（工程力学专业论文）大跨度双线铁路钢桁梁斜拉桥受力特性研究.pdf

t 原创性声明 l i i 111i i iii l li ) i ii 1 l y 17 17 8 8 0 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：逛堕整日期：上型l 年月卫日 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。 储躲槛翩签名獭期：业年上月且日 摘要 某新建铁路跨长江大桥设计为( 8 1 + 1 3 5 + 4 3 2 + 1 3 5 + 8 1 ) m 五跨两塔 连续钢桁梁斜拉桥，通行两线铁路，采用正交异性板整体钢桥面结构， 整体钢桥面参与主桁共同作用，受力复杂。斜拉桥在纯铁路桥梁中的 应用较少，到目前为止，国内外还没有建成这种大跨度铁路专用斜拉 桥的实例。本文对该桥的受力性能进行了研究，主要完成了以下工作： l 、采用空间板梁法建立全桥空间有限元模型，对该桥在恒载、最 不利活载及附加力作用下的受力性能进行了分析。结果表明：该桥受 力合理，刚度和强度均满足要求。 2 、对混凝土道碴槽板是否设置断缝进行了对比研究。结果表明： 将混凝土板在节点横梁上方设置断缝，可释放该处混凝土板的峰值拉 应力，但对离断缝o 5 m 以外的混凝土板和全桥的钢结构应力几乎无 影响。 3 、对混凝土板的合理浇注顺序进行了研究。结果表明：混凝土板 的浇注顺序主要影响混凝土板自重作用下的应力，主跨跨中区域的混 凝土板拉应力最大，应最后浇注，使该区域混凝土板在自重作用下不 产生拉应力。 4 、研究了混凝土道碴槽板对桥梁刚度及受力状态的影响。结果表 明：考虑混凝土道碴槽板抗力后，桥梁的竖向刚度及横向刚度分别提 高了约1 8 和7 5 ，桥面系钢构件的应力有较明显的降低，主桁杆 件受力变化不大；增加混凝土板的厚度或宽度，桥梁竖向刚度和主桁 杆件的受力变化较小，桥梁横向刚度增加和桥面系钢构件的应力降低 较明显。 本文的研究成果为该桥设计提供了依据，对其他类似桥梁也有参 考价值。 关键词铁路斜拉桥，钢桁梁，道碴整体桥面，有限元分析 w a bs t r a c t h a n j i a ty a n g t z er i v e rr a i l w a yb r i d g ei sad o u b l et o w e r , f i v e - s p a n c o n t i n u o u ss t e e lt r u s s c a b l e s t a y e db r i d g e w i t h s p a na r r a n g e m e n t ( 8 l + 1 3 5 + 4 3 2 十1 3 5 + 8 2 ) m t h eb r i d g e a l l o w st w ol i n e s r a i l w a y o r t h o t r o p i cm o n o l i t h i cs t e e ld e c ki sa d o p t e d ，w h i c hw o r k st o g e t h e rw i t h t h em a i nt r u s s s of a r , c a b l e - s t a y e db r i d g e sh a v es e l d o mb e e na p p l i e di n r a i l w a yb r i d g e s t h e r ei sn or a i l w a yc a b l e s t a y e db r i d g ew i t hs p a na sl o n g a sh a n j i a ty a n g t z er i v e rr a i l w a yb r i d g ea th o m ea n da b r o a d t h e m e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h eb r i d g ew a ss t u d i e di nt h i sp a p e r m a i nw o r ko f t h i sp a r p