（工程力学专业论文）客运专线简支下承式纵横梁体系钢桁结合梁桥的研究.pdf

摘要 纵横梁体系钢混凝土结合桥面的下承式钢桁结合梁桥由于刚度 大、建筑高度低、振动小、主桁受力明确而受到设计人员的青睐。随 着我国客运专线的大力建设，这种桥式结构应用越来越多。本文以 6 4 m 、8 0 m 和1 0 6 m 三种跨度双线纵横梁体系简支下承式钢桁结合梁 桥为例，分别对每种跨度桥梁的混凝土桥面板与纵横梁结合( s c s c ) 、 只与纵梁结合( s c o s ) 两种方案建立空间有限元模型，计算了主力 及温度作用下结构的位移、应力和内力，主要完成以下工作： 1 、分析了主力组合作用下纵横梁体系6 4 m 、8 0 m 和1 0 6 m 三种 跨度、两种桥面结合方案的变形和受力性能，结果表明三种跨度桥梁 的刚度、强度均满足规范要求。 2 、研究了纵横梁体系每种跨度桥梁的纵梁、横梁和下弦杆的刚 度匹配问题，结果表明：6 4 m 、8 0 m 跨度的纵梁、横梁和下弦杆的应 力水平基本一致，表明三者刚度匹配较好。1 0 6 m 跨度的横梁略显单 薄，本文将其端部两根横梁改成箱形截面后，面外弯曲应力大为减少。 3 、考察了温度作用下纵横梁体系三种跨度、两种桥面结合方案 的受力性能。结果表明：当主桁温度比混凝土板、纵横梁高1 5 时， 纵横梁相交处和混凝土板沿外纵梁处或板边处产生了较大的拉应力， 故必须考虑温度作用的不利影响。 4 、研究了混凝土板与横梁结合与否对桥梁刚度和强度的影响问 题，结果表明：同一跨度纵横梁体系桥梁两种桥面结合方案的竖向刚 度差别较小，横向刚度s c s c 方案比s c o s 方案大，其中8 0 m 跨度 的横向刚度差别明显，6 4 m 次之，1 0 6 m 最小。主桁的上、下弦杆及 腹杆的应力两种桥面结合方案相差不大，横梁应力s c o s 方案比 s c s c 方案大，纵梁应力和混凝土板顺桥向拉应力s c o s 方案比s c s c 方案小，说明混凝土桥面板与横梁结合与否，对主桁各杆件应力影响 不大，对桥面系应力影响较大。 5 、研究了桥面系参与主桁共同作用问题，结果表明：桥面系参 与承担纵向力的程度s c s c 方案比s c o s 方案高；同一方案下基本上 是端部节间至跨中节间依次降低，而8 0 m 跨度节间2 高于其它节间， 这是由于横梁2 的面外抗弯刚度最大。 本文的研究成果为我国客运专线下承式纵横梁体系钢桁结合梁 桥的设计提供了依据，对其他类似的桥梁结构也具有参考价值。 关键词客运专线，下承式钢桁结合梁桥，受力性能，共同作用，刚 度匹配 n a bs t r a c t d e c k t h r o u g hs t e e lt r u s s - c o n c r e t ed e c kc o m p o s i t eb r i d g e sw i t ht h e c o n c r e t ed e c kc o m b i n i n gw i t hs t r i n g e r sa n dc r o s sb e a m ss ot h a tt h e ya c t t o g e t h e rf a v o r st h eb r i d g ed e s i g n e r sb e c a u s et h e yh a v eb i gs t i f f n e s s ，l o w a r c h i t e c t u r eh e i g h t ，l o wv i b r a t i o n ，s i m p l ef o r c e so fm a i nt r u s sa n ds oo n w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e si nc h i n a ，t h i sk i n do f b r i d g eh a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r eo f t e n i nt h i sp a p e r , t h r e eb r i d g e s w i t hs p a no f6 4m e t e r s ，8 0m e t e r sa n d10 6m e t e r sr e s p e c t i v e l yw e r et a k e n a se x a m p l e s t w oc o m p o s i t ef o r m so fd e c ks y s t e mo fe a c hb r i d g ew e r e s t u d i e d ，t h eo n ei st h ec o n c r e t ed e c kc o m b i n i n gw i t hs t r i n g e r sa n dc r o s s b e a m s ( s c s cf o rs h o r t ) ，a n dt h eo t h e ri st h ec o n c r e t ed e c kc o m b i n i n g