密布橫梁體系整體鋼橋面靜載試驗研究

唐重平

(廣州珠三角城際軌道交通有限公司，廣東廣州 510000)

正交異性整體鋼橋面相對于傳統(tǒng)的鐵路明橋面，具有剛度大、自重輕、噪聲小、行車舒適等一系列優(yōu)勢，因此在高速鐵路橋梁中逐漸得到了廣泛應用。傳統(tǒng)的正交異性整體鋼橋面多為縱橫梁或多橫梁體系，即在設置橫梁和縱肋的同時，在軌道下方還設置一小縱梁，達到傳遞列車活載的目的。在我國，南京大勝關長江大橋、京滬高鐵濟南黃河大橋都采用了此種形式的整體鋼橋面?？v梁的設置一般是為了將承擔的荷載縱向傳遞至相鄰的橫梁上，如果橫梁設置的較密，那么縱梁即可減小，蛻化為縱肋，最后演變成一種無縱梁的密布橫梁正交異性整體鋼橋面。

密布橫梁體系正交異性整體鋼橋面一般由縱肋(U 肋和板肋)和橫梁(肋)鋼橋面板組成，沒有線路下方小縱梁。這種結構體系相對于前述的正交異性橋面板，荷載的縱向傳遞主要依靠縱肋和橋面板，而橫梁(肋)和橋面板承擔了荷載的橫向傳遞作用。近來年，此種形式的正交異性橋面板在高速鐵路鋼橋中也得到了較多應用，鄭州黃河公鐵兩用大橋鐵路橋，還有本文即將介紹的廈深鐵路榕江特大橋都采用了此種橋面形式。

廈深鐵路榕江特大橋主橋采用連續(xù)鋼桁梁柔性拱，其橋面采用密布橫梁體系正交異性整體鋼橋面結構，鋼橋面由橋面板、橫梁、橫肋、縱肋及I 肋五個部分組成，橋面系布置如圖1 所示。

圖1 橋面系布置

目前，在鐵路系統(tǒng)，正交異性整體鋼橋面得到了越來越多的應用，但對橋面系統(tǒng)特別是密布橫梁體系正交異性橋面板的受力機理及參數(shù)優(yōu)化的研究還不夠深入。因此，本文針對廈深鐵路密布橫梁體系正交異性橋面板結構，結合有限元分析和模型試驗，對其傳力行為進行了研究。

1 模型設計

截取主橋一個節(jié)間下弦及橋面系以1∶2 比例尺制作模型試件。依據(jù)相似理論對實橋正交異性橋面板受力進行模擬，為保證加載方便和盡可能模擬實橋受力，節(jié)段兩側橋面伸出0.6875 m，弦桿伸出1.487 m。模型實際情況如圖2 所示。

試驗模型寬8.061 m，長8.495 m。分為下弦桿和橋面系兩部分，考慮到試驗模型較寬，因此橋面系和下弦桿在工廠分別焊接完成，運抵實驗室后進行拼接。橋面系為密布橫梁正交異性橋面板，節(jié)點處設置橫梁，節(jié)點之間按1.375 m等間距設置橫肋，橋面板下設置U 肋(板肋)，并遇腹板開孔通過;弦桿頂板伸出部分與兩側橋面板焊接連接，在橫梁(橫肋)連接處下弦桿與兩側橫梁(橫肋)焊接連接;橋面系和兩側下弦桿及兩側橫梁(橫肋)通過螺栓連接，橋面板進行熔透焊接模型實際情況如圖2 所示。

圖2 安裝完成后試驗模型

2 模型試驗

2.1 試驗加載方案

試驗主要考察結構在第一體系下弦軸力和列車活載作用下橋面板的傳力規(guī)律，根據(jù)模型試驗研究的目的，設立了以下5個加載工況。

工況1:第一體系下弦軸力模擬;

工況2:雙線列車活載模擬(加載位－橫梁/肋上);

工況3:單線列車活載模擬(加載位－橫梁/肋上);

工況4:雙線列車活載模擬(加載位－橫梁/肋間);

工況5:單線列車活載模擬(加載位－橫梁/肋間)。

(1)第一體系軸力加載:根據(jù)實橋設計最大軸力，按照應力等效原則，試驗施加軸力大小為5396 kN。第一體系軸力加載主要研究整體鋼橋面的力學行為以及橋面系參與第一體系受力的程度。試驗加載主要通過在下弦桿中穿鋼絞線，并通過千斤頂對下弦桿壓力實現(xiàn)(圖3)。

