石濟(jì)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)濟(jì)南黃河橋正交異性鋼橋面板設(shè)計(jì)研究

張 上，李鳳芹

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

1 概述

1.1 工程概況

擬建的濟(jì)南黃河橋?yàn)槭瘽?jì)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)工程、邯濟(jì)膠濟(jì)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)以及濟(jì)南市I級(jí)城市道路跨越黃河的公鐵兩用橋。主橋?yàn)榭缍?28 m+3×180 m+128 m的剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁梁橋，三片主桁結(jié)構(gòu)，六車(chē)道公路位于上弦，四線(xiàn)鐵路位于下弦。公路橋面系經(jīng)過(guò)結(jié)合梁和正交異性橋面板兩個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，最終采用自重輕、整體性好的正交異性鋼橋面板;考慮到高速鐵路對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度、耐久性和軌道的平順性要求均較高，鐵路橋面也使用正交異性鋼橋面板。

1.2 公路橋面系結(jié)構(gòu)

公路橋面采用縱橫梁體系的正交異性板整體橋面。節(jié)點(diǎn)處設(shè)橫梁，間距12.8 m和13.0 m，節(jié)點(diǎn)橫梁中間設(shè)置3道橫肋，肋間距3.2～3.25 m，均為倒T形截面。橫梁高度1 345～1 600 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板尺寸采用560 mm×24 mm;橫肋高度為890～1 145 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板尺寸采用400 mm×20 mm。橋面板厚16 mm，橋面板設(shè)閉口U形加勁肋，肋間距630 mm，板厚度8 mm，在弦桿附近設(shè)置板式肋加勁。橫梁位置公路橋面板布置見(jiàn)圖1。

1.3 鐵路橋面系結(jié)構(gòu)

鐵路橋面也采用縱橫梁體系的正交異性板整體橋面。橫梁和橫肋間距和形式與公路橋面類(lèi)似。橫梁高度1 595～1 600 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板尺寸采用600 mm×28 mm;橫肋高度為1 000～1 005 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板尺寸采用500 mm×24 mm。為了提高軌道的豎向剛度，橋面板上對(duì)應(yīng)每條鐵路的兩根鋼軌分別設(shè)置高0.6 m的倒T形縱梁。橋面板厚16 mm，橋面板與道砟槽底座相對(duì)應(yīng)的部位設(shè)閉口加勁肋，肋間距600 mm，板厚度8 mm，在弦桿附近設(shè)置板式肋加勁，鐵路橋面系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 橫梁位置公路橋面板布置(單位:mm)

圖2 橫梁位置鐵路橋面板布置(單位:mm)

2 正交異性鋼橋面板的構(gòu)造

正交異性板在橋梁結(jié)構(gòu)中承擔(dān)多種作用，既是縱橫梁的上蓋板，又是把橋面荷載傳遞到橫梁和主桁上的構(gòu)件，同時(shí)又參與主桁的整體受力，一物三用，比較節(jié)省材料，對(duì)于大跨度橋梁的好處是不言而喻的。

經(jīng)典的分析理論將正交異性板的受力特征劃分為3個(gè)受力體系:第一體系，由面板和縱肋組成主梁的上翼緣，與主梁一同構(gòu)成主要承重構(gòu)件——主梁體系;第二體系，由縱肋、橫肋和橋面板組成的結(jié)構(gòu)——橋面系，其中橋面板被看成縱肋和橫肋的共同上翼緣;第三體系，僅指橋面板，它被視作支承在縱肋和橫肋上的各向同性連續(xù)板——面板體系。由于正交異性板的這種復(fù)雜受力以及較多的不連續(xù)焊縫，使得其疲勞開(kāi)裂問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，而我國(guó)規(guī)范對(duì)正交異性板的構(gòu)造規(guī)定較少，為此，筆者查閱了歐洲規(guī)范，日本規(guī)范，及國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)、專(zhuān)著，現(xiàn)將設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下。

2.1 橋面板、U肋、橫梁/肋之間的匹配性

正交異性鋼橋面板是一個(gè)協(xié)調(diào)工作的結(jié)構(gòu)，片面增大某一構(gòu)件并不能提高其安全性，甚至有不利影響。為了使其具有必要的剛度和強(qiáng)度、降低面外變形引起的次應(yīng)力，并便于組裝和焊接，確保其疲勞耐久性和合理的經(jīng)濟(jì)性，面板的厚度、U肋的斷面尺寸和剛度、橫肋間距之間應(yīng)有合理的匹配性。

