菜壩岷江特大橋橋面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

滕炳杰

(中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

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菜壩岷江特大橋橋面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

滕炳杰

(中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

【摘要】菜壩岷江特大橋主橋為(140+224+140) m鋼桁連續(xù)梁，采用道砟槽板橋面，混凝土橋面板通過特制的剪力傳遞器(剪力鍵)與縱橫梁橋面系聯(lián)成整體，從而參與主梁受力，其受力形式較為復(fù)雜。通過計算表明，剪力鍵的抗剪剛度的大小對鋼桁連續(xù)梁縱橫梁、道砟槽板及剪力鍵本身的受力有至關(guān)重要的影響，最終根據(jù)結(jié)論選取了較優(yōu)的剪力鍵設(shè)計參數(shù)，保證該橋運行安全。

【關(guān)鍵詞】鋼桁梁；道砟槽板；抗剪剛度：剪力鍵

我國的鐵路鋼桁梁橋面一般采用縱橫梁明橋面，但是明橋面系鋼桁梁噪音大、沖擊大、橋下易落物、易污染，且一般僅限使用于平坡直線路段，不適用于160km/h以上的行車速度，目前各國較少采用。道砟橋面由于其良好的降噪效果，通常用于通過城市或住宅較密集地段的鐵路橋梁。道砟橋面有RC或PC橋面、鋼橋面和梁格系橋面等形式。

RC或PC橋面板式橋面結(jié)構(gòu)根據(jù)橋面板是否參與主梁受力可以分為非結(jié)合梁式與結(jié)合梁式兩種。非結(jié)合梁式即為混凝橋面板安裝在鋼橋面系(鋼縱、橫梁)上，只是相當(dāng)于主橋的一個傳力構(gòu)件，不參與主梁共同受力。由于混凝土橋面板不參與主梁受力，因此，橋面板在主梁變形、橋面板混凝土收縮徐變及縱梁溫度變化影響下，不產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力。結(jié)合梁式則為混凝土橋面板與下弦桿和縱橫梁橋面系通過特制的剪力傳遞器(剪力鍵)聯(lián)成整體，從而參與主梁受力，類似于鋼-混組合梁。混凝土橋面板同時又可作為道砟槽，其受力形式較為復(fù)雜，凡是能影響主橋受力的因素，也會使

其的受力狀態(tài)受到影響，而且不易更換和維修。鋼橋面一般采用正交異性板的形式，正交異性板鋼橋面系則為鋼橋面板同時作為承砟槽，列車活載通過橋枕及道砟均勻分布到整個橋面板上。梁格系橋面形式，通常在橋面系梁格上設(shè)置波紋鋼板，道砟填充于鋼板上。

道砟橋面由于有道砟，可以減小噪音和便于維修，其穩(wěn)定性和耐久性要高于明橋面,所以在我國的新建鐵路鋼桁梁中道砟橋面幾乎取代了明橋面。

1工程概況

新建鐵路成都至貴陽線樂山至貴陽段起于樂山站，止于貴陽北站，含樂山地區(qū)、貴陽樞紐相關(guān)配套工程。菜壩岷江特大橋為成貴線“五橋一隧”中的一座，橫跨岷江，全長1 186.95m(圖1、圖2)。主橋(140+224+140)m鋼桁連續(xù)梁為目前國內(nèi)最大跨度的鋼桁連續(xù)梁橋，也是國內(nèi)首座采用變桁高(下弦曲線變化)主桁結(jié)構(gòu)型式的鋼橋，是全線的關(guān)鍵性工程。

圖1　橋型布置(單位：cm)

圖2　菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁效果圖

主橋鋼桁梁采用N型、K型組合桁式，跨中桁高16m，支點桁高32m，節(jié)間長度14.0m，兩片主桁，主桁中心距14m，主桁節(jié)點均采用焊接整體節(jié)點。橋面采用縱橫梁結(jié)構(gòu)體系，每一線鐵路下方設(shè)兩道縱梁，間距2.0m，縱梁全橋連續(xù)，與橫梁栓焊連接。沿橋縱向每一節(jié)點處設(shè)一道橫梁，橫梁為箱型橫梁。