o n l yw i t hs t r i n g e r s ( s c o sf o rs h o r t ) w i t hs p a c ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， t h ed i s p l a c e m e n t s ，s t r e s s e sa n di n t e m a lf o r c e so ft h et h r e eb r i d g e su n d e r p r i m a r yf o r c e sa n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ew e r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 d e f o r m a t i o na n dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h r e eb r i d g e sw i t hs p a n o f 6 4m e t e r s ，8 0m e t e r sa n d10 6m e t e r sr e s p e c t i v e l yo fs c s ca n ds c o s u n d e rt h ec o m b i n a t i o no f p r i m a r yf o r c e sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w t h a tr i g i d i t ya n ds t r e n g t ho fa l lb r i d g e sa r es a t i s f i e d 2 t h ep r o b l e mw h e t h e rt h er i g i d i t yo fs t r i n g e r s ，c r o s sb e a m sa n d l o w e rc h o r d sm a t c h e sw e l lo rn o tw a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t r i g i d i t yo ft h et h r e em e m b e r sm a t c h e sw e l l b e c a u s et h es t r e s sl e v e lo ft h e t h r e em e m b e r si sn e a r a st o10 6 m e t e r - s p a nb r i d g e s t r e s sl e v e ro fc r o s s b e a m si sl a r g e rt h a nt h a to f s t r i n g e r sa n dl o w e rc h o r d s ，a f t e rc h a n g i n gt h e t w oc r o s s b e a m si nt h ee n dr e g i o no fb r i d g ef o rb o xs e c t i o n ，t h es t r e s s ， e s p e c i a l l y , o u t o f - p l a n eb e n d i n gs t r e s sh a sd r o p p e dc o n s i d e r a b l y 3 m e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h r e eb r i d g e sw i t hs p a no f6 4m e t e r s ，8 0 m e t e r sa n d10 6m e t e r s r e s p e c t i v e l y o fs cs ca n ds c o su n d e r t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ew a sa n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tw h e n t e m p e r a t u r eo fm a i nt r u s si s 15d e g r e e sl a r g e rt h a nt h a to fm e m b e r so f d e c ks y s t e m ，l a r g et e n s i l es t r e s s e so ft h ec r o s so fs t r i n g e r sa n dc r o s s b e a m sa n do nt h ee d g eo ra l o n gt h ee x t e r n a ls t r i n g e r so fc o n c r e t ed e c k