钢桁结合梁桥面系结构设计研究

收稿日期: 2007- 06- 20 第一作者简介:李凤芹 ( 1962) ) ,女, 1984年毕业于西南交通大学桥梁专业,工学学士; 2003年毕业于北京交通大学建筑与土木工程专业,工 程硕士,教授级高级工程师。 钢桁结合梁桥面系结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究 李凤芹 何 伟 杨欣然 (铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津 300142) Research on Structural Design of Steel Truss Combined Bridge Surface L iFengqin H eW e i Y ang X inran 摘 要 介绍了国内外道碴桥面钢桁结合梁桥或钢拱桥可采用的几种桥面系结构形式,并结合 96 m钢桁结合梁设计,提出了桥面系合理的结构形式及结构内力计算方法, 论述了桥面板配筋方法、横梁 截面选择以及混凝土桥面板的施工方法。 关键词 钢桁结合梁 混凝土板 桥面系 1 概述 结合梁混凝土桥面板的功能是将桥面荷载传递给 钢梁结构,与钢梁结构共同受力, 增加钢梁结构的整体 刚度,节省用钢量。混凝土板的受力极其复杂, 存在多 种受力体系。桥面板直接承受轮压局部荷载一般称为 第三受力体系。在这一受力体系中,下承式简支钢桁 结合梁纵横梁桥面系与上承式简支结合梁结构传递荷 载的形式基本相同,桥面板可按横桥向单向板检算; 在 设有纵横梁的桥面系结构中,混凝土板还与纵、横梁形 成组合截面, 作为纵横梁的上翼缘板与纵横梁一起共 同承受列车活载, 这一体系一般称为第二受力体系。 除此之外,桥面板还参与纵向整体结构受力,一般称为 第一受力体系。在这一受力体系中,下承式简支钢桁 结合梁与上承式简支结合梁的受力行为显著不同, 前 者位于主承重结构的受拉区,混凝土板为拉弯构件; 后 者位于结构的受压区, 混凝土板为压弯构件。上承式 结合梁能够同时发挥混凝土抗压性能强和钢材抗拉性 能强的优点, 混凝土的配筋率较低, 材料用量较为节 省,但当其跨度较大时建筑高度较高。下承式钢桁结 合梁则不然, 其控制轨面高程的结构高度较低, 这于立 交桥而言是非常适用的。但由于混凝土的抗拉性能很 低,混凝土板中需要配置大量钢筋来承受拉应力,混凝 土配筋率较大。 2 钢桁梁桥面系结构形式 国内外已建或在建的有碴轨道钢桁梁桥面系的结 构形式有纵横肋加劲正交异性整体钢桥面、纵横梁结 合梁桥面、密布横梁结合梁桥面及纵横梁加混凝土道 碴槽板桥面。 正交异性钢桥面板一般用于大跨铁路钢桁拱桥或 钢桁斜拉桥, 采用该种结构形式的有南京大胜关长江 大桥,桥式为 ( 108+ 192+ 2 @ 336+ 192+ 108) m连续 钢桁拱桥;京郑高速铁路郑州公铁两用黄河大桥,桥式 为 ( 120+ 5 @ 168+ 120) m六塔部分斜拉连续钢桁梁。 其优点是钢桥面板直接参与主结构受力, 解决了长大 跨度钢桁梁桥,因端部横梁面外弯矩过大而导致的应 力难以控制问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 缺点是钢桥面板制作和安装困难, 用 钢量较大。正交异性钢桥面板上面铺设的混凝土道碴 槽板厚 150~ 200 mm, 纵向连续设置。混凝土板用剪 力钉与钢桥面板连接,桥面竖向荷载一部分通过混凝 土板直接传递到横梁或横肋, 另一部分通过钢桥面板 和纵向加劲肋传递给横梁或横肋。