公路正交異性橋面板各規(guī)范的限值見(jiàn)表1。

表1 公路橋面系面板、U肋、橫肋間的匹配性

對(duì)于公路正交異性橋面板，考慮到國(guó)內(nèi)公路超載現(xiàn)象較為普遍，其橋面板厚度取16 mm(瀝青鋪裝8 cm)?？v肋腹板間距e與橋面板厚度之比為:e/td=20.625，橫肋間距為 3.2 ～ 3.25 m，橫梁/肋腹板厚 16 mm，縱肋高度與橫肋高度比值為0.19～0.34。各項(xiàng)結(jié)構(gòu)數(shù)值都滿(mǎn)足歐洲規(guī)范要求。

歐洲規(guī)范規(guī)定鐵路正交異性橋面板各構(gòu)件尺寸限值見(jiàn)表2，表中各種參數(shù)見(jiàn)圖3。

表2 鐵路橋面系面板、U肋、橫肋間的匹配性

圖3 鐵路正交異性板參數(shù)示意

對(duì)于鐵路正交異性橋面板，采用U形閉口肋，橋面板厚度取16 mm(其上設(shè)置鋼筋混凝土道砟槽板)?？v肋腹板間距為600 mm，橫肋間距為3.2～3.25 m，橫梁/肋腹板厚16 mm，橫梁翼緣板厚度28 mm，橫肋翼緣板厚度24 mm?？v肋高度與橫肋高度比值為0.19～0.3。各項(xiàng)結(jié)構(gòu)數(shù)值都滿(mǎn)足歐洲規(guī)范要求。

2.2 行車(chē)道(重車(chē)道)范圍內(nèi)是否設(shè)置縱梁的問(wèn)題

正交異性板的U形加勁肋是通長(zhǎng)的，除主縱梁(若為密布橫梁則無(wú))外，U肋之間是否設(shè)置小縱梁則應(yīng)該具體分析。設(shè)置小縱梁，則可增加豎向剛度，但小縱梁與U肋慣性矩差距較大，在偏載作用下易造成不均勻變形，進(jìn)而發(fā)展成疲勞裂縫。在公路荷載下，歐洲規(guī)范建議在重車(chē)道不設(shè)置縱梁。文獻(xiàn)［4］認(rèn)為“大型貨車(chē)輪載的正下方，原則上不得設(shè)置縱梁/縱隔板，應(yīng)設(shè)置在兩車(chē)道間的車(chē)道線(xiàn)下方附近。不得已設(shè)置時(shí)，縱梁腹板應(yīng)采用坡口全熔透角焊縫”。可見(jiàn)，在公路橋面，特別是重車(chē)道，在剛度允許的條件下，以不設(shè)置小縱梁為宜。

對(duì)于鐵路橋面，則可在對(duì)應(yīng)鋼軌下設(shè)置小縱梁，一則可增加剛度，滿(mǎn)足平順性要求，二則鐵路荷載通過(guò)軌枕、道砟(軌道板)、道砟槽板等構(gòu)件層層分散，作用到橋面時(shí)，已經(jīng)接近均布荷載，且鐵路荷載位置是固定的，不存在公路荷載的隨意性，也就不存在偏載造成的疲勞開(kāi)裂。

綜上所述鐵路橋面對(duì)應(yīng)鋼軌正下方設(shè)置了小縱梁，而在公路橋面未設(shè)置小縱梁。

2.3 U肋與橫梁/橫肋的連接

除特殊情況外，U肋應(yīng)穿過(guò)橫梁腹板。這樣，U肋受力十分明確，為彈性支承在橫梁上的連續(xù)梁。在活載作用下，U肋的豎向撓曲在橫梁的支承處產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致橫梁腹板的面外變形，受到焊縫在連接處的約束產(chǎn)生次應(yīng)力，因此，應(yīng)在橫梁上開(kāi)弧形切口，以降低次應(yīng)力。國(guó)外規(guī)范規(guī)定的公路及鐵路橋面開(kāi)孔形狀見(jiàn)圖4。

圖4 國(guó)外規(guī)范建議的橫梁/肋開(kāi)口尺寸(單位:mm)

可見(jiàn)，對(duì)開(kāi)孔尺寸，歐洲及日本規(guī)范基本已有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，濟(jì)南黃河橋U肋開(kāi)口設(shè)置見(jiàn)圖5。

圖5 U肋開(kāi)口設(shè)置(單位:mm)

