8)。

2.3 试验结果及分析

由于试验模型测点较多，限于篇幅不能一一列举，本文只给出部分代表性测点的试验结果。

图8 位移测点布置

2.3.1 应力测试结果

表1 列出了工况一轴力荷载作用下下弦杆C－C 截面和F－F 截面测点应力值，最大Mises 等效应力131.28 MPa，小于刚才屈服强度，满足结构安全性要求。

表1 工况1 下弦杆测点应力值(单位:MPa)

F－F 截面位于弦杆加载端头，此处轴向力全部由弦杆承担，但处于对模型加载时安全性考虑，此处板厚较大，因此应力反而较C－C 截面小。C－C 截面位于模型中部，此处第一体系荷载已经分散到桥面系中。根据弦杆截面各测点应力，将横截面按照测点布置进行分块，并求得各分块区域所分担内力，合计后可以得到弦杆截面承担的轴力。经计算可知，当轴向荷载传递至模型中间时(C－C 截面附近)，由下弦杆分担轴力比例为87.8 %，其余部分可认为全部由桥面系构件承担。

表2 给出各关键部件在工况2 到工况5 的最大应力值。

表2 关键构件及部件最大应力值(单位:MPa)

在各个列车活载作用工况下，结构的关键构件及部位最大应力均未超过钢材的屈服极限，且最大应力也只有75，28 MPa 作用，有较大富余，因此可认为该实际结构具有较大的安全储备，满足使用要求;具体来看，结构在单线加载时各测点响应一般都比双线加载要小，且荷载作用于横梁(肋)节间时，桥面板、纵肋等局部构件响应要比作用在横梁(肋)上要大，这是因为桥面板和纵肋参与了正交异性板第二第三体系受力的缘故。

2.3.2 位移测试结果

限于篇幅，图9 仅示出工况2 荷载作用下试验模型竖向变形规律曲线。

图9 试验模型竖向变形规律

通过对图9 模型竖向变形曲线分析，可以看到模型在双线荷载作用下结构变形沿顺桥向和截面横向大致对称，最大竖向位移为5 mm 以内。

3 结论

(1)在工况1 轴力荷载作用下，下弦杆承担了87.8 %的轴力，其余部分可认为全部由桥面系构件承担。

(2)在各荷载工况下，结构的重要构件和重要部位应力均较小，具有较大的安全储备，结构在单线加载时各测点响应一般都比双线加载要小，荷载作用于横梁(肋)节间时，桥面板、纵肋等局部构件响应要比作用在横梁(肋)上要大。

(3)结构在双线荷载作用下变形连续，变形沿顺桥向和截面横向大致对称，最大竖向位移为5 mm 以内。

［1］罗如登.高速铁路正交异性整体钢桥面结构形式受力性能和设计计算方法研究［D］.中南大学，1980:7－10

［2］西南交通大学.厦深铁路榕江特大桥主桥典型节段钢桥面模型试验研究报告［R］.成都:西南交通大学，2012:17－38，40－102

［3］西南交通大学.整体钢桥面模型静载试验研究报告［R］.成都:西南交通大学，2010:4－7

［4］项海帆.高等桥梁结构理论［M］.北京:人民交通出版社，2001

［5］韩衍群，叶梅新，罗如登.整体桥面钢桁梁桥桥面荷载传递途径的研究［J］.铁道学报，2008(1)