w e r ec a u s e d t h e r e f o r e ，a d v e r s ee f f e c to ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c em u s tb e 1 1 1 t a k e ni n t oa c c o u n t 4 t h ee f f e c to ft h ec o n c r e t ed e c kc o m b i n i n gw i t hc r o s sb e a m so rn o t o nr i g i d i t ya n ds t r e n g t ho fb r i d g e sw a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t v e r t i c a lr i g i d i t yo fs c s ca n ds c o so ft h es a m es p a nb r i d g ea r ev e r y c l o s e ；a n dl a t e r a lr i g i d i t yo fs c s co ft h es a m es p a nb r i d g ei sl a r g e rt h a n t h a to fs c o s a n dt h ed i f f e r e n c eo fl a t e r a lr i g i d i t yb e t w e e ns c s ca n d s c o so f8 0 - m e t e r - s p a nb r i d g ei sl a r g e s t ，6 4 - m e t e r - s p a n ，10 6 一m e t e r - s p a n b r i d g et a k e ss e c o n d t h i r dp l a c e s t r e s s e so fm e m b e r so fm a i nt r u s so f s c s ca n ds c o sa r en e a r , b u ts t r e s s e so fc r o s sb e a m so fs c s ca r el a r g e r t h a nt h o s eo fs c o s ，h o w e v e r , s t r e s s e so fs t r i n g e r sa n dl o n g i t u d i n a l t e n s i l es t r e s so fc o n c r e t ed e c ko fs c s ca r es m a l l e rt h a nt h o s eo fs c o s s ot h ee 艉c to ft h ec o n c r e t ed e c kc o m b i n i n gw i t hc r o s sb e a m so rn o ti s s m a l lo nm e m b e r so fm a i nt r u s sa n di sl a r g eo nm e m b e r so fd e c ks y s t e m 5 t h ec o a c t i o no f d e c ks y s t e ma n dm a i nt r u s sw a sa n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e g r e ef o rd e c ks y s t e mt ou n d e r t a k el o n g i t u d i n a l f o r c e so fs c s ci sl a r g e rt h a nt h a to fs c o s a n dd e c r e a s e sl i a l eb yl i n l e f r o me n dp a n e l st om i d d l ep a n e l si nt h es a m ec o m p o s i t ef o r mo fd e c k s y s t e m h o w e v e r , i ti sl a r g e s ti np a n e l2o f8 0 一m e t e r - s p a nb r i d g e ，d u et o t h el a r g e s to u t - o f - p l a n ef l e x u r a lr i g i d i t yo fc r o s s b e a m2 t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rc a np r o v i d ead e s i g nb a s i sf o rt h e d e c k t h r o u g hs t e e l t r u s s c o n c r e t ed e c kc o m p