在橫梁腹板、U肋與橋面板的交叉處，歐洲規(guī)范明確規(guī)定不應(yīng)設(shè)置過(guò)焊孔，推薦做法見(jiàn)圖6。由于此處存在U肋與面板之間的連續(xù)焊縫，可在橫梁腹板上開(kāi)10 mm×10 mm的三角形缺口。

2.4 U肋之間的連接

過(guò)去U肋間的連接多采用帶嵌補(bǔ)段的焊接，這種焊接疲勞強(qiáng)度很低，其主要原因如下:

(1)橋面板焊接完成后才能進(jìn)行U肋連接，因此只能采用仰焊，焊接質(zhì)量差;

圖6 有無(wú)過(guò)焊孔對(duì)比(單位:mm)

(2)U肋焊接時(shí)底部需使用鋼襯墊，鋼襯墊剛度小，易造成焊接缺陷;

(3)焊縫檢測(cè)時(shí)，此部位多采用磁粉探傷，不易檢測(cè)到焊縫底部的缺陷;

(4)鋼襯墊與U肋直接的固定焊點(diǎn)，在存梁時(shí)易銹蝕，進(jìn)而造成焊接缺陷。

基于以上原因，最近采用較多的是一種新的連接工藝，即橋面板采用焊接，U形肋采用高強(qiáng)度螺栓連接。日本已將此方案作為首選方案納入設(shè)計(jì)規(guī)范?！拔覈?guó)自南京二橋首次采用這種連接方式，現(xiàn)在已廣泛采用”［9］。由于U肋接頭設(shè)有螺栓安裝的手孔，接頭處抗彎剛度較差，因此，連接接頭應(yīng)設(shè)置在U肋受力的反彎點(diǎn)處，歐洲規(guī)范明確規(guī)定應(yīng)設(shè)置在橫梁間距的1/5位置。值得注意的是，歐洲規(guī)范中依然給出了按嵌補(bǔ)段焊接的U肋連接工藝?？梢?jiàn)，當(dāng)焊接質(zhì)量可控時(shí)，焊接也是一個(gè)可行的選擇，畢竟，全焊橋梁是鋼橋發(fā)展的一個(gè)方向。

2.5 U肋與橋面板之間的焊縫

正交異性板直接承受輪載作用，U肋與面板之間會(huì)產(chǎn)生較大的面外變形，這就造成U肋與面板之間的焊縫頻繁承受較大的循環(huán)荷載，容易疲勞開(kāi)裂。對(duì)此，歐洲規(guī)范給出了明確的構(gòu)造細(xì)節(jié)，二者之間需采用部分熔透焊縫。其中，公路橋面熔透深度不小于75%，鐵路橋面熔透深度不小于90%。對(duì)僅承受人行荷載的部位，則規(guī)定此部位可采用角焊縫。

3 鐵路橋面系數(shù)值分析結(jié)果

橋面系結(jié)構(gòu)受力分析宜在總體模型中進(jìn)行，以便正交異性橋面局部受力與體系的縱向力相疊加。

3.1 模型及加載情況

選用程序Midas Civil 2010，在整體模型中選取次主跨90 m長(zhǎng)度的鐵路橋面板，采用板單元建模。局部模型與整體模型之間采用剛性連接。模型共計(jì)21 391個(gè)梁?jiǎn)卧?4 362個(gè)板單元，96個(gè)桿單元。計(jì)算模型見(jiàn)圖7。鐵路活載及公路活載按最不利位置加載。公路活載采用車(chē)道荷載，計(jì)入多車(chē)道折減系數(shù)、動(dòng)力系數(shù)及公鐵共同作用時(shí)的折減系數(shù)。鐵路活載按線(xiàn)路及控制工況采用中-活載或特種荷載，并計(jì)入動(dòng)力系數(shù)。

圖7 鐵路橋面板計(jì)算模型

3.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(表3、表4)