混凝土板在纵向容 许开裂, 但裂缝宽度需控制在容许范围内。 台湾高速铁路钢桁结合梁设计中采用了纵横梁结 合梁桥面。我国已建成的京津城际改京山跨二环线 96 m钢桁结合梁亦采用了纵横梁结合梁桥面 (见图 1) ;法 国高速铁路钢拱桥和福厦线 64m、80m钢桁结合梁采 用的是密布横梁结合梁桥面,钢拱桥密布横梁桥面系见 图 2。这两种形式的混凝土桥面板结构设计时均考虑 其参与体系受力,因此,称其为结合梁桥面。其优点是 20 铁 道 勘 察 2007年增刊 加密的横梁及混凝土桥面板提供了较大的横向刚度,桥 面系不需设置下平纵联,结构构造简单,建筑高度低,钢 桁梁制作和架设施工方便,用钢量较正交异性钢桥面板 少;缺点是混凝土板承受较大的拉力,易开裂。 图 1 纵横梁结合梁桥面 图 2 密布横梁结合梁桥面 纵横梁混凝土道碴槽板桥面的道碴槽板沿纵向一 定间隔设置横向断缝, 不考虑道碴槽板参与体系受力, 道碴槽板仅起传递桥面竖向荷载的作用, 对横向刚度 没有贡献。桥面系需设置下平联及制动联结系, 这种 桥面系形式不具有结合梁的优点。 3 96m钢桁梁桥面系结构形式比选 结合梁桥面混凝土道碴槽板除承受桥面竖向局部 荷载外, 还提供横向刚度和竖向刚度而参与主桁结构 的共同作用。当混凝土板承受桥面局部荷载时, 纵横 梁结合梁桥面因横梁间距与纵梁间距之比大于等于 2,桥面板沿横桥向传力, 可按支承在纵梁上的单向板 考虑;而参与体系受力时为纵向传力, 混凝土板为双向 受力板, 对降低其沿纵桥向的内力有利。此外, 横梁与 下弦杆之间的焊缝受力较大, 焊于主桁下弦杆上的横 梁接头板要求采用熔透焊缝,焊接质量要求高。纵横 梁形式可显著减少横梁接头板的数量,便于主桁下弦 杆制作。因此, 96m钢桁梁桥面系结构形式选择了纵 横梁结合梁桥面。 桥面板顺桥向的主要内力是由组合截面自应力和 体系内力产生的轴向力和弯矩, 其内力通过空间整体 模型计算得出。为确定混凝土桥面板与纵横梁之间最 合理的结合方式, 桥面板与钢桁梁的结合方式按纵向 连续不设断缝与纵向在横梁顶部设置断缝 (每隔 6m 设一道断缝 )两种形式进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 比选。 311 计算假定 混凝土板在形成刚度之前没有承载能力, 其自重 由钢梁结构承担, 自身仅承受二期恒载、混凝土收缩以 及运营阶段活载和温度影响力等荷载。骤然升温对组 合截面混凝土板的荷载效应与混凝土收缩对混凝土板 的荷载效应相同, 均产生拉力。因此, 钢与混凝土板之 间的温差仅需考虑骤然升温荷载工况。混凝土收缩按 降温 10 e 计, 钢与混凝土板之间的温差按混凝土板降 温 15 e 计。 钢与混凝土弹性模量比取值对混凝土板中的内力 有较大影响, 结构内力分析应根据荷载类型取不同值。 计算恒载及混凝土收缩影响力时,考虑混凝土徐变变 形的影响,钢与混凝土弹性模量比取 n1 = 15;计算活 载作用力时取 n2 = 10,计算钢与混凝土之间的温差作 用力时取 n = 6。 312 计算模型 采用 M IDAS程序建立有限元空间模型, 对结构进 行分析计算, 主桁上弦杆、腹杆及上平联杆件离散为梁 单元,桥面系结构按照两种方式建模。模型一为桥面 连续全结合方案, 纵、横梁和主桁下弦杆均采用组合截 面; 模型二为桥面断开部分结合方案, 计算模型侧视图 及桥面系俯视图分别见图 3和图 4。 