e ri sa sf o l l o w s ： 1 s p a c ej f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef u l lb r i d g ew a se s t a b l i s h e d a d o p t i n gs p b ( s p a c ep l a t e b e a m ) m e t h o d t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o ft h eb r i d g eu n d e rd e a dl o a d ，w o r s t c a s eo fl i v i n gl o a da n da d d i t i o n a l f o r c e sw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h e b r i d g ei sr e a s o n a b l ea n dt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hm e e tt h er e q u i r e m e n t s 2 t h ee f f e c t so ft h eb r e a kj o i n t si nc o n c r e t es l a bw e r es t u d i e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eb r e a ki o i n t so ft h ec o n c r e t es l a ba b o v ec r o s sb e a m s a tc h o r dj o i n t s ，c a ne f f e c t i v e l yd e c r e a s et h ep e a kt e n s i l es t r e s so ft h e c o n c r e t es l a bn e a r b yt h eb r e a ki o i n t s ，b u tt h e yh a v en oe f f e c to nt h es t r e s s o ft h ec o n c r e t es l a b0 5 ma w a yf r o mt h eb r e a kj o i n t sa n dt h es t e e l s t r u c t u r e 3 t h er e a s o n a b l yp o u r i n gs e q u e n c ef o r t h ec o n c r e t es l a bw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ep o u r i n gs e q u e n c eo fc o n c r e t es l a bm a i n l y a f f e c t st h es e l f - w e i g h ts t r e s so ft h ec o n c r e t es l a b t h et e n s i l es t r e s so ft h e m i d d l e m i d s p a na r e a i s l a r g e s t t h e r e f o r e ，t h er e a s o n a b l yp o u r i n g s e q u e n c ei st op o u rt h ec o n c r e ts l a bi nt h i sa r e aa t1 a s t s ot h a tt h e s e l f - w e ig h to ft h ec o n c r e t es l a bw o u l dn o tc r e a tt e n s i l es t r e s si nt h i sa r e a 4 t h ee f f e c t so ft h ec o n c r e t es l a