重载铁路大跨度钢桁梁桥面系选择及分析

郭子煜

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

重载铁路大跨度钢桁梁桥面系选择及分析

郭子煜

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

为选择适合重载铁路大跨度钢桁梁的桥面系形式，Midas/Civil程序建立有限元空间模型，通过对山西中南部108m双线下承式钢桁梁两种不同桥面系的理论计算分析和综合比较，得出大跨度钢桁梁桥面系选用密横梁钢桥面板体系，既回避了混凝土桥面板的裂缝控制难题，又减小了结构自重，节约了用钢量，还增加施工过程的安全性。

重载铁路;大跨度;下承式钢桁梁;桥面系;混凝土桥面板;钢桥面板

1 概述

山西中南部铁路通道是国内第一条轴重为30t以货运为主的大能力铁路运输线。目前国内对中活载、ZK活载下大跨度下承式简支钢桁梁桥面系的结构形式及分析比较多，但对于重载下的大跨度简支钢桁梁桥面系的结构形式及分析较少。桥面系的设计对钢桁梁整体刚度、结构耐久性以及对行车安全和舒适十分重要［1］。实际的钢桁梁设计中，使用较多的桥面结构形式有如下3种:(1)纵横梁混凝土桥面板体系;(2)密横梁混凝土桥面板体系;(3)密横梁钢桥面板体系［6］。本桥为重载下的大跨度钢桁梁，如果采用第一种桥面形式，由于横梁个数较少，使横梁结构高度较高，横梁的面内、面外组合应力较高［2］，故第一种桥面形式不适用于本桥。本文以重载铁路108m双线下承式简支钢桁梁密布横梁混凝土桥面板和钢桥面板为研究对象，建立整体有限元模型，对钢桁梁桥面系两种不同形式进行计算分析，得出两种桥面形式对结构受力的影响。

2 设计标准及相关参数

2.1 活载标准

(1)活载:1.2倍ZH－活载。详见图1。

(2)动力系数、牵引力和制动力系数仍按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)公式采用。

图1 1.2倍ZH－活载图示(单位:m)

(3)离心力仍采用《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)中的4.3.6条计算。但离心力的作用位置取轨顶以上2.2m。

(4)横向摇摆力、脱轨荷载的计算原则按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)采用，荷载取值提高20%。

(5)二期恒载(道砟、线路设备、轨枕):

直线:146.8 kN/m·双线

(6)设计速度:120 km/h(货车)。

(7)结构形式:采用平弦无竖杆华伦式三角桁架;密布横梁体系;无下平联;“X”形上平联;采用桁式桥门架及横联;主桁上、下弦均采用箱形杆件;腹杆除部分杆件受力需要采用箱形杆件外，其余均采用H形杆件。

(8)钢材:钢梁主体结构材质除桥门架、横联、上平纵联采用Q345qE外，其余均采用Q370qE钢，附属工程采用Q235C，Q370板厚不超过46mm。

钢筋:HRB335。

混凝土:C50。

高强度螺栓:主桁采用M30高强螺栓，桥面系均采用M24高强螺栓。

剪力钉:φ22×180mm。

(9)温度

最低设计温度按－30℃，最高设计温度按+45℃，钢梁与混凝土温差按±15℃考虑，日照引起的钢梁局部升温按30℃考虑。

3 主桁和桥面构造形式

主桁类型为下承式道砟桥面简支钢桁梁，桁式为平行弦无竖杆三角桁架(图2)。主桁共9个节间，每个节间12m，计算跨度108.0m，全长109.5 m，桁高14.5m，横桥向支座中心距为12.8m。桥面系除在下弦节点处设置1道节点横梁外，每个节间再设置3道横梁，不设下平联。

3.1 密横梁混凝土桥面板体系

密横梁混凝土桥面板结构不设纵梁，混凝土桥面板通过剪力钉与横梁连接，桥面板不与主桁相连，横梁与主桁下弦栓接将桥面荷载通过横梁直接传递到主桁上［2］。结构如图3所示。

图2 主桁轮廓立面(单位:mm)

图3 密横梁混凝土桥面板结构(单位:mm)

3.2 密横梁钢桥面板体系

由于桥面位于桁梁的受拉区，随着桥梁跨度的增加，桥面越长，混凝土桥面板所受拉力越大，混凝土桥面板设计难度增大。密横梁钢桥面板体系与密横梁混凝土桥面板体系结构相似，只不过是把混凝土改为钢板。钢桥面板下有U肋及竖肋加强。钢桥面板与横梁上翼缘形成一个整体，桥面板与主桁焊接，横梁竖板和下翼缘与主桁下弦杆栓接。这样，桥面板与主桁形成一个整体，参与整体受力。钢桥面板不存在混凝土桥面板的收缩徐变问题，而且温度伸缩系数与主桁一致，横梁面外弯曲效应有所减弱。钢桥面板可以分担下弦杆的一部分拉力，可以减小下弦杆的截面尺寸。结构如图4所示。

图4 密横梁钢面板结构(单位:mm)

4 不同桥面系构造的计算分析比较

4.1 有限元模型

采用Midas/Civil程序建立有限元空间模型，对结构进行分析计算。分别建立了密横梁混凝土桥面板和密横梁钢桥面板两种结构形式的空间有限元模型。密横梁混凝土桥面板体系模型需建立纯钢结构和钢混组合结构两种模型，一期恒载由纯钢结构单独承受，二期恒载和活载由组合结构承受分两次计算，同时在组合结构模型下分别计算混凝土收缩，升降温对结构产生的影响，并按最不利影响进行组合。密横梁钢桥面板体系模型相对简单，只需建立1个模型。整体计算模型如图5所示。