图 3 桥面板部分结合计算模型 图 4 部分结合计算模型桥面系俯视图 313 计算结果 ( 1)桥面板纵向内力 21钢桁结合梁桥面系结构设计研究:李凤芹 何 伟 杨欣然 桥面板全结合方案 (模型一 )及部分结合方案 (模 型二 )混凝土板的顺桥向最大单宽内力计算结果见 表 1。 表 1 混凝土板控制截面单宽内力计算 部 位 下弦杆顶部 纵梁顶部 荷载类别 全结合方案 (模型一 ) 部分结合方案 (模型二 ) 顺桥向轴 力 F x /kN 顺桥向弯矩 M y / ( kN# m ) 顺桥向轴 力 F x /kN 顺桥向弯矩 M y / ( kN# m ) 二期恒载 36713 - 014 37014 - 013 收缩 5513 - 013 7516 - 013 横向摇摆力 - 219 010 211 010 活载 56516 011 58419 011 骤然升温 35811 - 213 37916 - 118 主力 98513 - 016 103310 - 014 主 +附 134314 - 219 141216 - 212 二期恒载 30019 - 012 19211 013 收缩 17010 - 016 12515 - 015 横向摇摆力 317 010 118 010 活载 40612 019 29510 110 骤然升温 74919 - 319 36215 - 211 主力 88018 012 61413 017 主 +附 163016 - 317 97618 - 114 桥面板连续、横梁采用组合截面后, 其面内、面外 抗弯刚度增加,对纵梁的约束作用增大,纵梁轴向力比 桥面设断缝时大, 使支点负弯矩区 (横梁附近 )混凝土 板承受较大的拉力。 由表 1可知,混凝土板主要承受轴向拉力,顺桥向 弯矩较小。在主力及主 + 附荷载工况下, 各部位混凝 土的最大单宽内力值比较接近, 下弦杆顶部混凝土板 的最大拉力部分结合方案较全结合方案约大 5% ; 在 主力及在主 +附荷载工况下, 部分结合方案的纵梁顶 部混凝土板最大拉力较全结合方案分别小 30% 及 40%。主力工况下,全结合方案最大轴向拉力发生在 下弦杆顶部, 其值为 98513 kN; 部分结合方案最大轴 向拉力发生在下弦杆顶部, 其值为 1 03310 kN; 主力 + 附加力工况下,全结合方案最大轴向拉力发生在纵梁 顶部,其值为 1 63016 kN, 部分结合方案最大轴向拉力 发生在下弦杆顶部,其值为 1 41216 kN。 ( 2)梁端部横梁 结构设计时亦对桥面系横梁的截面形式进行了比 选。工字形截面与箱形截面相比面外抗弯刚度较弱, 但制作安装方便。结合梁桥面因混凝土板承担了横梁 部分面外弯矩,以及在节点横梁之间增设的节间横梁 也能分担部分面外弯矩, 使横梁采用工字形截面成为 可能。对横梁的比选结论为: ①主桁杆件对节间横梁的约束作用较节点横梁 小, 节间横梁面内弯矩约为节点横梁面内弯矩 的 80%。 ②横梁的面外刚度增大,面外弯矩也会随之增大; 端横梁面外刚度的变化会对其他横梁面外弯矩的分配 有一定的影响。 为了减小梁端转角,降低次端横梁的面外弯矩, 端 横梁采用了箱形截面, 其他横梁采用了工字形截面。 端横梁宽 848mm,靠近梁端的 4道横梁翼缘板宽采用 700mm;中间 6道横梁翼缘板宽采用 600mm; 工字形 截面翼缘板厚 32mm, 腹板厚 16mm。 钢桁结合梁混凝土桥面板连续设置时, 横梁大部 分面外弯矩可由桥面板来承受, 横梁所受面外弯矩很 小。但混凝土板因承受较大的拉力而存在开裂的可能 性, 开裂后混凝土板分担横梁面外弯矩的能力将有所 降低。