圖3 軸力工況加載

(2)單雙線列車活載加載:縱、橫梁(肋)主要承受活載產生的彎矩，其應力也以彎曲應力為主。因此模型試驗中按彎曲應力等效進行荷載設計。通過將列車中－活載轉化為幾個集中荷載，近似的模擬列車活載作用，為了考察對比列車活載對橋面板局部響應的影響，單雙線加載同時分為加載位為橫梁上和橫梁肋間兩個工況。試驗時每個千斤頂施加荷載大小為70.78 kN，圖4 給出了工況二的荷載加載圖示。

圖4 雙線列車活載(加載位－橫梁上)

2.2 試驗測試方案

2.2.1 應力測試

根據(jù)研究內容，以橫梁(肋)為邊界，在試驗模型中劃分了多個測試斷面，圖6 給出了測試斷面的布置圖。

根據(jù)有限元分析結果，整體鋼結構試驗模型應力最不利的位置在橋面板和橫梁焊接位置、板肋、U 肋和橫梁的連接部位?；谏鲜鲈颍瑧儨y點在這些位置布置較多，其它部位則做適當布置。限于篇幅，圖7 只給出A－A 截面橫梁與橋面板和下弦桿的測點布置圖。

圖5 加載裝置布置

圖6 試驗測試斷面

圖7 部分應變測點布置

2.2.2 位移測試

為了描述整體鋼橋面節(jié)段模型在荷載作用下的變形情況，描述橋面板順橋向和橫橋向變形趨勢，需要布置位移測點，位移測點主要分布在模型橫橋向和縱橋向，呈十字狀布置，并在支座處布置4個位移測點測量支座豎向沉降(圖8)。

2.3 試驗結果及分析

由于試驗模型測點較多，限于篇幅不能一一列舉，本文只給出部分代表性測點的試驗結果。

圖8 位移測點布置

2.3.1 應力測試結果

表1 列出了工況一軸力荷載作用下下弦桿C－C 截面和F－F 截面測點應力值，最大Mises 等效應力131.28 MPa，小于剛才屈服強度，滿足結構安全性要求。

表1 工況1 下弦桿測點應力值(單位:MPa)

F－F 截面位于弦桿加載端頭，此處軸向力全部由弦桿承擔，但處于對模型加載時安全性考慮，此處板厚較大，因此應力反而較C－C 截面小。C－C 截面位于模型中部，此處第一體系荷載已經分散到橋面系中。根據(jù)弦桿截面各測點應力，將橫截面按照測點布置進行分塊，并求得各分塊區(qū)域所分擔內力，合計后可以得到弦桿截面承擔的軸力。經計算可知，當軸向荷載傳遞至模型中間時(C－C 截面附近)，由下弦桿分擔軸力比例為87.8 %，其余部分可認為全部由橋面系構件承擔。

表2 給出各關鍵部件在工況2 到工況5 的最大應力值。

表2 關鍵構件及部件最大應力值(單位:MPa)

在各個列車活載作用工況下，結構的關鍵構件及部位最大應力均未超過鋼材的屈服極限，且最大應力也只有75，28 MPa 作用，有較大富余，因此可認為該實際結構具有較大的安全儲備，滿足使用要求;具體來看，結構在單線加載時各測點響應一般都比雙線加載要小，且荷載作用于橫梁(肋)節(jié)間時，橋面板、縱肋等局部構件響應要比作用在橫梁(肋)上要大，這是因為橋面板和縱肋參與了正交異性板第二第三體系受力的緣故。

2.3.2 位移測試結果

限于篇幅，圖9 僅示出工況2 荷載作用下試驗模型豎向變形規(guī)律曲線。

圖9 試驗模型豎向變形規(guī)律

通過對圖9 模型豎向變形曲線分析，可以看到模型在雙線荷載作用下結構變形沿順橋向和截面橫向大致對稱，最大豎向位移為5 mm 以內。

3 結論

(1)在工況1 軸力荷載作用下，下弦桿承擔了87.8 %的軸力，其余部分可認為全部由橋面系構件承擔。

(2)在各荷載工況下，結構的重要構件和重要部位應力均較小，具有較大的安全儲備，結構在單線加載時各測點響應一般都比雙線加載要小，荷載作用于橫梁(肋)節(jié)間時，橋面板、縱肋等局部構件響應要比作用在橫梁(肋)上要大。

(3)結構在雙線荷載作用下變形連續(xù)，變形沿順橋向和截面橫向大致對稱，最大豎向位移為5 mm 以內。

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［2］西南交通大學.廈深鐵路榕江特大橋主橋典型節(jié)段鋼橋面模型試驗研究報告［R］.成都:西南交通大學，2012:17－38，40－102

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