o s i t e b r i d g e sw i t h t h e c o n c r e t ed e c kc o m b i n i n gw i t hs t r i n g e r sa n dc r o s sb e a m sa n dr e f e r e n c ef o r o t h e rs i m i l a rb r i d g e s k e yw o i 乇d s p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e s ，d e c k - t h r o u g h s t e e l t r u s s c o n c r e t ed e c kc o m p o s i t eb r i d g e s ，m e c h a n i c a lb e h a v i o r , c o a c t i o no f d e c ks y s t e ma n dm a i nt r u s s ，s t i f f i a e s sm a t c h i n g i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：丝卜年明卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：扯导师签名碰日期：埠年月乒日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国秦沈客运专线已建成多年，武广、郑西等客运专线的建设已启动，设计 时速2 5 0 3 0 0 k m ，预留3 5 0k m 时速条件。可以相信，在我国时速3 0 0 k i n 以上的高 速铁路建设不会太遥远。客运专线、高速铁路桥梁设计标准都比较高，行车速度 快、密度大，养护时间短而少，需要较大的抗挠、抗扭刚度，足够的稳定性和耐 久性，对噪音、车桥振动方面的要求也都高于普通桥梁口1 。我国普通铁路钢桥 一般都采用下承式简支或连续形式，一直沿用明桥面，跨度在4 0 m 及以下的一般 为钢板梁或钢箱梁桥，跨度在4 8 m 及以上的一般为下承式钢桁梁桥。这些明桥面 钢桥这些明桥面钢桥在客运专线和高速铁路上不再适用，取而代之的将是钢一 混凝土结合桥。跨度较小的可采用钢板梁一混凝土或钢箱梁一混凝土结合桥，跨 度较大的可采用下承式钢桁梁一混凝土结合桥，简称为下承式钢桁结合桥。 我国既有线路提速改造中，原4 8 m 跨度以上的下承式钢桁桥提速后刚度将达 不到要求，将其换成小节问下承式钢桁结合桥，是一个比较经济、快速的方案。 与钢桥相比，下承式钢桁结合桥刚度大，可采用有碴桥面，行车噪声小，乘 客舒适度高；与混凝土桥相比，钢桁梁一混凝土板组合桥梁减轻结构自重，增大 桥梁跨度，降低建筑高度阻1 。这些优点使得钢桁梁一混凝土板组合桥梁在客运专 线和高速铁路建设中广泛地应用。在某些情况下，该桥式还是唯一的选择h 儿习哺1 。 1 2 下承式钢桁结合梁桥发展概况 下承式钢桁结合梁桥在日本高速铁路上应用较多。日本最先建成的高速铁路 线是东京至新大阪的东海道新干线，由于大量采用钢梁，沿线噪音问题十分严重， 这些问题对随后兴建的高速铁路的桥式及材料选择产生了很大影响，设计的基本 原则是钢结构尽可能采用低噪音的结构形式，在架设施工及梁高受到限制时，尽 量采用钢一混凝土结合梁，另外就是采用具有混凝土桥面板的钢桁结合梁h 1 。山 阳新干线的远贺川桥采用简支下承式钢桁结合梁桥，跨度为6 x 6 0 o m ，整体道 床桥面。东北新干线共有三座简支下承式钢桁结合梁桥，第一北上川桥跨度为6 9 0 m ，第二北上川桥跨度为9 l o l m + 6 0 m ，利根川桥跨度为5 0 m + 9x 7 8 5 m + 5 0 m ，其中利根川桥为道碴桥面，另外两座为整体道床桥面。以1 9 9 8 年 长野冬季奥运会召开为目的而修建的北陆新干线有两座连续下承式钢桁结合梁 第章绪论 桥其中第三干曲j i 桥跨度为3 x 8 27 m + 3 1 0 3 0 m ，犀川桥( 见图1 1 ) 跨度 为6 80 m + 8 80 m + 6 80 m + 2 6 8 0 m ，均采用混凝土整体道床“。 图卜1日本北陆新干线犀川桥 上述r 本高速铁路上兴建的下承式钢桁结合梁桥的桥面系均采用混凝土桥 面板纵横梁体系。一线下设一根纵粱双线下设两根纵粱，有别于一般双线下 承式钢桁梁设四根纵粱的做法。由于桥面扳同下弦杆之间有一定的距离，在下弦 杆上设置了钢筋混凝土边粱，这样桥面扳在横向为支承在两根纵梁及两根钢筋混 凝上边粱上带悬臂的3 跨连续结构。在纵向，由于桥面板结合在纵粱上，桥面板 作为纵梁的一部分。为弹性支承在横梁上的多跨连续结构。为进一步减小噪音， 这些桥在横梁和纵梁腹板内外侧布置了1 5 c m 厚的减振混凝土。钢粱的外观困为 用混凝土加以覆盖，犹如r c 及p c 结构样，可以打消人们所持有的“钢铁过于 喧闹”的先入为卡的观念“。 除f i 本外，法国在北部岛速线r 1 8 1 1 k m 处修建了一座跨越拉德尔( l a d e u l e ) 河的简支下承式钢桁结合梁桥拉德尔桥，该桥跨度为9 0 3 m 桁高94 0 m ，采 用预应力混凝桥面板，有碴轨道结构“。 