bo nt h eb r i d g es t i f f n e s sa n d m e c h a n i c a lb e h a v i o rw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec o n c r e t e s l a bc a l li n c r e a s et h ev e r t i c a ls t i f f n e s sa n dt h el a t e r a ls t i f f n e s so ft h e b r i d g eb y1 8 a n d7 5 r e s p e c t i v e l y , e f f e c t i v e l yd e c r e a s et h es t r e s so f t h es t e e ld e c k s ，b u tl i t t l ec h a n g et h es t r e s so fo ft h em a i nt r u s s e s w i t ht h e t h i c k n e s sa n dw i d t ho ft h ec o n c r e t es l a bi n c r e a s e d t h el a t e r a ls t i f f n e s so f t h eb r i d g ei n c r e a s e da n dt h es t r e s so ft h es t e e ld e c k si n c r e a s e d ，w h i l et h e v e r t i c a ls t i f f n e s sa n dt h es t r e s so ft h em a i nt r u s s e sc h a n g e dl i t t l e t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rn o to n l ys e r v i c ed e s i g no fh a n ji a t y a n g t z er i v e rr a i l w a yb r i d g eb u ta l s op r o v i d er e f e r e n c e s f o ro t h e r s i m i l a rs t r u c t u r e s k e yw o r d s ： r a i l w a yc a b l e s t a y e db r i d g e ，s t e e lt r u s s ，b a l l a s t m o n o l i t h i cd e c k ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 目录 摘j 1 2 兽i a 】e l s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1 大跨度铁路钢桁梁斜拉桥1 1 2 铁路钢桥桥面结构形式介绍。6 1 2 1 混凝土道碴槽板桥面结构6 1 2 2 整体混凝土桥面结构7 1 2 3 正交异性整体钢桥面结构7 1 3 工程背景简介8 1 4 论文主要研究内容11 第二章主力作用下的受力性能研究1 2 2 1 板桁组合结构的计算方法研究1 2 2 。1 1 平面分析方法1 2 2 1 2 空间分析方法。1 3 2 2 全桥空间有限元模型的建立1 3 2 2 1 全桥空间有限元模型的建立。