结构设计中考虑了这一不利因素, 按照桥面板 部分结合模型检算桥面系钢结构的强度。横梁计算结 果见表 2。 表 2 横梁强度检算 M Pa 部位 上翼缘最大拉应力 下翼缘最大压应力恒载 活载 恒 +活 恒载 活载 恒 +活 第一节间横梁 16114 8516 24710 - 17315 - 0171 - 17412 次端节点横梁 14813 5811 20614 - 15218 - 0174 - 15315 主力荷载作用下, 考虑横梁的次内力, 容许应力提 高系数取 112, 32mm板厚容许应力折减系数取 0196, 容许应力取值为 25314MPa; 附加力对横梁的应力影 响较小, 横梁由主力荷载工况控制。由表 2可知,在主 力荷载工况下,横梁最大应力发生在第一节间横梁与 主桁下弦杆连接部位, 最大拉压应力分别为 24710 MPa和 - 17412MPa,横梁控制截面应力满足要求。 ( 3)结构刚度 为了了解混凝土板对桥梁结构刚度的贡献, 混凝 土板与钢桁梁桥面系纵横梁和主桁下弦杆之间采用全 结合、部分结合二种方式,对双线钢桁梁的结构刚度进 行分析研究。计算结果见表 3。 表 3 结构刚度 结合方式 静活 载挠 度 /mm 挠跨比 静活载梁 端竖向转 角 /j 横向 位移 /mm 与跨度 比值 自振频率 /H z 一阶横向二阶竖向 全结合 4718 1 /2 008 119 414 1 /21 818 1164 1197 部分结合 4912 1 /1 951 213 716 1 /12 632 1126 1192 刚度限值 10617 1 /900 3 24 1 /4 000 11581 由表 3可知, 桥面板全结合方案及部分结合方案 静活载挠度、梁端竖向转角、横向位移及自振频率等刚 度指标, 均满足时速 200 km客货共线刚度限值要求。 314 混凝土板配筋检算 桥面板顺桥向结构受力特点为偏心受拉构件, 铁 22 铁 道 勘 察 2007年增刊 路桥规对于钢筋混凝土偏心受拉构件的计算办法没有 相关 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ,偏心受拉构件的计算按照《公路钢筋混凝 土及预应力混凝土桥涵设计规范》有关规定进行。 桥面板钢筋抗拉、抗压设计强度 f sd, f csd为 280 MPa, C40混凝土的强度设计值 f cd = 1814MPa,容许裂 缝宽度 |Xf | = 012mm。 全结合方案及部分结合方案桥面板应力及裂缝检 算结果分别见表 4和表 5。 表 4 全结合方案桥面板应力及裂缝检算 荷载 工况 主力 主 +附 部位 单元 板厚 / cm 钢筋根数 / (直径 /mm ) 配筋率 L /% 钢筋应力 /MPa 裂缝宽度 X f /mm 纵梁 870 23 10 /22 211 168 0114 弦杆 66 28 10 /22 117 176 0110 纵梁 870 23 10 /22 211 279 0117 弦杆 66 28 10 /22 117 237 0114 表 5 部分结合方案桥面板应力及裂缝检算 荷载 工况 主力 主 +附 部位 单元 板厚 / cm 钢筋根数 / (直径 /mm ) 配筋率 L /% 钢筋应力 /MPa 裂缝宽度 X f /mm 纵梁 888 23 10 /22 211 121 0106 弦杆 149 28 10 /22 117 184 0111 纵梁 888 23 10 /22 211 198 0112 弦杆 149 28 10 /22 117 243 0114 315 桥面板比选结论 桥面板与桥面系纵横梁及主桁下弦杆的结合方式 无论是全结合,还是部分结合,结构刚度均满足规范要 求,两种结合方式均可以采用。 