钢—混组合连续钢构方案在铁路桥上的应用探讨

王 业 飞

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031； 2.中铁二十三局集团有限公司，四川 成都 610072)

钢—混组合连续钢构方案在铁路桥上的应用探讨

王 业 飞1，2

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031； 2.中铁二十三局集团有限公司，四川 成都 610072)

以某跨涪江的铁路桥梁工程为例，对钢—混凝土组合连续箱梁结构方案在铁路大跨桥梁上的应用进行了探讨，并结合有限元分析和车桥耦合分析验证了该方案的可行性，可供类似铁路桥梁设计时参考。

钢—混组合箱梁，连续刚构，铁路桥

1 概述

近年来，随着我国铁路建设事业的高速发展，铁路桥梁的形式也越来越多样，而混凝土梁方案仍然以其优越的经济性及友好的施工操作性在铁路桥中占据了主要地位，同时混凝土主梁提供的较大刚度也较好地满足了铁路桥对铁路列车行车平顺性、舒适性的要求。但是随着跨度的增大，混凝土连续梁(刚构)的经济性显著下降，跨度增大后，其截面尺寸、材料消耗快速增加，且增加的材料主要用来克服其自身重量影响，目前在役的最大跨度的铁路混凝土连续梁(刚构)为襄渝铁路主跨192 m的牛角坪连续刚构。钢桥在铁路桥梁中的应用主要体现于300 m以上跨度的特大跨度桥梁中，同等跨度的结构，其自身重量要比混凝土梁小很多，但是钢桥的造价比混凝土梁又高出很多，因此如何从我国的国情实际出发，结合这两种材料的优点并应用于我国的铁路桥梁建设中，经济合理进行铁路建设显得十分必要。

刚—混组合连续梁(刚构)能够比较好的满足以上需要，连续梁(刚构)主体为混凝土结构，仅将主跨中间节段(综合考虑跨度，现场钢箱梁节段吊装条件确定)设计为钢箱梁，可以大幅减少结构的弯矩和自重效应，又能以较低代价实现较大的跨越。理论上具有较好的可行性。

2 钢—混组合箱梁刚构方案

某横跨涪江的铁路单线桥，桥下河宽约170 m，桥高56 m，为通航控制，有砟铁路，设计活载为“中—活载”。结合现场地形地貌，研究提出了主跨 (96+206+73)钢—混凝土组合连续刚构方案。主跨跨中设置70 m长的钢箱节段，其余均采用混凝土材料。

混凝土梁体为单箱单室变高度变截面箱梁。主桥全长377 m、箱宽8.0 m、顶板宽为8.5 m，箱梁跨中及边跨梁端梁高为6.5 m，支点梁高为12.0 m。其间梁底按二次抛物线变化。顶板厚60 cm。底板厚50 cm～100 cm，腹板厚60 cm～120 cm。

混凝土主梁采用C55混凝土，纵向预应力采用19-15.2和17-15.2高强度低松弛钢绞线；顶板横向预应力筋采用4-15.2高强度低松弛钢绞线；竖向预应力采用公称直径32 mm的PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋。体外预应力采用27-15.2环氧喷涂无粘结钢绞线，可调、可换型体外预应力锚具。

中间节段的钢箱梁采用Q370qD钢材，截面为单箱双室等高变截面。钢箱梁主要由顶板、底板、腹板及各自的加劲肋组成。箱顶板宽度为8.5 m，钢箱梁底板宽8.0 m，在钢箱梁中设一道纵向隔板，以增强其整体刚度。外型几何尺寸与混凝土箱梁保持一致，梁高6.5 m。顶板采用带U形闭口肋的正交异性板结构，厚度为32 mm，腹板为26 mm～28 mm，接头2.5 m范围内为30 mm，底板厚度为24 mm～28 mm。横隔板每隔4 m设置一道，每隔1 m设置一道次横梁。顶板采用U形加劲肋，上口宽340 mm，下口宽180 mm，高320 mm，厚8 mm～10 mm。腹板和底板采用一字形加劲肋，其中腹板加劲肋厚度为20 mm，底板加劲肋厚度为24 mm，长度均为280 mm。

箱体及节段间连接全部采用焊接，工地连接采用加劲肋栓接定位后再施焊，连接完成后拆除高强螺栓。

钢—混凝土过渡段是本桥组合系统成立的关键部位。钢箱混凝土现浇段长度1.5 m，内部浇筑混凝土。通过钢箱梁顶板、腹板、底板、加劲肋板及其结合部位钢板与混凝土的承压进行轴力传递；通过结合部位顶、底板的预应力筋传递弯矩；通过钢混接头部位的开孔钢板孔中的混凝土传递剪力。钢—混凝土接头混凝土区段长12.0 m，由混凝土连接过渡段长9.5 m和混凝土连接现浇段2.5 m组成；钢—混凝土接头钢箱区段长10.5 m，由钢箱工地连接段2.5 m和钢箱刚度过渡段8 m组成。

3 全桥有限元分析结果

对主桥利用MIDAS软件建立了有限元分析模型，主要考虑了结构自重、桥面恒载、活载、温度荷载、风荷载的不利组合。有限元模型如图1所示。

根据计算结果，混凝土主梁部分，运营阶段最不利荷载作用下最大正压应力16.1 MPa，最小压应力1.9 MPa；截面最大主压应力17.7 MPa，最大主拉应力-1.24 MPa； 正截面强度为2.37，满足规范[1]要求。