我国大陆目前还没有一座己建成的下承式钢桁结合桥。下在建设中的武汉天 兴洲公铁两用长江大桥主桥为( 9 8 + 1 9 6 + 5 0 4 + 1 9 6 + 9 8 ) m 的双塔三索面钢桁结合 粱斜拉桥，上层公路6 车道，桥面为j 下交异性板( 主跨) 和钢桁梁与混凝土结合 板( 9 8 m 锚跨及相邻边跨2 8 m 段) ；下层铁路为4 线，其中2 线为预留高速铁路，采 用钢与混凝土结合板有砧桥面“”“。该桥于2 0 0 8 年9 月1 0 日合龙，计划于2 0 0 9 年建成通车，是我国第一座高速铁路下承式钢桁结合桥。 硕士学位论文第一章绪论 1 3 下承式钢桁结合梁桥计算方法的研究现状 目前，我国对下承式钢桁结合梁桥的研究还处于起步阶段，国外所做的工作 也很有限，我们手中掌握的有限资料都是采用通用工程软件进行有限元分析，有 的还对结构进行了简化n 钉n 6 1 。 中南大学土木建筑学院叶梅新教授课题组用通用工程软件对6 4 m 、8 0 m 、9 6 m 简支下承式钢桁结合梁桥和6 0 m + 9 6 m + 6 0 m 连续下承式钢桁结合梁桥进行了空 间有限元分析。其中，主桁各杆、纵横梁划分为梁单元，混凝土板划分为矩形板 壳单元，上平联划分为桁单元。在桥面系纵横梁上的有钉区，纵横梁结点与对应 的混凝土板板壳单元结点之间加上约束方程，使板与梁在对应结点处变形协调， 以反映纵横梁与混凝土板的共同作用n 刀n 羽。但这种做法难以考虑钢梁与混凝土板 在结合面上的相对滑移，且因板的位移模式与梁的不同，导致在结合面钢梁与混 凝土板的应变除结点外，其它地方均不协调，从而影响计算精度n 明。此外，在用 通用工程软件计算结构在温度作用下的响应时，只能考虑温度变化沿板单元厚度 方向均匀分布或线性分布，无法考虑沿该方向非线性分布的温度梯度啪1 。 彭月桑介绍了日本对下弦杆和钢桥面板结合的低高度铁路钢桁梁桥的结构 分析和设计方法。其中，在进行结构分析时，计算模式为：桥面系划分为板单元 和梁单元，主桁梁划分为梁单元，结点连接为刚性连接。依此对主桁梁的受力进 行了分析口。 周胜利、林亚超对日本北陆新干线犀川桥，按主桁各杆、纵、横梁所组成的 空间桁架结构形式，用以变形法为理论的任意桁架空间分析程序进行了有限元分 析( 弹性计算) 。其中，混凝土板视为横桥向的单向板，由混凝土边梁的2 个支 点和纵梁的2 个支点共4 个支点支承，按有悬臂的板进行分析。这种办法无法考 虑混凝土板的空间作用，忽略了混凝土板与纵、横梁和下弦杆的共同作用，得到 的桥面系与主桁下弦杆纵向力的分配情况与实际情况差别较大。此外，周胜利、 林亚超还对纵向板式下承式钢桁结合梁桥中的桥面系进行了计算。为简化分析， 引入了如下假定： ( 1 ) 板与下弦杆仅在结点处刚结； ( 2 ) 不考虑纵、横梁钢构件的作用； ( 3 ) 荷载由恒载与活载组合； ( 4 ) 斜杆与板的连接按铰接考虑。 在上述假定的条件下，通过有限元分析得到了桥面板顺桥向应力分布规律及 纵向力在下弦杆和桥面板在的分配比例。 郑凯锋、刘春彦、王应良等针对9 6 m 双线铁路有碴下承式钢桁结合桥设计 硕士学位论文 第一章绪论 方案，把包含纵肋的桥面板和横肋划分为板壳单元，桁架杆件为刚性连接的空间 梁单元，共计有结点2 1 8 7 个，总自由度1 3 0 0 0 多；边界条件设定为固定铰支座 绕横轴自由转动，其余5 个自由度全部约束，活动铰支座绕横轴自由转动并沿纵 轴自由移动，其余4 个自由度全部约束。桥面板的单元划分充分考虑恒载、活载 加载模式的需要，以提高计算效率陋3 。这一模型在板桁桥梁的整体和局部静力汁 算分析中取得良好的计算结果。 上述各有限元分析中，板离散为板壳单元，各杆、纵横梁离散为梁单元，显 然这种办法在板梁连接处的位移协调性不甚理想，且难以考虑板梁之间的相对滑 移1 。当然，也可将混凝土板离散为块体单元，纵、横梁的腹板和翼缘离散为板 壳单元，剪力连接件划分为梁单元( 其高度为钢梁上翼缘板壳单元中面至混凝土 板块体单元下表面的距离) ，梁单元的侧移刚度取剪力连接件的剪切刚度( 可由 剪力连接件的p u 曲线得到) ，这样可模拟钢梁与混凝土板在结合面上的相对滑 移。但该办法的单元数和结点数太多，会占用大量的计算机内存，运算时间很长， 计算成本较高乜钉喳1 。另外，上述各文均未考虑材料非线性和混凝土板开裂的影响， 故无法较准确地估计下承式钢桁结合梁桥的力学行为啪1 。熊玉良对简支下承式钢 桁结合梁桥进行了非线性有限元分析，与文 7 ，8 不同之处在于模型中混凝土 板采用块体单元，考虑了材料非线性的影响瞳刀。其中，混凝土板离散时在厚度方 向只分了一层，但其自由度仍非常巨大，计算耗时非常长，而且没有考虑混凝土 板开裂的影响，精度也不太理想旧1 。 1 4 下承式纵横梁体系钢桁结合梁桥桥式结构及特点 钢桁结合梁桥的设计中，桥面结构的设计是一项十分重要的内容，它既是确 保行车安全和舒适的关键，也是降低钢构件噪音的核心。对于下承式纵横梁体系 钢桁结合梁桥，其混凝土桥面板由纵、横梁支承，纵、横梁也可包在混凝土中， 桥面板与主桁架下弦杆不相连，两者各自分别受力，这种结构是经济的。