大桥主航道桥受力特征研究范文

《桥梁建设杂志》2015年第六期

摘要：

沪通长江大桥主航道桥为主跨1092m的双塔三索面钢桁梁公铁两用斜拉桥，为验证该桥受力的合理性，分别建立该桥整体、局部精细化有限元模型，对其合理成桥状态、静活载效应、最不利荷载组合下主桁结构受力特征、桥面系受力特征等展开研究。结果表明：列车活载效应按无限长加载较有限长增加约10％，主桁上弦强度和稳定控制区域为辅助跨跨中附近位置，下弦为辅助墩和桥塔位置。中－活载集中力作用下，铁路桥面系应力由大到小依次为顶板、横梁、U肋、纵梁和底板。汽车活载作用下，公路桥面系桥面板与U肋连接焊缝处存在较明显应力集中，但量值不大；比较不同弧形缺口型式的活载应力水平，表明该桥弧形缺口形状设计较合理。

关键词：

公路铁路两用桥；斜拉桥；钢桁梁；整体静力效应；合理成桥状态；安全余量；弧形缺口形状；有限元法

1概述

我国大跨度公铁两用斜拉桥以主跨312m的芜湖长江大桥为起点，近年来，相继建成了主跨504m的武汉天兴洲公铁两用长江大桥、主跨580m的安庆铁路长江大桥和主跨630m的铜陵公铁两用长江大桥等代表性铁路斜拉桥［1］。截至目前，我国已建及在建的铁路大跨度斜拉桥已达20余座，其中70％以上主梁均采用钢桁梁结构形式。沪通长江大桥是世界首座主跨超千米的公铁两用斜拉桥，主航道桥为双塔三索面钢桁梁结构，跨径布置为（140＋462＋1092＋462＋140）m。主航道桥结构体系采用“阻尼＋限位”的塔梁分离约束设计。主梁采用三主桁结构，桁高16m、桁宽35m。上、下层桥面分别布置6车道高速公路、4线铁路（2线沪通铁路、2线城际铁路），分别采用板桁结合、箱桁结合桥面，并根据受力大小选择Q500qE、Q420qE和Q370qE钢材。桥塔为钻石形塔，桥面以上塔高248m。斜拉索采用强度2000MPa的高强度平行钢丝索。桥墩基础均采用矩形沉井基础［2］。为得出该桥主要受力特征，分别建立整体、局部精细化有限元模型，对主航道桥合理成桥状态、静活载效应、最不利荷载组合下主桁结构受力特征、桥面系受力特征等展开研究。

2主航道桥整体受力特性

2．1合理成桥状态研究合理成桥状态时以控制桥塔根部弯矩为主要目标，采用影响矩阵法调整索力。恒载作用下，28号、29号桥塔塔底竖向反力为2975220kN，塔底顺桥向弯矩为7381kN•m，塔顶顺桥向位移为4mm，主梁跨中挠度曲线基本平直，达到“塔直中跨梁平”的成桥目标状态［3］。恒载索力、主梁挠度分布分别如图1、图2所示。由图1可知，桥塔两侧索力基本呈对称分布，辅助墩和中跨附近索力总体比较均匀，靠近桥塔索力逐渐减小，至桥塔根部的S1号、M1号斜拉索索力增大。由图2可知，辅助墩的设置提高了结构整体刚度，明显减小了边跨挠度。进一步通过调整主梁杆件长度可将成桥状态下边跨及辅助跨主梁挠度调整至设计的平直线形。主梁以承受轴压力为主，其中，桥塔附近轴压力最大达32951kN，至跨中、辅助墩处逐渐减小，同时边跨轴力明显小于辅助跨和中跨；中桁轴力略大于边桁轴力，比值约在1．1左右；主梁弯矩最大值位于辅助墩位置，下弦杆弯矩明显大于上弦杆。