图5 整体结构模型

主桁杆件采用空间梁单元，混凝土板和钢桥面板采用空间板单元，横梁及平联采用空间梁单元。按平截面假定考虑主桁下弦杆，横梁和混凝土板或钢板的偏心、钢与混凝土板之间的滑移不考虑。主桁各杆件之间、横梁与主桁下弦之间、上平联与主桁上弦之间都按刚结处理，并考虑偏心。

设计荷载

(1)密横梁混凝土桥面板体系

一期恒载(D1)340 kN/m;

二期恒载(D2)146 kN/m;

钢材的弹性模量取值2.1×105MPa;

混凝土弹性模量取值

二期恒载1.4×104MPa(n=15);

活载2.1×104MPa(n=10);

混凝土收缩徐变1×104MPa(n=21);

混凝土升降温1.5×104MPa(n=14);

n为计算温度变化影响时钢与混凝土的弹性模量比值。

(2)密横梁钢桥面板体系

恒载320 kN/m。

4.2 两种方案对比分析

(1)两种桥面系比较

表1是在主桁及横梁截面相同时两种桥面系的比较。混凝土桥面板的高度为300mm，钢桥面的钢板厚度为16mm。

从表1中可以看出，两种桥面系下的横梁应力都满足要求。但是由于钢梁跨度太大，混凝土桥面板与钢梁共同受力时，由于混凝土的收缩徐变，钢与混凝土的升降温不均，导致混凝土桥面板内力过大，必须每米使用15根φ25mm的钢筋，混凝土板的裂缝才能满足要求，而此时钢筋的应力还远没有达到规范限值，而钢桥面板各部分最大应力均满足要求。

(2)两种桥面系下主桁应力、挠度、用钢量比较

表2针对了两种桥面系下主桁应力、挠度、用钢量进行了两种比较:①当钢桥面板的主桁与混凝土桥面板的主桁截面相同且混凝土桥面板的主桁应力最大时(同截面)，两种桥面系的主桁应力;②当正交异性钢桥面板的主桁应力与混凝土桥面板的主桁应力基本接近时(同应力)，计算出两种桥面系方案的全桥用钢量。

表1 两种桥面系比较

两种情况下的比较可以看出，主桁截面相同，由于混凝土桥面板自重大，导致其达到应力极限时，钢桥面板的主桁应力还有不少余量。为使钢桥面板主桁应力达到限值，可以将其主桁截面板厚减小，以达到节约钢材的目的。

5 结论

(1)大跨度重载铁路钢桁梁若采用密横梁混凝土桥面板体系，为了满足混凝土桥面裂缝的要求，需要混凝土板的截面高度在300mm以上，从而导致钢梁本身自重增大，主桁截面尺寸增加。

(2)大跨度钢桁梁主要应用于跨越公路或者既有铁路，若采用密横梁混凝土桥面板体系，钢梁在架设完成后，还需要在既有线上方进行混凝土的现浇施工影响桥下通车安全，而正交异性钢桥面板体系全部为工厂制造，增加施工的安全性。

大跨度钢桁梁桥面系选用密横梁钢桥面板体系，既回避了混凝土桥面板的裂缝控制难题，又减小了结构自重，节省了用钢量，还增加了施工过程的安全性，建议在大跨度钢桁梁上推广使用。

表2 两种桥面系下主桁应力、挠度及用钢量比较 MPa

［1］徐勇，戴晓春．高速铁路96m钢桁梁桥面系结构形式比较研究［J］．铁道勘察，2007(S):24－27．

［2］高静青．双线下承式钢桁结合梁桥面系构造研究［J］．铁道标准设计，2005(5):73－75．

［3］叶梅新，杨斐，陈佳，侯杰平．106m下承式钢桁结合梁桥面系结合形式的比较研究［J］．中国西部科技，2008(35):1－2．

［4］中华人民共和国铁道部．TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［5］中华人民共和国铁道部．TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005．

［6］李凤琴，何伟，杨欣然．钢桁结合梁桥面系构造设计研究［J］．铁道勘察，2007(S):20－23．

［7］铁道部大桥工程局．孙口黄河大桥技术总结［M］．北京:科学出版社，1997．

［8］运输省铁道局．铁路结构物设计标准及解说钢桥、结合梁桥［M］．日本:丸善株式会社，2003．

［9］李富文，伏魁先，刘学信．钢桥［M］．北京:中国铁道出版社，2002．

Selection and Analysis on Bridge Deck System of Large-span Steel Truss Girder on Heavy-Haul Railway

GUO Zi-yu

(China Railway Engineering Consulting Group Co．，Ltd．，Beijing 100055，China)

To select a bridge deck system suitable for large-span steel truss girder on a heavy-haul railway，the software Midas/Civilwas employed to establish spatial finite elementmodel．After theoretical calculation and analysis as well as comprehensive comparison of two different bridge deck systems for a 108m double-track through-type steel truss girder on the Middle and Southern Shanxi Railway，the paper came to a conclusion that the steel deck with dense transverse beam should be used as the bridge deck system of this large-span steel truss girder，because it not only can avoid the cracking control problem in concrete deck system，but also can reduce structure's dead load，decrease the whole steel consumption，and enhance the safety of construction．

heavy-haul railway;large-span;through-type steel truss girder;bridge deck system;concrete deck of bridge;steel deck of bridge

U443.32

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．021

1004－2954(2014)03－0090－04

2013－07－01;

2013－08－08

郭子煜(1984—)，男，工程师，2008年毕业于北京交通大学桥梁工程专业，工学硕士，E-mail:398692969@qq。