表3 鐵路橫梁/肋下翼緣控制點(diǎn)應(yīng)力 MPa

由表3計(jì)算結(jié)果可以看出，主桁桿件對(duì)橫梁和橫肋有一定的約束作用，且支點(diǎn)處約束作用強(qiáng)于跨中處，橫梁和橫肋下翼緣最大拉應(yīng)力均發(fā)生在次主跨跨中附近的橫梁跨中部位，其值為154.6 MPa，最大壓應(yīng)力發(fā)生在支點(diǎn)附近與中桁連接部位，其值為-150.9 MPa。橫肋下翼緣構(gòu)造上不與弦桿連接，因此，下翼緣局部應(yīng)力比相應(yīng)位置的橫梁應(yīng)力偏高，但其應(yīng)力仍滿(mǎn)足規(guī)范要求。由于正交異性橋面結(jié)構(gòu)中橫肋數(shù)量較多，而橫肋的主要作用是將縱肋豎向荷載傳遞至弦桿，橫肋下翼緣不與弦桿焊接，可減小焊接難度、減少焊接工作量，并有效改善橫肋與弦桿連接部位的疲勞性能，避免焊縫開(kāi)裂，同時(shí)，由于橫肋焊接在主桁桿件上的接頭板面外剛度較小，對(duì)于橋面板塊單元與預(yù)留在主桁桿件連接接頭之間的制作偏差有較好的適應(yīng)性，可有效降低由于制作偏差而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)次內(nèi)力。

表4 鐵路U肋、縱梁及橋面板應(yīng)力 MPa

由表4可以看出，橋面板疊加體系應(yīng)力后，其縱向應(yīng)力遠(yuǎn)大于橫向應(yīng)力，U肋、縱肋和橋面板中的體系應(yīng)力分別約占總應(yīng)力的30%、35%、25%，說(shuō)明正交異性板對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度貢獻(xiàn)較大。

3.3 疲勞計(jì)算結(jié)果

疲勞開(kāi)裂是始于某些敏感點(diǎn)的，所以本次疲勞計(jì)算關(guān)注的是橋面系構(gòu)件存在疲勞問(wèn)題的焊縫及接頭。敏感點(diǎn)位置及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 疲勞應(yīng)力幅檢算MPa

通過(guò)對(duì)橋面板模型的對(duì)比分析，得到其敏感點(diǎn)的疲勞應(yīng)力幅，均小于鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的容許疲勞應(yīng)力幅，說(shuō)明橋面系各部位的抗疲勞性能滿(mǎn)足要求。

4 公路橋面系數(shù)值分析結(jié)果

公路橋面系構(gòu)造與鐵路橋面系類(lèi)似，由于公路荷載較鐵路荷載小，相應(yīng)地減小了橫梁和橫肋的尺寸。公路橋面系傳力途徑與大部分構(gòu)件受力特點(diǎn)與鐵路橋面系類(lèi)似，不再贅述。對(duì)于支點(diǎn)部位的橫梁，由于支點(diǎn)部位加勁弦的影響，在整體效應(yīng)下應(yīng)力水平較低;同時(shí)，此部位橫梁下翼緣與橫聯(lián)相接，橫聯(lián)減小了橫梁的計(jì)算跨度，因此，支點(diǎn)部位橫梁的應(yīng)力水平較其他橫梁低。對(duì)于橋面板，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在加勁弦與上弦相接部位，這是由于加勁弦存在較大的拉應(yīng)力，在一定程度上減小了跨中橋面板的應(yīng)力水平。

4.1 模型及加載情況

模型及加載情況與鐵路橋面類(lèi)似，不再贅述。

4.2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

各構(gòu)件強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表6、表7，各構(gòu)件應(yīng)力均未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的允許應(yīng)力。

表6 公路橫梁/肋控制點(diǎn)應(yīng)力 MPa

表7 公路U肋及橋面板應(yīng)力 MPa

5 結(jié)語(yǔ)

正交異性板的設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及范圍很廣的課題，文中總結(jié)了國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果，要點(diǎn)如下。

(1)橋面板的厚度、U肋的斷面尺寸和剛度、橫肋間距之間應(yīng)有合理的匹配性，以保證橋面系的整體和局部剛度。節(jié)段分割應(yīng)在1/5橫梁/肋跨度處。

(2)應(yīng)選用疲勞性能較好的焊接構(gòu)造和細(xì)節(jié)，同時(shí)應(yīng)盡量減少使用由于面外變形引起次彎曲應(yīng)力的構(gòu)造。

(3)應(yīng)選擇合理的焊接工藝、并控制組裝精度，確保焊接質(zhì)量。

石濟(jì)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)濟(jì)南黃河橋的正交異性橋面板吸取了這些成功的經(jīng)驗(yàn)，各種構(gòu)造和焊接細(xì)節(jié)均滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外規(guī)范要求，同時(shí)通過(guò)數(shù)值分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性，符合技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理等設(shè)計(jì)原則，其構(gòu)造形式及分析方法可供類(lèi)似結(jié)構(gòu)借鑒。

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