1 3 2 2 2 主要计算参数、荷载标准和支承条件1 4 2 3 全桥在恒载作用下的受力性能分析1 5 2 3 1 支反力15 2 3 2 主桁受力性能分析1 5 2 3 3 桥面系受力性能分析1 8 2 3 4 斜拉索、主塔受力性能分析2 2 2 4 全桥最不利活载作用下受力分析2 3 2 4 1 支反力及挠跨比2 3 2 4 2 主桁受力性能分析2 4 2 4 3 桥面系受力性能分析2 6 2 4 4 斜拉索、主塔受力性能分析2 8 2 5 本章小结3l 第三章附加力和荷载组合作用下的受力分析3 2 3 1 温度荷载作用下的分析计算3 2 3 1 1t 1 作用下的受力性能分析3 2 3 1 2t 2 作用下的受力性能分析3 7 3 2 静风荷载作用下分析计算4 0 3 2 1 横向水平挠度及挠跨比4 0 3 2 2 主桁受力性能分析4 0 3 2 3 桥面系受力性能分析4 2 3 3 荷载组合作用下的受力性能分析4 4 3 3 1 支反力4 4 3 3 2 主桁受力性能分析4 5 3 3 3 桥面系受力性能分析4 6 3 3 4 斜拉索、主塔受力性能分析4 6 3 4 本章小结4 8 第四章混凝土道碴槽板受力性能研究5 0 4 1 引言5 0 4 2 混凝土道碴槽板简介5 0 4 3 混凝土板的受力分析5 l 4 3 1 各荷载工况单独作用下的混凝土板受力分析。5 1 4 3 2 混凝土板的收缩和徐变计算分析5 3 4 3 3 组合工况作用下混凝土板受力分析5 5 4 4 混凝土板断缝设置对受力的影响5 6 4 4 1 断缝的设置位置。5 6 4 4 2 断缝对混凝土板应力的影响5 7 4 4 3 断缝对钢桥面板、纵梁应力的影响。5 9 4 5采用高配筋率控制混凝土板裂缝宽度6 1 4 6混凝土板合理浇注顺序的研究。6 3 4 6 1 混凝土板施工顺序方案分析。6 3 4 6 2 应力计算结果对比分析6 4 4 7 本章小结6 6 第五章混凝土道碴槽板对主桁及桥面系受力的影响研究6 7 5 1 引言6 7 5 2 混凝土道碴板抗力考虑与否对桥梁受力状态的影响6 7 5 3 混凝土道碴槽板厚度、宽度对桥梁受力状态的影响7 0 5 3 1 混凝土道碴槽板厚度对桥梁受力状态影响分析7 l 5 3 2 混凝土道碴槽板宽度对桥梁受力状态影响分析。7 5 5 4 混凝土道碴槽板对桥梁刚度和动力特性的影响。7 9 5 5 本章小结。8l 第六章结论与展望8 2 6 1 结论8 2 6 2 展望8 3 参考文献8 4 致 射8 7 攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况8 8 i i i 第一章绪论 1 1 大跨度铁路钢桁梁斜拉桥 斜拉桥是由斜拉索、加劲梁和桥塔构成的组合体系结构，它是种桥面体系 以加劲梁受压( 密索体系) 或受弯( 稀索体系) ，支承体系以斜拉索受拉、桥塔受压 为主的桥梁。斜拉桥以跨越能力大、对建桥环境的适应性强以及因构件组合的灵 活性而能充分发挥设计者的想像力和创造力，近半个世纪在世界各国得到迅速发 展，跨度不断增加n 1 。目前，世界上跨度最大的斜拉桥为我国的苏通长江大桥， 主跨达1 0 8 8 m 。 现在世界上已有各种斜拉桥达3 0 0 多座，但铁路斜拉桥很少，绝大部分为公 路斜拉桥m 1 。铁路斜拉桥发展相对缓慢，目前真正的铁路专用斜拉桥国内只有 一座红水河大桥，而此桥主跨只有9 6 m ，公铁两用斜拉桥也不多，只在最近十多 年里得到了较快的发展。铁路设计活载与公路设计活载相比要大很多，铁路专用 斜拉桥活载在整个荷载中所占比例高，活载应力比重大，因而疲劳问题较为突出。 斜拉桥本身属于柔性结构，斜拉桥结构应用于铁路，由于铁路列车活载大、运行 速度高及列车运行稳定性和旅客舒适性要求高等特点，要求结构除具备合理的结 构受力体系，较好的抗风、抗震性能外，还需要具有较大的竖、横向刚度，而往 往是结构刚度控制设计。铁路斜拉桥为满足刚度要求需要主梁有较大的截面刚度 一般的双线铁路满足铁道构造要求所需的桥梁宽度较窄，为满足横向刚度的要 求，往往要在行车所需净宽基础上增加桥梁宽度。采用混凝土主梁时，恒载较大， 当跨度较大时，满足刚度要求后的主梁很宽、很大，恒载的应力很大，技术难度 很大。主梁采用钢桁梁时，适用的跨度范围较大，钢桁梁按双线高速铁路行车净 空考虑，其桁宽一般仅需1 4 m 左右，这一桁宽要满足横向刚度要求所能适应的 斜拉桥跨度是有限的。但其桁高、桁宽可随跨度、受力变化较方便地调整，以满 足强度及刚度方面的要求，桁宽、桁高增加虽会引起材料数量的增加，但所引起 重量的增加是有限的，远小于混凝土梁高、宽变化引起重量变化的幅度，为提高 钢桁梁的刚度，桥面采用正交异性钢桥面板与主桁结构共同受力，这种构造受力 合理且可减轻桥面重量m 】。 