桥面板配筋由主力 + 附加力工况控制, 全结合方 案较部分结合方案桥面板所受最大拉力大 13%; 相同 配筋情况下, 钢筋最大应力及最大裂缝宽度也较大; 但 桥面板与横梁不结合部位存在振颤、混凝土与钢板接 触面磨耗等技术问题。因此, 桥面板采用纵向不设断 缝全结合形式。为了避免桥面板出现不规则裂缝, 桥 面板在横梁顶部及在横梁之间, 沿纵向每隔 3m设置 一道宽 1 cm、深 2 cm的凹槽 (钢筋不断 )。人为设置 割缝,并在割缝中填充水膨胀密封剂。一旦桥面板受 力过大, 将在割缝部位开裂,而水膨胀密封胶能够填充 缝隙,防止桥面板漏水。 4 桥面板施工方法 因桥面板钢筋较密,且钢筋应力亦较高,桥面板宜 采用现浇法施工。纵向钢筋接长应采用闪光对焊, 并 进行打磨。为了减小因混凝土收缩产生的拉应力, 提 高混凝土的抗裂性能, 桥面板采用补偿收缩混凝土, 混 凝土板纵向分 4段浇筑。在 L /4和 L /2部位设置 210 m宽膨胀加强带,带外用 C40, 要求限制膨胀率为 ( 115 ~ 215) @ 10- 4;带内用 C45,要求限制膨胀率为 ( 3~ 4) @ 10- 4。带两侧设密孔钢丝网,并用 18 @ 300的立筋 加固,以防止两侧混凝土流入带内。桥面板混凝土膨 胀加强带的位置见图 5。 图 5 桥面混凝土膨胀加强带位置示意 (单位: mm ) 钢桁梁常用于跨越铁路、城市道路或公路, 钢桁梁 采用顶推或拖拉法施工, 可不中断桥下线路运营。如 桥面混凝土采用现浇法施工, 对于桥下运输繁忙的铁 路或道路,混凝土底模搭设和拆除均比较困难。可采 用永久性钢底模来解决模板施工困难问题, 在顶推钢 桁梁之前,即可安装钢模板,钢底模可取代施工支架和 梁底安全防护棚, 对既有道路交通干扰小。 5 结束语 ( 1)与传统明桥面钢桁梁相比, 道碴桥面钢桁结 合梁具有行车噪声低、横向刚度大等优点。同时,由于 建筑高度低, 施工更方便快捷。采用整体节点构造可 大大改善传统钢桁梁美观性较差的问题, 这种新型结 构对于立交桥梁而言是比较合理的选择。 ( 2)纵横结合梁桥面系方案具有建筑高度低、主 桁下弦杆与横梁连接构造简单、制作和安装方便,以及 桥面板双向传力、受力性能好等优点。 ( 3)桥面板采用纵向不设断缝全结合形式时, 在 桥面板顶部沿纵向每隔 3 m设置一道横向凹槽; 桥面 板配筋按照部分结合内力配筋, 允许混凝土板在凹槽 处开裂。凹槽内填水膨胀橡胶可防止桥面漏水。 ( 4)结构刚度及纵横梁和主桁杆件强度均按照部 分结合检算, 且纵横梁顶面采用热喷铝进行防腐,钢结 构设计具有足够的安全性和耐久性。 ( 5)混凝土桥面板采用了补偿收缩混凝土并设置 了膨胀加强带,可缩短混凝土施工工期,防止混凝土产 生收缩裂缝, 并与结构计算假定混凝土收缩徐变按降 温 10 e 考虑相符合。 参 考 文 献 [1 ] RISN ) TG002) 2006 补偿收缩混凝土应用技术导则 [S ] [2 ] 李凤芹, 刘 凯, 杨欣然. 96 m 简支钢桁梁设计 [ J]. 桥梁建设, 2006(增刊 2) [3 ] 高静青.双线下承式钢桁结合梁桥面系构造研究 [ J].铁道 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 设 计, 2005( 5) 23钢桁结合梁桥面系结构设计研究:李凤芹 何 伟 杨欣然