由于桥 面板较薄，自重较轻，建筑高度由横梁控制。此外，外包混凝土增加了纵、横梁 的刚度，因此纵、横梁的高度可比相同跨度纯钢桁梁桥的小些。这种结合形式受 力情况较明确，在我国客运专线上拟首先考虑采用。 下承式纵横梁体系钢桁结合梁桥，其纵、横梁一般较主桁架下弦杆高，故桥 面板与下弦杆不相连，两者分别受力。若在结点处把横梁和结点都包在混凝土中， 使其成为一个整体，则桥面系可较大程度地分摊主桁下弦杆在钢与混凝土结合后 恒载和活载引起的轴力。但是，结点处混凝土板的应力集中比较严重，构造细节 上应特别注意。而且，因下弦轴力为拉力，故位于下弦平面附近的混凝土板将受 4 硕1 。学位论文第章绪论 拉而处于不利状态。菪横粱端部和结点都不包在混凝上中，则桥面系帮助主桁下 弦杆抗拉的能力削弱( 取决于横粱水平面内的弯曲刚度) “。 41 桥面板支承方式 按混凝土桥面板与钢桁粱主桁的结合方式，下承式纵横梁体系钢桁结合粱桥 可分为桥面板只在节点处与主桁结合的桥式和桥面板不与主桁结台的桥式。“ a 2 】 一、桥面板只在节点处与主桁结台的桥式 日本北陆新干线犀川桥为( 6 8 + 8 8 + 6 8 ) + ( 6 8 + 6 8 ) i l l 下承式连续钢桁结合 桥，双线，无碴道床，检修人行道在主桁外侧，因此主桁中心距较小，只有1 08 m ； 桥面为纵横粱体系，每线1 片纵粱，纵粱为变高度，见图1 - 2 ；节间长度约l o m ， 主桁每节点处设1 横粱，建筑高度由横梁控制，纵横粱上设有剪力连接件，受拉 区设柔性连接件；桥面板比下弦杆高，设有边梁，桥面板只在节点处与主桁相连， 因此，主桁只受节点力，各杆主要受轴力作用，下弦杆较小。 图卜2 犀川桥桥底构追 犀川桥这样的桥式，每节问只在节点处设有横粱，下弦杆与桥面板只在节点 处相连。桥面板的纵向跨度比较大，等十节间长度，而横向由2 片纵梁和边粱支 撑，跨度较小，桥面荷载大部分由纵粱传至横粱，再由横梁传至主桁；- - 4 部分 则由混凝土边粱直接传至主桁下弦节点，只有极小部分直接由混凝土板传至主桁 节点。设计人员将桥面板作为横桥向的单向板计算。由于主桁只受节点力，各轩 主要受轴力作用，下弦杆较小。 硕十学位论文第一章绪论 一桥面板不与主桁结合的桥式 桥面板比下弦杆高，只与纵横粱结合，宽度比桁距小。德国早期的高速铁路 f 承式钢桁结合桥大多为这种形式，现全部改为整体桥面系。建设中的武汉天兴 洲公铁两用长江大桥铁路桥面也与此类似。 囤卜3 武汉天兴洲公铁两用长江太桥 桥面板与主桁不结合的桥式，由于混凝土板较窄，减轻了自重，用钢量有所 减少，结构形也比较简单。但由于只能在节点处设横梁，桥面板纵向跨度较大， 又不能设边粱，因此，全部桥面荷载都要由横粱传至主桁，引起横粱的竖向弯曲， 第一系统作用也全部通过横梁由主桁传至桥面板，因此横粱所受的面内、面外弯 曲作用都比较大，横粱受力状态较不利，横粱一般都较大，特别是当人行道放在 主桁内侧时，双线铁路主桁中心距达1 5 m 左右，横粱高度需2 m 以上。由于横粱 较高，桥面板与主桁的偏心距也较大，这种偏心使桥面板第一系统作用的受力有 所改善。与桥面板只在节点处与主桁结合的桥式相比，这种桥面板与下弦杆不结 台的桥式，横向刚度、用钢量和桥面板参与第一系统的作用较小，而建筑高度较 灭。 42 全结合与半结合方案 下承式纵横粱体系钢桁结合桥又可以分为半结合和全结合方案。 一、全结合方案 全结合方案中混凝土板与纵横梁在整个桥面系上都结合，混凝土板及其边粱 在主桁结点处与主桁连成一体。桥面系与主桁的菇同作用力，既由横梁传递，又 由主桁节点与混凝士板直接传递。这种结合方式，横梁面外弯曲应力相对较小， 但桥面板的拉应力较大，下弦结点处的防水较困难。 硕士学位论文第一章绪论 二、半结合方案 半结合方案可分为桥面板与纵、横梁结合方案和桥面板只与纵梁结合方案。 l 、桥面板与纵、横梁都结合方案( s t r i n g e r sa n dc r o s sb e a m ss y s t e mt h ec o n c r e t e d e c kc o m b i n i n g 诚t l lb o t hs t r i n g e r sa n dc r o s sb e a m s ，简称s c s c ) ：混凝土桥面板 与纵梁结合外，还与横梁结合。 2 、桥面板只与纵梁结合方案( s t r i n g e r sa n dc r o s sb e a m ss y s t e mt h ec o n c r e t e d e c kc o m b i n i n go n l yw i t hs t r i n g e r s ，简称s c o s ) ：混凝土板只与纵梁结合，而不 与横梁结合。 这两种桥面结合方案的混凝土板比桁距窄，混凝土板与纵梁和纵梁之间的横 梁结合或只与纵梁结合。桥面系与主桁的共同作用全部靠横梁传递。这种结合方 式受力情况明确，混凝土板中的拉应力较小。构造上也较易处理，但横梁在与纵 梁相交处应力有突变，设计的关键是协调好纵梁、横梁和混凝土板的刚度1 。 