公铁两用斜拉桥与单建铁路斜拉桥相比，主梁增加了公路桥面的荷载重量， 而公路汽车活载的增加较之铁路列车活载是有限的，这就使得主梁恒载与活载比 值提高了，公铁两用斜拉桥更容易满足铁路对刚度的要求。其机理在于，随恒载 增加，斜拉索用量相应增加，体系刚度随之提高，公路桥面地加入增加了主梁的 截面刚度，对减小挠度也有一定影响，虽然增加了公路汽车活载，但其不利影响 不及上述有利影响。公铁两用斜拉桥比单建铁路斜拉桥经济，但也要公路与铁路 的建设时间、及线路布局上协调起来才能实现。国内外建成的大跨度铁路斜拉桥 大都为公铁两用斜拉桥，主梁也大都为钢桁梁或钢桁与桥面板结合的结合钢桁 梁。1 9 8 8 年日本先后建成世界著名的岩黑岛桥和柜石桥岛桥( 主跨4 2 0 m ) 两座 公铁两用钢桁梁斜拉桥。2 0 0 0 年我国建成的芜湖长江大桥( 主跨3 1 2 m ) 为矮塔 斜拉公铁两用大桥，主梁为钢筋混凝土桥面板与钢桁梁结合的共同受力的结合钢 桁梁。2 0 0 0 年建成的丹麦厄勒海峡桥主桥为主跨4 9 0 m 的公铁两用斜拉桥，主梁 采用钢桁梁，下层铁路桥面板为与下弦杆结合的闭合钢箱梁。钢桁梁斜拉桥中的 钢桁梁一般采用与钢或混凝土桥面结合的形式，形成板桁组合体系，以有效地增 大竖向、横向及抗扭刚度，但受力也更加复杂。近年来，铁路建设的发展很快， 跨越各大水系时由于通航的要求，往往需以较大的跨度跨越，而斜拉桥将是一个 很好选择。 以下介绍国内外几座代表性的大跨度钢桁梁铁路斜拉桥： ( 1 ) 日本柜石岛岩黑岛公铁两用斜拉桥 1 9 8 8 年建成的柜石岛大桥和岩黑岛大桥是日本本州四国联络线上的公铁两 用桥。这两座桥的上部结构完全相同，为( 1 8 5 + 4 2 0 + 1 8 5 ) m 钢桁梁斜拉桥，主桁 梁为有竖杆的三角形桁架，桁宽为2 7 5 m ，桁高为1 3 9 m 。上层公路桥面为结合 钢桥面板结构( 钢正交异性板上加混凝土板与主桁上弦杆结合) ，下层铁路桥面 为纵横梁明桥面体系，主塔为框架式钢塔嘲。图1 1 为日本柜石岛岩黑岛大桥。 ；卜誓是_ 刊：；篇；jp ? ：；0 锄 嘞横截面 岩黑岛公铁两用斜拉桥 ( 2 ) 丹麦厄勒海峡大桥 丹麦厄勒海峡大桥主桥为主跨4 9 0 m 的公铁两用斜拉桥，主梁为钢桁梁，上 层公路桥面板横向固定在钢桁梁上，下层铁路桥面板为闭合钢箱梁。钢桥面板和 主桁下弦杆直接焊接在一起，上面铺设道碴，两线铁路之间设置挡碴板。钢桁梁 腹杆倾斜角度约3 0 。和6 0 。，以使斜杆倾角和斜拉索倾角相匹配。斜拉索被锚 固在与桁架斜杆倾角相同的外伸支架上m 们。图1 2 为厄勒海峡桥主桥。 2 您 ，骢，一一 ( b ) 主桥横截面 图l - 2 厄勒海峡桥主桥 ( 3 ) 芜湖公铁两用长江大桥 我国2 0 0 0 年建成通车的芜湖公铁两用长江大桥是一座矮塔斜拉桥。该桥跨 度为( 1 8 0 + 3 1 2 + 1 8 0 ) n l ，主粱为钢桁梁，“n 形桁架，桁宽1 2 5 m ，桁高1 3 5 m ， 节间长1 2 m ，上层公路桥面采用混凝土桥面板和主桁相结合共同作用的板桁组合 结构，有利于降低桁高，提高桥梁刚度，节省钢材，改善公路路面行车条件( 减 少了公路桥面伸缩缝的数量) 和降低工程造价，下层铁路桥面采用传统的纵横体 系。芜湖长江大桥采用了1 4 m n n b q 钢焊整体节点，厚板焊接，板桁结合等多项新 技术，是我国桥梁建设史上的一座标志性工程n 卜捌。图1 - 3 为芜湖公铁两用长江 大桥。 3 图1 - 3 芜湖公铁两用长江大桥 ( 4 ) 武汉天兴洲公铁两用长江大桥 2 0 0 9 年建成的武汉天兴洲长江大桥是我国第座跨长江的客运专线公铁两 用特大桥。主桥为( 9 8 + 1 9 6 + 5 0 4 + 1 9 6 + 9 8 ) m 双塔三索面三主桁斜拉桥，上下分两 层，上层为6 车道公路，全宽2 7 m ，下层为4 线铁路，两线客运专线，两线i 级 铁路干线。主梁为板桁结合钢桁梁，n 形桁架，三片主桁，三片主桁间距1 5 米， 总桁宽3 0 m ，桁高1 5 2 m ，节间长度1 4 m 。斜拉索下端锚固于主桁上弦节点。公 路桥面在梁端1 6 8 m 范围内采用0 2 6 m 厚混凝土板通过剪力栓钉与主桁上弦及公 路纵、横梁连为一体共同受力，其余区段采用正交异性板与主桁上弦杆结合。