2．2静活载效应设计时根据到发线有效长度、列车编组等确定设计活载加载长度，其中沪通铁路采用中－活载图式，加载长度为970m；通苏嘉城际铁路采用ZK活载图式，加载长度为550m。从铁路货运发展和客运路网规划角度，采用的加载长度可能对日后运输规划带来一定影响。因此，计算时还考虑了规范无限长加载。公路活载按公路－Ⅰ级车道荷载考虑。活载下的主桁受力特征如表1、表2所示。由表1、表2可知，活载无限长加载效应大于有限长加载值，其中，轴力差值最大为11％，弯矩（My）差值最大为8％，挠度差值最大为5．6％。活载无限长、有限长加载对应主梁挠跨比最大分别为1／440、1／462，梁端转角最大为1．1‰rad。根据已运营大跨度铁路斜拉桥现状，该桥挠跨比不会影响铁路行车安全，具体限值需进一步根据行车性能确定［4］。同时，该桥设置140m的边跨，合理地控制了梁端转角量。

2．3荷载组合下的主桁受力特征在考虑不同组合容许应力提高系数的情况下，主力组合（恒载＋活载＋基础沉降）为该桥主桁杆件强度和总体稳定的控制组合。以中桁上、下弦杆为例，给出主力组合下各杆件强度、总体稳定安全余量分布特征，如图3所示。由图3可知，辅助墩、主墩位置为主桁下弦控制断面；而辅助跨跨中附近位置为主桁上弦控制断面，其中稳定安全余量基本接近规范限值。安全余量＝（容许应力－最大组合应力）／容许应力×100％。

3桥面系受力特征

3．1铁路桥面系铁路桥面系采用与弦杆焊接的整体钢箱桥面结构，该结构在铜陵公铁两用长江大桥部分梁段已有应用［5］，全梁段应用尚属首次。采用ABAQUS对3节段（3×14m＝42m）半幅铁路桥面系进行受力分析。采用4节点壳单元CPS4R建模，细化桥面板与U肋连接处以及横梁与U肋连接处网格，单元尺寸5～10mm，在节点位置施加约束。局部分析时，荷载分别采用中－活载普通活载集中力、中－活载特种荷载和中－活载（2005）特种活载。给出不同中－活载集中力形式下铁路桥面系各组成部分最大应力结果，如表3所示。由表3可知，不同活载集中力下，铁路桥面系各组成部分应力由大到小依次为顶板、横梁、U肋、纵梁和底板，最大应力值出现在中－活载特种活载作用下的顶板与U肋焊接处，横向应力为125．3MPa。中－活载（2005）特种活载作用效应与中－活载特种活载大体接近。

3．2公路桥面系公路桥面系采用与主桁结合的正交异性桥面结构。采用ABAQUS8节点实体单元C3D8R建模。考虑桥面板与U肋以及横梁腹板与U肋连接焊缝影响，焊接处的有限元尺寸设为1mm左右。荷载位置是影响公路桥面系受力的一个重要因素［6，7］，纵向加载位置包括两横梁1／2跨中、1／4跨中和横梁正上方。汽车轮载横向加载位置包括U肋正上方、U肋侧上方和两U肋中间，如图4所示。桥面板与U肋、横梁腹板与U肋连接焊缝端部是正交异性桥面板裂纹的主要起源点［8］。考虑汽车活载不同加载位置的公路桥面系应力，结果表明，桥面板与U肋连接焊缝处存在较为明显的应力集中，最大应力约为58．9MPa，对应活载横向位置为U肋正上方、纵向位置为横梁正上方。横梁与U肋连接焊缝处，最大应力值不超过28．2MPa，对应活载横向位置为两U肋中间、纵向位置为两横梁1／4跨处。不同横向加载工况下（图4），弧形缺口处主要受压。焊接端部主要受拉。焊缝端部的最大主应力沿桥纵向从横梁正上方到两横梁跨中先增加后减小，位于U肋正上方时应力最小，另外两种应力较大。弧形缺口处最小主应力沿纵向也是先增加后减小，3种不同加载工况对应最小主应力排序（按绝对值）为：U肋侧上方＞U肋正上方＞两U肋中间。U肋与横梁腹板交叉弧形缺口处为面内、面外复合受力，各国构造细节建议差别较大［9，10］。选择4种典型的弧形缺口形状进行对比，如图5所示。由图5可知，该桥弧形缺口形状与日本道路桥示方书推荐的形状相似，弧形缺口均由7段线组成，其中①、①′、③和③′为圆弧线，②、②′和④为直线。该桥U肋底板与缺口距离δ＝30mm，日本规范δ＝20mm。该桥桥面板最小厚度t＝16mm，U肋板厚8mm，尺寸为300mm×280mm×8mm，U肋间距600mm，尺寸均满足日本规范要求。U肋腹板斜度m为1∶5，与日本推荐的1∶4．5有一定差异；U肋冷弯区内侧半径r1为40mm，为推荐的5倍U肋厚度，满足R≥4t的要求。分析时不考虑横梁腹板与U肋连接焊缝，横向加载仍按图4考虑，纵向从横肋正上方到两横肋跨中每隔200mm为一加载工况。为保证对比有效性，每一模型弧形缺口及焊缝端部单元尺寸保持一致，为2mm×2mm×2mm实体单元。不同弧形缺口形式对应力最值的影响如表4、表5所示。由表4、表5可知，该桥焊缝端部最大主应力值最小，弧形缺口处最小主应力绝对值仅比半圆形缺口大，因而设计较为合理。

