第29卷,第2期 中国铁道科学Vo l 129No 122008年3月 CH INA RAILWAY SCIEN CEM ar ch,2008文章编号:1001-4632(2008)02-0053-06下承式钢桁半结合桥桥面系的受力状态及改善方法张 晔 芝(中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410075)摘 要:针对下承式钢桁半结合桥横梁的面外弯曲和混凝土桥面板受拉的问题,以64和96m 下承式钢桁半结合桥为例,对3种现浇混凝土板施工方法桥面系的受力状态进行计算和分析比较。
结果表明:采用由跨中向两端逐个节间固联纵、横梁后再浇筑混凝土板的方法,可使横梁的面外弯矩大幅度减少。
据此提出预制板不设纵梁和待混凝土预制板全部上桥就位并释放横梁面外弯曲后再固联纵梁与横梁的2种施工方法。
采用这2种施工方法可以基本消除一期恒载作用下横梁的面外弯矩和混凝土板中的轴向拉应力,如果再加上压重等措施,则可进一步消除或减少二期恒载和活载引起的横梁面外弯矩和混凝土板中的轴向拉应力。
关键词:钢桁半结合桥;施工方法;横梁;面外弯曲;混凝土桥面板;轴向拉应力 中图分类号:U 4481211;U 448153 文献标识码:A收稿日期:2006-11-16;修订日期:2007-12-27基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(99G33,2003G003) 作者简介:张晔芝(1973)),男,上海人,副教授,博士。
下承式钢桁结合桥因刚度大、噪音小、建筑高度低等优点,在日本、法国和我国台湾的高速铁路上应用较多。
如日本山阳新干线的远贺川桥,东北新干线上的第一北上川桥、第二北上川桥和利根川桥,北陆新干线上的第三千曲川桥和犀川桥等[1,2]。
我国既有线路提速改造、客运专线、高速铁路上一些100m 左右跨度的桥梁也将采用下承式钢桁结合桥[3,4]。
正在建设中的武汉天兴洲长江大桥下层铁路桥面,也采用了钢桁结合桥面。
下承式钢桁结合桥的桥面结构形式较多,半结合桥面是其中的一种[3,5]。
这种桥面的混凝土板较窄且只与纵梁和横梁结合,与下弦杆不结合,结构构造简单,传力途径明确。
本文针对下承式钢桁半结合桥横梁的面外弯曲问题和混凝土桥面板的受拉问题,分析横梁面外弯曲产生的主要原因,提出改善桥面系受力状态的方法和措施。
1 施工方法和受力特点分析下承式简支钢桁半结合桥在竖向荷载作用下,上弦杆受压,下弦杆受拉,主桁下弦杆带动横梁两端向桥头移动,而纵梁却约束了横梁的位移,从而引起横梁的面外弯曲(旁弯)和混凝土桥面板的轴向拉力[6,7]。
横梁的面外弯曲由跨中至桥端逐渐增大,越靠端部的横梁越严峻。
当跨度较大时,横梁面外弯曲引起的应力相当大,给设计造成困难。
因此,减少横梁的面外弯曲是设计下承式钢桁半结合桥的关键之一。
混凝土桥面板与纵梁和横梁结合,主要是为了增大桥梁的刚度尤其是横向刚度,以改善行车舒适度。
另外,下承式钢桁半结合桥在恒载作用下的受力状态与施工方法密切相关,采用适当的施工方法,可以消除或减少恒载作用下的横梁面外弯曲。
混凝土桥面板可以预制,也可以现浇。
工地现浇混凝土桥面板的施工方法主要有以下3种:¹将横梁、纵梁一次性全部联接完毕后,再浇注混凝土桥面板;º由跨中节间向两头桥端逐个节间联接纵梁并浇注混凝土;»由两头桥端节间向跨中节间逐个联接纵梁并浇注混凝土。
按方法¹施工时,每一个节间的混凝土板重量都会引起所有横梁的面外弯曲。
按方法º和方法»施工时,在浇注某一节间的混凝土时,只有本节间和已浇筑好混凝土的节间横梁产生面外弯曲,其后浇注混凝土的节间还没有联接纵梁,所以横梁不会产生面外弯曲。
下面以64和96m 下承式简支钢桁半结合桥为例,模拟上述3种施工方法,对其进行空间有限元分析,定量比较3种施工方法对桥面系受力状态产生的影响,研究减少横梁面外弯曲的方法和措施。
2 施工方法对64m 下承式钢桁半结合桥横梁受力状态的影响64m 下承式钢桁半结合桥的横梁均为Ñ字形截面,上翼缘800@40(m m ),腹板1910@16(mm ),下翼缘950@50(mm ),横梁编号由桥端向跨中增加,横梁1为端横梁,结构如图1所示。
模拟施工过程的空间有限元分析结果表明,在一期恒载作用下,3种不同施工方法的横梁竖向(面内)弯矩相差不大,而面外弯矩差别较大。
3种不同施工方法在一期恒载作用时,各横梁面外弯矩对比如图2)图4所示,各横梁端部与跨中的面外弯矩比较见表1。