1 5 本文的主要研究内容和思路 本文对客运专线6 4 m 、8 0 m 和1 0 6 m 三种跨度的简支下承式纵横梁体系钢桁 结合梁桥进行有限元分析研究，以指导客运专线下承式钢桁结合梁桥设计。主要 研究内容和思路为： 1 对纵横梁体系三种跨度桥梁混凝土桥面板与纵横梁结合( s c s c ) 、只与 纵梁结合( s c o s ) 两种方案分别建立空间有限元模型，分析了主力及温度作用 下结构的位移、应力和内力。 2 对比纵横梁体系每种跨度桥梁s c s c 方案和s c o s 方案的刚度、强度和 桥面系参与主桁共同作用程度，研究混凝土桥面板与横梁结合与否对它们的影 响。 3 对比纵横梁体系同一桥面系结合方案、不同跨度桥梁在主力组合作用下 的变形和受力性能，研究每种跨度桥梁受力的合理性并对其设计提出建议。 7 硕士学位论文第二章有限元模拟方法及主要计算参数 2 1 引言 第二章有限元模拟方法和主要计算参数 近年来我国高速铁路建设突飞猛进，几十条高速铁路线同时在建造。许多地 方高速铁路需要跨越高速公路或高等级公路，这些地方适合建造单跨6 0 m 一1l o m 左右的简支桥梁。由于桥下受净空限制，桥上又受桥头高程的限制，要求这些桥 梁建筑高度低，混凝土桥梁高大不合适，而下承式钢桁梁桥较合适。高速铁路桥 梁对竖向、横向刚度和舒适度指标等的要求都较高，以往普通铁路线上常用的明 桥面结构达不到要求，而钢混组合桥面能满足这些要求。 本研究对6 4 m 、8 0 m 、1 0 6 m 共三种跨度的下承式纵横梁体系双线简支钢桁组 合梁桥作了较为系统的分析研究。每种跨度包括如下两种桥面结构： 1 桥面板与纵、横梁都结合方案( 简称s c s c ) ：下弦杆每个节点处设一片横 梁，每线设两片纵梁，混凝土桥面板与四片纵梁结合外，还与横梁结合。混凝土 板比主桁下弦杆内侧距离小。 2 桥面板只与纵梁结合方案( 简称s c o c ) ：桥面系构造同s c s c 方案，混凝 土板只与四片纵梁结合，而不与横梁结合。 同一跨度s c s c 与s c o s 的主桁杆件及混凝土板都相同，不同之处在于s c s c 中混凝土桥面板与四片纵梁结合外，还与横梁结合；s c o s 中桥面板只与纵梁结 合，而不与横梁结合。 2 2 计算方法 下承式钢桁结合桥结构构造和受力状态都比较复杂，主桁杆件尤其是下弦杆 的次应力较大，不能按二力杆处理，必须同时考虑轴向变形、面内弯曲和面外弯 曲变形的影响，平面分析的方法不再适用儿蚓1 。当采用空间有限元分析时，桥 面板与纵、横梁( 或还有下弦杆) 结合问题的模拟和处理成为关键m 1 。必须指出， 桥面板与纵、横梁是偏心的。如果将纵、横梁和主桁各杆的腹板、翼缘等都细分 为板壳单元，再将钢构件的上翼缘节点和混凝土板节点之间加上约束条件，理论 上可以，但实际上是不现实的，因为单元和节点数太多，往往造成无法计算、计 8 硕十学位论文 第二章有限元模拟方法及主要计算参数 算不收敛或计算结果面目全非。如果只将纵、横梁各板件细分为板壳单元，主桁 各杆采用梁单元，则横梁与主桁的连接发生困难。如果纵、横梁和主桁各杆用梁 单元模拟，将其节点( 在形心处) 与混凝土板节点之间加上约束条件，计算规模可 大幅度降低，计算精度总体上较好汹驯。 本文笔者主桁各杆都用空间梁元，混凝土板用空间板壳元，每根纵、横梁都 划分成许多空间梁元。 主桁各杆之间、横梁与主桁下弦杆之间、上平联与主桁上弦杆之间、桥面板 与纵、横梁之间都按刚结处理；令支座处竖向位移、下弦杆主桁平面外转角和一 侧横桥向位移都为零o 儿舢，。 一期恒载由钢结构单独承受，二期恒载和活载由组合结构承受。每座桥都必 须建两个有限元模型分三次计算：第一个模型为纯钢结构，作用一期恒载：第二 个模型为钢与混凝土的组合结构，按二期恒载和活载及其对应混凝土弹性模量分 别计算，再将三次计算的同类响应叠加得到最后结果h 2 儿删h 训。 2 3 材料特性 在进行有限元分析计算时，钢构件和混凝土的材料性质如下： 钢构件：采用1 6 m n q 钢。 抗拉、抗压和抗弯强度设计值： 当板厚1 6 r r d n 时为3 1 0m p a ；当板厚) 1 6 - - 3 5 m m 时为2 9 5m p a 弹性模量：2 1 1 0 5m p a 泊松比：0 3 密度：7 8 5 0 k g m 3 线膨胀系数：0 0 0 0 0 11 8 混凝土：桥面板采用c 5 0 混凝土，其材料特性如下： 弹性模量： ( a ) 恒载为1 4 x1 0 4m p a ( 考虑了混凝土的徐变，相当于钢混 凝土弹性模量比口f = 1 5 ) ( b ) 活载为2 1x1 0 4m p a ( 考虑了活载引起的残余应变，相 当于钢混凝土弹性模量比口e - - - 1 0 ) h 司 泊松比：0 2 密度：2 5 0 0 k g m 3 线膨胀系数：0 0 0 0 0 1 0 9 硕十学位论文 第二章有限元模拟方法及主要计算参数 2 4 荷载工况 本册计算分析中纵横梁体系桥梁结构考虑的荷载为一期恒载、二期恒载、活 载和温度作用。其具体荷载如下。 1 主力作用 一期恒载( d 1 ) ：包括钢结构自重和混凝土湿重。 二期恒载( d 2 ) ：1 8 0 k n m ，均布作用在桥面板上。 