道砟槽板中心處板厚25cm，翼緣最小厚度15cm，橫橋向沿線路中心線方向設(shè)2 %排水橫坡，道砟槽板對稱于線路中心線分兩幅布置，單幅道砟槽板橫向?qū)挾?.675m，橋面中心處縱向縫寬5cm，道砟槽板在每半個節(jié)間設(shè)0.035m寬橫向斷縫。道砟槽板支撐于四片工字型縱梁上，四片縱梁橫向中心距2m+2.6m+2m。預(yù)制道砟槽板順橋向長度分為6.965m、4.483m兩種類型，吊重分別約24.8t、15.9t。為適應(yīng)鋼縱梁上成束布置的剪力釘，在預(yù)制板上對應(yīng)于剪力釘?shù)奈恢瞄_剪力釘槽。道砟槽板構(gòu)造圖如圖3所示。

圖3　菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁道砟槽板構(gòu)造

2計算方法

采用大型有限元軟件MIDAS建立空間梁單元對道砟槽板橋面結(jié)構(gòu)進行分析，計算模型如圖4所示。分析計算時，主桁弦桿、腹桿、聯(lián)接系、道砟槽板均采用空間梁單元模擬。由于混凝土道砟槽板與鋼橋面板之間是通過剪力釘連接的，假定混凝土道砟槽板與鋼橋面板之間沒有相對滑移，在其對應(yīng)節(jié)點處加以剛性連接模擬，全橋劃分為1 396個單元,1 410個節(jié)點。

圖4　菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁計算模型

3計算結(jié)果

本橋橋面系采用縱橫梁體系，縱梁上設(shè)置混凝土道砟槽，道砟槽通過剪力栓釘與縱梁連接。整體設(shè)計時，不考慮道砟槽與結(jié)構(gòu)的共同受力，栓釘僅起固定道砟槽的作用。但是，一旦道砟槽通過栓釘與縱梁結(jié)合，必然會參與結(jié)構(gòu)的整體受力，道砟槽與縱橫梁等相互影響。

抗剪連接件分為剛性、柔性和普通剪力栓釘3種型式。剪力栓釘焊接技術(shù)成熟，施工簡單，受力可靠，并且混凝土的應(yīng)力集中小，所以應(yīng)用最為廣泛。栓釘?shù)目辜魟偠葘v橫梁、道砟槽板及栓釘自身的受力都有很大的影響。焊釘?shù)目辜魟偠葟睦碚撋嫌嬎愫芾щy，只有通過試驗研究得出，目前常用的試驗是推出試驗。于是，我們考慮采用10kN/mm、100kN/mm、1 000kN/mm三種單顆剪力栓釘抗剪剛度分別模擬柔性剪力栓釘、普通剪力栓釘及剛性剪力栓釘，以分析在這3種剪力栓釘方案下，菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁縱橫梁、道砟槽板及栓釘?shù)氖芰η闆r。

3.1栓釘抗剪剛度對縱、橫梁影響

表1分別列出了在最不利荷載組合作用下，菜壩岷江鋼桁連續(xù)的縱、橫梁在采用3種不同栓釘抗剪剛度時的應(yīng)力極值，其中正值為拉應(yīng)力，負值壓應(yīng)力。由表1可知：

(1)剪力栓釘抗剪剛度越大，非斷縫處的縱梁應(yīng)力相對較小，但是斷縫處縱梁應(yīng)力有突變且很大，單顆剪力栓釘抗剪剛度為10kN/mm、100kN/mm、1 000kN/mm時，突變部位的最大值為188MPa、244MPa、266MPa；

(2)由于道砟槽板通過栓釘與縱、橫梁聯(lián)接，導(dǎo)致橫梁的面外應(yīng)力及組合應(yīng)力增加，當(dāng)單顆剪力栓釘抗剪剛度為10kN/mm、100kN/mm、1 000kN/mm時，橫梁應(yīng)力極值為191MPa、201MPa、203MPa；