由图2)图4及表1可见:方法º与方法¹相比,端横梁的面外弯矩减少45%,横梁2的面外弯矩减少22%,横梁3的面外弯矩增加14%;方法»与方法¹相比,端横梁的面外弯矩减少17%,横梁2减少23%,横梁3减少51%;3种施工方法下横梁面外弯矩的最大值分别为306,238和235kN #m 。
由此可以得出,越后浇筑的节间其横梁的面外弯矩越小。
表1 64m 下承式钢桁半结合桥一期恒载下横梁面外弯矩比较kN #m施工方法横梁1端部跨中横梁2端部跨中横梁3端部跨中横梁4端部跨中方法¹207-210306-174153-7700方法º114-112238-128166-8800方法»169-174235-12575-3400方法º/方法¹55%53%78%74%108%114%方法»/方法¹82%83%77%72%49%44%54中 国 铁 道 科 学 第29卷一期恒载作用时,各横梁在3种不同施工方法下的水平挠度曲线如图5)图7所示,水平挠度比较见表2。
由表2可见,采用方法º和方法»2种施工方法,横梁1和横梁2的面外挠度的减少程度与面外弯矩很接近。
图7 64m 钢桁半结合桥横梁3水平挠度(D1)表2 64m 下承式钢桁半结合桥一期恒载下横梁跨中水平挠度比较mm施工方法横梁1横梁2横梁3横梁4方法¹4133121140方法º2132161160方法»3152140160方法º/方法¹53%81%114%方法»/方法¹81%75%43%3 施工方法对96m 下承式钢桁半结合桥横梁受力状态的影响96m 下承式钢桁半结合桥的结构如图8所示(其桥面形式与64mm 同),其横梁1、横梁2为箱形截面。
端横梁上翼缘1000@20(mm )、腹板1940@16(m m),下翼缘1000@40(m m)。
横梁2上翼缘1000@40(m m )、腹板1910@16(mm)、下翼缘1000@50(mm )。
其他横梁为I 字形截面,上翼缘800@40(mm )、腹板1910@16(m m)、下翼缘950@50(mm )。
横梁1和横梁2的面外弯曲均较大,但由于横梁1是端横梁,梁端会产生少许水平转动,释放了部分面外弯矩,而横梁2承担的竖向荷载是横梁1的2倍以上,因此横梁2比横梁1的截面大。
55第2期 下承式钢桁半结合桥桥面系的受力状态及改善方法表3 96m 下承式钢桁半结合桥一期恒载下横梁面外弯矩比较kN #m施工方法横梁1端部跨中横梁2端部跨中横梁3端部跨中横梁4端部跨中横梁5端部跨中方法¹616-7071050-757400-168181-7900方法º346-393747-547399-166263-11600方法»502-590810-584232-9148-2000方法º/方法¹56%56%71%72%100%99%145%147%方法»/方法¹81%83%77%77%58%54%27%25%一期恒载作用时各横梁在3种不同施工方法下面外弯矩对比曲线如图9)图12所示,一期恒载作用时各横梁在3种不同施工方法下端部与跨中的面外弯矩比较见表3。
由这些图表可见,方法º与方法¹相比,端横梁的面外弯矩减少了44%,横梁2的面外弯矩减少了28%,横梁3的面外弯矩保持不变,横梁4的面外弯矩却增加了47%。
方法»与方法¹相比,端横梁的面外弯矩减少了17%,横梁2减少了23%,横梁3减少了42%,横梁4减少了73%~75%。
3种方法下横梁面外弯矩的最大值分别为1050,747和810kN #m,且方法º的最小。
一期恒载作用时,3种不同施工方法下横梁1和横梁2的水平挠度曲线如图13和图14所示,各横梁的水平挠度对比见表4。
4 改善横梁面外弯曲的方法和措施减少横梁面外弯曲的关键是固定纵梁的时机。
图13 96m 钢桁半结合桥横梁1水平挠度(D1)56中 国 铁 道 科 学 第29卷图14 96m 钢桁半结合桥横梁2水平挠度(D1)表4 96m 下承式钢桁半结合桥一期恒载下横梁跨中水平挠度比较mm施工方法横梁1横梁2横梁3横梁4横梁5方法¹ 4123182171130方法º 2132172182100方法»3152191150130方法º/方法¹55%71%104%154%方法»/方法¹83%76%56%23%可以将连接纵梁和横梁的螺栓孔做成椭圆型,同时采用混凝土预制板。
先把纵梁临时固定,待全部预制板上桥就位后,放松连接纵梁和横梁的螺栓,释放纵梁中的轴向拉力和横梁的面外弯矩,然后紧固连接纵梁和横梁的螺栓,再浇筑纵梁和横梁上方的混凝土湿接缝,使一期恒载中只有湿接缝混凝土自重引起横梁的面外弯曲。