铁 路桥面采用纵、横梁体系，道碴桥面，道碴槽板通过剪力栓钉与铁路纵梁结合。 该桥是我国武广客运专线上的关键工程，设计行车速度为2 0 0 k m h ，也是我国第 一座下承式钢一混凝土结合有碴铁路桥面斜拉桥口3 1 钔。图l - 4 为武汉天兴洲公铁 两用长江大桥。 ( a ) 全景 4 ( b ) 王梁横断面( 单位：m m ) 图l _ 4 武汉天兴洲公铁两用长江大桥 ( 5 ) 郑州黄河公铁两用大桥 京广高速铁路郑州黄河公铁两用大桥主桥为( 1 2 0 + 5 1 6 8 + 1 2 0 ) m 的六塔连 续钢桁结合梁斜拉桥。主桁采用无竖杆的三角形桁式，桁高1 4 m ，节间距1 2 m ， 横向布置为三片桁，中桁垂直，边桁倾斜，下弦桁间距8 5 m ，桁宽1 7 m ，上弦 桁间距1 2 m ，桁宽2 4 m 。钢桁梁上弦杆与混凝土桥面板结合形成公路结合桥面， 下层铁路桥面为正交异性整体钢桥面板。主塔为钢箱结构，纵桥向为“人 字形 布置，设置在中桁n 射。图1 5 为郑州黄河公铁两用大桥。 堋1 i 卢i _l 】i 恤1jy 1 i 一一 一 v 、。弓秦，、，、，。天荚弧、。，。；泰。一乏泰；一 ( a ) 全桥立面图 嘞主梁横断面( 单位：c m ) 图i - 5 郑州黄河公铁两用大桥 5 1 2 铁路钢桥桥面结构形式介绍 桥面系由桥面板和桥面系梁组成。桥面板直接承受活载，而桥面系梁具有把 桥面板上的荷载传递给主梁的作用。国内已建成的普通铁路钢桁梁桥，如武汉长 江大桥、南京长江大桥等大多采用纵、横梁明桥面搁置枕木的结构形式，构造简 单，施工便捷，杆件易于更换。但由于纵梁参与主桁弦杆的共同作用，为减小横 梁的侧向弯矩，铁路规范规定超过8 0 m 的简支梁必须设置伸缩纵梁。若设置伸 缩纵梁，桥面的刚度减小，对高速行车不利。列车在明桥面上行驶时，噪音大， 且由于桥面刚度和质量较小，行车速度受到限制，目前最大行车速度控制在 1 4 0 k m h 以下。对于列车高速行驶的铁路桥梁，明桥面的结构形式显然不能满足 行车要求吣刎。 高速铁路桥梁桥面结构必须具有可靠的受力性能，足够的竖向、侧向和扭转 刚度，同时还须具备一定质量和阻尼减小车桥的振动响应，才能满足高速行车安 全与舒适的要求。国内外已建和在建高速铁路钢桥桥面结构，大致可分为混凝土 道碴板桥面结构、混凝土整体桥面结构和正交异性整体钢桥面结构乜旧1 。 1 2 1 混凝土道碴槽板桥面结构 混凝土道碴槽板结构为混凝土板较主桁中心距窄，置于钢纵、横梁组成的格 子梁之上，起道碴槽板的作用，多用于下承式钢桁梁桥或下承式系杆拱桥乜蝴1 。 根据混凝土板与钢纵、横梁的联结方式可分为二种： ( 1 ) 混凝土道碴板简支在钢纵、横梁上，不与钢纵、横梁连接。桥面板仅 作为道碴桥面的载体并按横向板计算，不参与钢纵横梁和钢桁梁的整体受力。该 处理方式在结合桁梁出现的早期应用较多，日本自1 9 7 2 年在奈良线上的木津川 桥上采用了混凝土道碴板桥面后，陆续设计了多座该类型桥梁，采用这种结构形 式的初衷是降低列车噪声船引。 ( 2 ) 混凝土道碴板与钢纵、横梁结合，但不与主桁结合，有专家称这种混 凝土道碴板结构为“钢桁混凝土板半结合桥面”。这种结构形式一般只在主桁节 点处设横梁，全部桥面荷载均通过横梁传递给主桁节点。横梁除竖向弯曲外，因， 受主桁整体变形影响，还产生面外弯曲。与结构形式( 1 ) 相比，结构的整体刚度 有较大改善。这种结构形式在国外采用较多。 混凝土道碴槽板这种桥面结构构造简单，受力明确。主桁下弦杆或系梁只受 结点荷载作用，与明桥面结构类似。由于有了混凝土板，桥梁的刚度和阻尼增大， 动力性能比明桥面好得多，噪声也大为减少。2 0 0 0 年建成的丹麦厄勒海峡公铁 两用大桥( o r e s u n d b d d g e ) z j 桥采用混凝土道碴槽板桥面结构，下层铁路钢桥面系 无纵梁，只有横梁，混凝土道碴槽板通过剪力钉和钢横梁结合在一起共同受力阳】。 2 0 0 9 年建成的武汉天兴洲公铁两用长江大桥也采用了混凝土道碴板桥面结构。 6 该桥主桥为9 8 + 1 9 6 + 5 0 4 + 1 9 6 + 9 8 m 双塔三索面三主桁斜拉桥，铁路桥面系采用纵 横梁体系，道碴槽板桥面。铁路纵梁为“工形截面，高1 7 米，上翼缘焊有剪 力钉与混凝土道碴槽板相连。