列车活载( l ) ：根据京沪高速铁路线桥隧站设计暂行规定，采用z k 标准 活载( 见图2 - 1 ) 。计算时考虑了列车竖向动力作用，其大小等于列车竖向静活 载乘以动力系数( 1 + u ) 。根据铁路桥涵设计基本规范( t b l 0 0 0 2 1 2 0 0 5 ) ， 钢与钢筋混凝土板结合梁活载动力系数计算式为l + l + 2 2 ( 4 0 + l ) ，式中l 表示桥梁跨度，以m 计m 。 2 0 0 k n 2 0 0 k n2 0 0 k n2 0 0 k n 芦p 兰斗卜坐+ 竺半与 图2 - 1 z k 标准活栽 2 荷载组合 分析计算时，荷载主要考虑如下组合： 一期恒载+ 二期恒载+ 双线z k 活载的最不利加载方式 需要注意的是：活载作用下，不同构件对应的最不利加载方式是不同的，即 使是同一构件，分量不同，最不利加载方式也不同。本文研究的荷载组合实际上 对应着多种加载方式，而不仅仅是一种加载方式。而每一构件每一分量的最不利 加载方式是通过影响线加载分析确定的。 2 5 温度作用 温度变化对桥梁结构的受力和变形影响很大，这种影响随温度的改变而改 变。一般来说，温度变化主要包括季节温差、日照温差、骤变温差、残余温度和 不同温度场等。不同材料、不同尺寸的构件、结构的不同部位对温度变化的反应 不同。对于混凝土材料来说，温度变化的影响往往还伴随着收缩和徐变h 7 1 。 在钢一混凝土组合结构中，温度作用通常包括三种形式：第一种是变温，即 由于年气温变化，钢梁与混凝土板的温度同时均匀升高或降低，整个组合截面上 l o 硕十学位论文第二章有限元模拟方法及主要计算参数 各点的温度变化完全相同，由于钢和混凝土的温度膨胀系数分别为口。= 1 2 x 1 0 和口= 1 0 x 1 0 。5 ，所以它们间的差异可忽略不计。第二种是温差，即钢梁与混凝 土板的温度不同，但钢和混凝土板截面上的温度沿各自高度方向是均匀分布的。 第三种是温度梯度，即组合梁截面上各点温度不同而导致的温度梯度，钢材热传 导较快，钢梁的壁厚较薄，故钢梁截面上温度梯度较小，通常忽略不计，而混凝 土的导热系数只有钢的1 5 0 左右，热惰性大，往往外表面的温度接近了环境温 度，而内部温度则变化缓慢，特别是厚度较大的混凝土板，存在明显的温度滞后 现象，从而在混凝土截面上形成了较大的温度梯度。若结构为静定结构且杆件由 同一种材料组成，则结构中不会产生内力和反力。但是对于钢一混凝土组合结构， 由于钢与混凝土热传导性能差异较大，故在温度作用下，虽然整个组合截面内力 为零，但由于钢与混凝土的变形存在相互约束作用，故在钢截面和混凝土截面分 别会产生内力和应力，从而引起应力重分布，使剪力连接件承受纵向剪力m 卜睇1 。 在计算温度应力时假定： 1 沿桥长的温度分布是均匀的； 2 混凝土是弹性匀质材料； 3 变形服从平截面假定； 4 竖向温度应力和横向温度应力可分别计算，最后叠加。 温度应力按如下三种工况分析计算： 工况1 ：主桁温度比混凝土板、纵横梁高1 5 ； 工况2 ：主桁、混凝土板温度比纵横梁高1 5 ； 工况3 ：混凝土板温度比主桁、纵横梁高1 5 。 由于温差引起的位移、应力等响应都是线性的，因此，若温差与上述工况反 号，或不是1 5 等情况都可以按比例推算。 2 6 荷载组合 分析计算时，主力作用考虑如下组合： 一期恒载+ 二期恒载+ 双线z k 活载的最不利加载方式 移动活载作用下，不同构件对应的最不利加载方式是不同的，即使是同一构 件，分量不同，最不利加载方式也不同。本文中每一构件每一分量的最不利加载 方式是通过影响线加载分析确定的。主力组合作用取( d l + d 2 + l m a x ) 和 ( d l + d 2 + l m i n ) 中绝对值较大的一个。 按照各温度工况求出温度效应后，再将主力与最不利温度作用叠加。即： 一期恒载+ 二期恒载+ 双线z k 活载的最不利加载方式+ 最不利温度工况 硕士学位论文第三章6 4 m 下承式纵横梁体系钢桁结合梁桥的响应分析 第三章6 4 m 下承式纵横梁体系钢桁结合梁桥的响应分析 3 1 结构构造 6 4 m 跨度桥梁结构构造和尺寸如图3 - i 示( 图置于本章小结后，以下各章节 同) ，主桁5 个节间，每个节间1 2 8 m ，总长6 4 m ，桁高1 2 8 m ，主桁中心距1 5 m 。 端横梁采用箱型截面，其他横梁为i 字形截面，截面高都为2 0 m 。四片纵梁的 横桥向间距布置为3 4x3 m ，纵梁全部采用i 字形钢梁，与横梁等高。混凝土板 厚在桥梁中心线处为0 3 6 1 m ，从中心线向两边板厚按2 9 6 的坡度逐渐减小，板边 厚0 2 7 m ；板的宽度为1 3 4 m ，较主桁中心距小，主桁中心线以内两侧各有0 8 0 m 无混凝土板，也不设混凝土边梁。全桥主要构件的截面形式如表3 1 所示。 表3 - i6 4 m 跨度主要构件截面计算参数 截面积 面内抗弯面外抗弯 抗扭惯性矩高度宽度 构件名称惯性矩惯性矩 ( c i i l 2 )( c m 4 )( m )( m ) ( c l n )( c m 4 ) 下弦杆e o e ： 4 0 32