如果桥面系只设横梁,而不设纵梁,可将横梁做得更强大些,预制混凝土板直接架在横梁上,通过湿接缝连接并与横梁结合,同样可以解决横梁的面外弯曲问题。
上述2种方法都可以在混凝土预制板上桥后加上压重,再进行湿接缝的浇筑,待湿接缝混凝土达到一定强度后再将压重换成二期恒载,这样可以进一步消除二期恒载甚至部分活载引起的横梁面外弯曲,还可以减少横梁上方混凝土板的负弯矩,从而减少拉应力。
5 结 论(1)在下承式钢桁半结合桥中,当混凝土板全部现浇时,如采用常规的施工方法,将纵、横梁全部固定再浇筑混凝土,则横梁将产生较大的面外弯曲。
若采用由跨中至桥端逐个节间边固定纵梁边浇混凝土的方法,则横梁的面外弯曲可大幅度减少。
(2)如果采用混凝土预制板,待预制板全部上桥就位后,放松纵、横梁的连接螺栓,再重新紧固,则一期恒载作用下横梁的面外弯曲可基本全部消除。
如果对桥面系只设横梁、不设纵梁,可取得同样的效果。
如果再在预制板上加上压重,则还可以消除或减少二期恒载甚至活载引起的横梁面外弯曲问题,同时还减少了混凝土板中的拉应力。
参考文献[1] 张晔芝.下承式铁路钢桁结合桥的桥式结构比较[J].铁道学报,2005,27(5):107-110.(ZHA N G Y pariso n of Br idge St ructur es of Railway T hr ough T r uss Composite Bridges [J].Journal of the China R ailw ay So ciety,2005,27(5):107-110.in Chinese)[2] 周胜利,林亚超.日本北陆新干线犀川桥[J].国外桥梁,1996(3):1-11.(Z HO U Sheng li,L IN Y achao.X ichuan Bridg e on the N ew Railway in Japan N o rthland [J].For eig n Br idges,1996(3):1-11.in Chinese)[3] 张晔芝.高速铁路下承式钢桁结合桥研究[J].铁道学报,2004,26(6):71-74.(Z HA N G Y ezhi.Study of T hroug h T r uss Co mpo site Br idges on H ig h Speed Railw ays [J].Jour nal of the China Railw ay Society ,2004,26(6):71-74.in Chinese)[4] 叶梅新,秦绍清.既有线路提速改造中下承式钢桁结合桥的应用研究[J].铁道科学与工程学报,2004,1(2):69-74.(Y E M eix in,QI N Shaoqing.Study o f T hro ug h T russ Co mpo site Bridg es in the Speed -up Reconst ruct ion o f L ines U nder Ser vice [J].Journal of Railw ay Science and Eng ineer ing,2004,1(2):69-74.in Chinese)[5] 周胜利,林亚超.高速铁路钢桁梁桥桥面结构设计及减小噪音的结构措施[J].国外桥梁,1996(3):22-31.(Z HO U Sheng li,L IN Y achao.Structur al Desig n o f t he Decks of Steel T russ Bridge on H igh Speed Railway and M easurements to Cut Do wn N oise [J].F oreign Br idges,1996(3):22-31.in Chinese)[6] 陈玉骥,叶梅新.高速铁路下承式板桁结合梁的受力分析[J].中南大学学报(自然科学版),2004,35(5):849-855.57第2期 下承式钢桁半结合桥桥面系的受力状态及改善方法58中国铁道科学第29卷(CH EN Y uji,Y E M eixin.Fo rce of T hr ough P late-T r uss Composite Beam on High-Speed Railw ay[J].Jo ur na l o f Centr al So uth U niv er sity(Science and T echno lo gy),2004,35(5):849-855.in Chinese)[7]陈玉骥,叶梅新.