4主要结论

（1）通过影响矩阵法调整索力可较快得到结构的合理成桥状态，该内力状态可作为成桥时的受力目标。进一步还需结合实际施工过程和施工控制技术确定各施工阶段合理索力。（2）活载无限长加载效应较有限长加载效应值大约10％，荷载组合条件下活载加载长度的影响进一步降低。考虑不同组合条件材料容许应力提高系数，主力组合往往成为控制组合。辅助墩、桥塔位置为主桁下弦杆件强度和稳定的控制断面；辅助跨跨中附近位置为主桁上弦杆件强度和稳定的控制断面，可根据安全余量分布进行主桁设计优化。（3）不同活载集中力下，铁路桥面系最大应力值出现在中－活载特种活载作用下的顶板与U肋焊接处。公路桥面板与U肋连接焊缝处存在较明显应力集中；不同横向加载工况下，焊缝端部最大主应力和弧形缺口处最小主应力均沿桥纵向从横梁正上方到两横梁跨中先增加后减小；活载下该桥弧形缺口形状对应最大、最小主应力均较小，其设计较合理。

5对铁路大跨度桥梁设计的几点建议

（1）随着高速铁路桥梁跨度的增加，梁端区域高速行车性能成为设计关键控制点。目前设计时主要采取设置辅助墩、增加主梁刚度等措施降低梁端竖向转角值，通过安装梁端纵向伸缩装置实现梁缝区域轨道连续支撑。从运营实践看，迫切需要在大桥设计阶段充分考虑由于横向风荷载、温度荷载等造成的主跨横向变形，以及由之带来的梁端区域类似“鱼尾效应”的横向变形和水平转角等问题。（2）大跨度铁路桥梁采用列车荷载图式加载计算时，对于定位为仅开行动车组和客运专线铁路，可根据站线长度、规划开行动车组的类型等因素综合确定加载长度，必要时可考虑采用低等级的设计列车荷载图式；对于客货共线铁路，应充分考虑我国铁路货运发展趋势，建议加载长度按规范加载计算。（3）现行规范关于钢桥整体稳定性限值的相关规定主要适用于杆件，对于目前铁路大跨度桥梁采用的板桁和箱桁结构，已不能完全适用，建议开展进一步研究和规范修订工作。（4）由于铁路列车行车路径固定、轮轨作用力通过轨道结构分散等因素，铁路正交异性桥面系与公路的受力特征有明显的区别，建议开展进一步的研究和优化工作。

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作者：胡所亭 郭 辉 鞠晓臣 单位：中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 高速铁路轨道技术国家重点实验室