钢箱梁部分在运营阶段最不利荷载作用下，钢箱梁最大压应力145.7 MPa，最大拉应力-51.5 MPa，满足规范[2]要求。

静活载所引起的中跨跨中最大竖向挠度0.079 m，挠跨比为1/2 607；在摇摆力、离心力和横向风力作用下的跨中横向水平位移为0.029 m，挠跨比为1/7 103，均满足规范[3]要求。

运营阶段混凝土梁截面强度安全系数K>2.2(主力)和1.98(主力+附加力)，抗裂安全系数K>1.2(主力)和1.2(主力+附加力)，满足规范[1]要求。

4 钢箱梁节段分析结果

为进一步了解中间70 m钢箱梁节段的受力情况，又采用板单元建立了钢箱梁节段模型进行局部分析，如图2所示。钢梁段采用板单元建模，采用“厚板”单元，即考虑板的剪切变形。在整体分析中，由于刚混接头段存在预应力，引起刚度突变，位移随之突变。考虑结果对位移敏感，根据圣维南原理，取中间60 m的钢梁段进行分析。边界条件采用端截面刚性连接+强制位移的形式实现。

最不利荷载组合，主力作用下顶板最大弯曲应力125.3 MPa，最大von-mises应力125.4 MPa；主力作用下底板最大弯曲应力36.2 MPa，最大von-mises应力41.0 MPa；温度荷载引起的顶底板应力分别为-51.6 MPa，26.6 MPa；提取了跨中节段附近的应力图如图3所示。

从图3的应力分布情况可以看出，钢箱梁截面受力最不利位置主要分布于顶板区域，一是横梁之间的跨中处，另一区域则是U形加劲肋板处。若进行施工图设计需对此两处进行进一步的深入研究和分析。

5 车桥耦合分析结果

列车对桥梁的动力影响日益增强，其动力作用引起桥梁上部结构的振动可能使结构构件产生疲劳，降低其强度和稳定性，而桥梁振动过大可能会对桥上车辆的运行安全和稳定性产生影响。

该桥为大跨度连续刚构梁，且跨中区段70 m采用的钢箱结构，目前这种组合形式在公路桥上有重庆石板坡长江大桥[4]，但是在铁路桥上还没有已经实施的先例，设置钢箱梁后的梁体刚度、平顺性能否满足铁路列车的行车要求无法直观判断，因此有必要对这种结构形式的桥梁进行车桥耦合动力响应分析。

应用MSC软件按桥梁尺寸建立列车、桥梁的空间振动分析模型，连续箱梁体、钢箱梁体，桥墩和桩基均采用梁单元，墩梁间支座采用主从约束方程处，模型如图4所示。根据有关列车行车安全性与乘坐舒适性和平稳运行的评估标准，对刚—混组合连续刚构方案进行车桥耦合动力响应分析检算。研究该桥在正常运营中是否有足够的横向刚度及良好的列车运营平稳性，为桥梁的合理设计提供支撑。

根据模型的计算结果得到了以下结论：

1)该桥的第一阶横向频率0.743 Hz，主梁对称横弯；第一阶竖向频率1.105 Hz。振型为对称竖弯。2)桥梁振动加速度满足垂向不大于0.35g和横向不大于0.14g的要求，满足行车安全要求。3)DF4+C62重货以60 km/h～80 km/h速度通过时，跨中最大动挠度值为58.416 mm，相应挠跨比为1/3 526，没有出现共振现象。4)各种车辆编组以各个速度通过时，轮重减载率均小于0.6，脱轨系数均小于0.8，轮轴横向力小于限值，行车安全性满足要求。5)采用美国六级谱转换的时域不平顺作为激励源，SS8机车和双层客车以140 km/h～160 km/h速度通过时，动车竖向舒适度为优，横向舒适度为良，拖车各舒适度均为优；车体加速度合格。6)采用美国五级谱转换的时域不平顺作为激励源，DF4机车和C62重货以车速70 km/h～80 km/h通过时，机车舒适度为良，重车平稳性指标也为良；车体加速度合格。

6 结语

本文结合探讨了钢—混凝土组合结构箱梁在大跨铁路桥梁上的应用，并进行了初步的分析和计算，根据计算结果，混凝土主梁和钢箱梁的应力均能满足要求，桥梁的车桥耦合动力分析结果也表明此种结构形式的桥梁，能够满足行车刚度、平顺性、舒适度等要求。但是鉴于铁路列车活载和公路桥梁荷载的不同，若要进行方案的实施，建议对钢—混凝土箱梁接头区的疲劳性能、抗震性能设计及钢箱梁就位合龙影响因素等方面进行进一步研究。

[1] TB 10002.3-2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[2] TB 10002.2-2005,铁路桥梁钢结构设计规范[S].

[3] 铁建设函[2005]285号文，时速200公路客货共线铁路设计暂行规定[S].

[4] 邓文中，代 彤.重庆石板坡长江大桥复线桥总体设计[J].桥梁建设，2006(6):28-32.

Application inquiry of steel-concrete composite continuous steel structure scheme in railway bridge

WANG Ye-fei1,2

(1.ChinaRailway2ndInstituteEngineeringGroupCo.,Ltd,Chengdu610031,China;2.ChinaRailway23rdBureauGroupCo.,Ltd,Chengdu610072,China)

Taking the crossing-Fu river railway bridge engineering as an example, the paper inquires the application of steel-concrete composite continuous steel structure scheme in large-span railway bridge, and testifies its feasibility by integrating with finite element analysis and vehicle-bridge coupling analysis, which can provide some guidance for similar railway bridge design.

steel-concrete composite box girder, continuous steel structure, railway bridge

1009-6825(2014)11-0214-03

2014-02-08

王业飞(1983- )，男，工程师

U448.13

A