简支下承式桁梁结合梁的模型试验[J].中国铁道科学,2004,25(6):82-87.(CH EN Y uji,Y E M eix ing.M odel T est fo r T hr ough T r uss Composite Beam w ith Simple Suppor t[J].China Rai-l way Science,2004,25(6):82-87.in Chinese)Mechanical State and Improved Method for the Floor System ofThrough Steel Truss Sem-i Composite BridgesZH A N G Y ezhi(Schoo l of Civ il Eng ineering and A rchitecture,Central So uth U niv ersit y,Chang sha Hunan410075,China)Abstract:In regard to the pro blem o f the o ut-o f-plane bending of the thro ug h steel truss sem-i composite bridge and the tension of co ncrete bridg e deck,and by using64m and96m through steel truss sem-i com-posite bridge as an example,the mechanical state of three bridg e flo or systems co nstr ucted by on-site pou-r ing concrete slab is calculated and the compar ison is made.Results indicate that the out-o f-plane mom ent of the cro ssbeam can be gr eatly reduced by fix ing the vertical and the lateral beams one by one from the midspan to both ends,and then casting the slab.Based on this,two methods are sugg ested.One is pr eser-v ing crossbeams,r em oving the vertical beam s and using precast slabs.A nother is fixing all vertical beams after all precast slabs are fix ed in place o n the br idge and the o ut-of-plane bending of the crossbeam has been released.T hese tw o m ethods can elim inate the out-of-plane m oment of the cro ssbeams and the ax ial tension stress of slabs under first dead load.If other m ethods such as preloading the slabs ar e used,the out-of-plane m oment of cro ssbeam s and the axial tensio n stress of slabs under second dead load and live load can be further reduced or even elim inated.Key words:Steel truss sem-i co mpo site bridge;Construction metho d;Cro ssbeam;Out-of-plane bending; Co ncrete bridge floor slab;Axial tension stress(责任编辑杨宁清)。
![一种下承式折叠桁架桥结构[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/f33284f010a6f524cdbf85c4.png)