(3)剪力栓釘抗剪剛度對橫梁的面外應(yīng)力及組合應(yīng)力有所影響，剛度越大影響越大，對面內(nèi)應(yīng)力基本無影響。

3.2栓釘抗剪剛度對道砟槽影響

表2列出了在最不利荷載組合作用下，菜壩岷江鋼桁連續(xù)道砟槽板在采用三種不同栓釘抗剪剛度時的應(yīng)力極值，其中正值為拉應(yīng)力，負值壓應(yīng)力。從表2可以看出：當(dāng)單顆栓釘抗剪剛度10kN/mm時，道砟槽板的名義應(yīng)力最大值為9MPa；當(dāng)單顆栓釘抗剪剛度100kN/mm及1 000kN/mm時，道砟槽的名義應(yīng)力最大值分別為16MPa及26MPa，且都發(fā)生在道砟槽板斷縫處。由此可見，栓釘抗剪剛度越大，道砟槽板的名義應(yīng)力則越大，在相同配筋情況下，道砟槽板的裂縫也越大，這樣會嚴重危害了道砟槽板的耐久性。

表1　最不利荷載作用下縱、橫梁應(yīng)力極值　MPa

表2　最不利荷載作用下道砟槽板應(yīng)力極值　MPa

3.3栓釘抗剪剛度對自身受力影響

以菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁橋軸方向為橫坐標(biāo)，單顆栓釘剪力值為縱坐標(biāo)作圖，得到延橋軸方向栓釘所受剪力值，如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可知：

(1)在最不利荷載組合作用下，栓釘剛度越大剪力越大；

(2)栓釘剪力在斷縫處最大，剪力呈現(xiàn)正負交替現(xiàn)象；

圖5　栓釘剪力(單顆栓釘抗剪剛度10 kN/mm)

圖6　栓釘剪力(單顆栓釘抗剪剛度100 kN/mm)

圖7　栓釘剪力(單顆栓釘抗剪剛度1 000 kN/mm)

(3)在單顆栓釘抗剪剛度為10kN/mm、100kN/mm、1 000kN/mm情況下，端部栓釘最大剪力分別為34.2kN、95.9kN、147.0kN。除10kN/mm情況外，抗剪剛度為100kN、1 000kN/mm均不滿足相關(guān)研究結(jié)果。

4結(jié)論

以成貴客運專線(140+224+140)m菜壩岷江鋼桁連續(xù)梁為例，分析該梁道砟槽板設(shè)計時采用的栓釘抗剪剛度對橋面系受力影響，得出以下結(jié)論：

(1)由于道砟槽板的橫向斷縫，此處橋面結(jié)構(gòu)截面特性突變，斷縫處縱梁應(yīng)力有較大突變，栓釘抗剪剛度越大，縱梁應(yīng)力突變值則越大；

(2)由于道砟槽板通過栓釘與縱、橫梁聯(lián)接，栓釘抗剪剛度越大，結(jié)合越強，則橫梁的面外應(yīng)力及組合應(yīng)力越大；

(3)道砟槽板的受力隨著栓釘抗剪剛度的增大而增大；

(4)栓釘?shù)氖芰﹄S著栓釘抗剪剛度的增大而增大，且在道砟槽板斷縫附近栓釘剪力最大，僅僅在單顆栓釘抗剪剛度為10kN/mm時滿足受力要求。

根據(jù)分析結(jié)論，從盡可能減小鋼桁連續(xù)梁的縱橫梁、道砟槽板及栓釘受力的角度出發(fā)，道砟槽板的設(shè)計采用柔性栓釘，栓釘采用抗剪剛度為10.4kN/mm(包裹厚度7.5mm的橡膠材料包裹，橡膠須包裹在焊釘根部，包裹長度75mm)，從而保證該橋橋面結(jié)構(gòu)的安全使用。

參考文獻

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[作者簡介]滕炳杰(1983～)，男，工程師，研究方向為橋梁工程、鐵路大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。

【中圖分類號】U441

【文獻標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-12-21