每线铁路下设两片纵梁，间距2 米。只在结点处设 横梁，铁路横梁为“工形截面，高2 7 米，不与道碴板结合n 纠射。 1 2 2 整体混凝土桥面结构 混凝土整体桥面结构中混凝土板不仅与纵横梁相结合，而且也与下弦杆或系 梁相结合，起道碴槽板的作用，同时也参与主桁共同受力。混凝土桥面板和主桁 下弦杆的结合方式又分为两种： ( 1 ) 桥面板只在节点处与下弦杆结合。这种结构大多采用钢纵、横梁体系， 横梁较下弦杆高，混凝土桥面板底比下弦杆上翼缘高，两者有几十公分的高差。 所以在混凝土桥面板边缘下侧设置边梁，边梁正好在下弦杆的上方，结点处向下 斜向伸出一个脚，紧靠结点撑在下弦杆上。这样混凝土桥面板与主桁连成一体， 整体性较好，刚度大，而主桁又只受节点荷载作用，受力明确。北陆新干线的千 曲川桥、犀川桥，法国高速铁路( t o v ) 的拉德尔桥、g a r d e a d h d m a r 桥等采用了 这种桥面系结构形式田刮。 ( 2 ) 桥面板与整个下弦杆相结合。一般都采用多横梁体系或密布横梁体系， 即除节点处有横梁外，每节间还有多道横梁。这些横梁与下弦杆或系梁相连，横 梁较多较矮，一般不设纵梁。当横梁与下弦杆上翼缘处于同一水平面上时，则横 梁和下弦( 或系梁) 直接与混凝土板结合，形成整体桥面。当下弦杆或系梁顶面 高于横梁时，则在下弦杆腹板于横梁顶面高度处伸出一翼缘打上栓钉，与混凝土 板结合。这种桥面整体性很好，刚度很大，下弦杆或系梁除受节点荷载外，在节 间还受竖向荷载作用引起的竖向弯曲和少许扭转，受力较复杂，所以下弦杆或系 梁都较粗壮。在法国、德国和我国台湾高速铁路上的一些下承式钢桁梁桥或钢系 杆拱桥等地方采用这种桥面系结构形式哪! 。 1 2 3 正交异性整体钢桥面结构 正交异性板整体钢桥面结构由纵肋( 梁) 、横肋( 梁) 及其加劲的钢桥面板组成， 钢桥面板与下弦杆结合，在钢桥面板上铺设与其结合的混凝土板作为道碴板或整 体道床。钢桥面板的支撑体系有纵、横梁体系，不设纵梁的多横梁或密布横梁体 系和与下弦杆一起做成闭合钢箱梁。正交异性整体钢桥面结构与主桁结合，作为 主桁的一部分共同参与受力，具有自重轻、整体性好、承载能力大、行车舒适性 好的特点，一般多用于大、中跨度桥梁。 上世纪5 0 年代在欧洲开始有正交异性整体钢桥面系应用在铁路钢桥上，在 7 欧洲和日本修建了不少这种桥面结构形式的钢桥，在欧洲铁路系统内，正在使用 的这种桥梁大约有1 0 0 0 多座m 删。丹麦厄勒海峡桥主桥为主跨4 9 0 m 的公铁两用 斜拉桥，主梁为钢桁梁，其下层铁路整体桥面采用闭合钢箱梁，钢箱梁和主桁下 弦杆直接焊接在一起上，面铺设道碴，两线铁路之间设置挡碴板嘲。日本新干线 上修建了多座下弦杆和钢桥面板结合的低高度下承式钢桁桥。这种桥梁不设纵 梁，除主桁节点处设横梁外，节间中间也设横梁，双线铁路横梁间距约2 2 5 m ， 钢桥面板和主桁下弦杆直接连接m 1 。 我国铁路桥梁采用正交异性板钢桥面技术起步较晚，但发展很快，目前在大 跨度和高速铁路桥梁中得到广泛的应用。我国京沪高速铁路上的南京大胜关长江 大桥，主桥为( 1 0 8 + 1 9 2 + 3 3 6 + 3 3 6 + 1 9 2 + 1 0 8 ) m 六跨连续整体桥面三主桁钢桁拱桥， 桥面采用由正交异性钢桥面板和主桁的下弦杆焊连在一起的整体钢桥面结构，整 体钢桥面板采用多横梁体系，顺桥向每节间设置3 根节间横梁，节点横梁在主桁 节点处与主桁连接，节间横梁与主桁下弦杆焊连，每线铁路下方设置两根小纵梁， 图1 - 6 为南京大胜关长江大桥结构图。新广州站东平水道桥主桥为( 9 9 + 2 4 2 + 9 9 ) m 三跨连续钢桁梁拱桥，采用与南京大胜关长江大桥相同的桥面结构形式。京沪 高速铁路上的济南黄河大桥、京广客运专线郑州黄河公铁两用大桥等均采用正交 异性整体钢桥面结构。正交异性整体钢桥面结构在大跨度铁路钢桥中的应用成为 了一种趋势骆髑】。 图1 - 6南京大胜关长江大桥正交异性板整体钢桥面结构图 1 3 工程背景简介 某新建铁路跨长江大桥主桥设计为( 8 l + 1 3 5 + 4 3 2 + 1 3 5 + 8 1 ) m 五跨两塔连续钢 桁梁斜拉桥，全长8 6 4 m ，主梁为钢桁梁，采用正交异性板整体钢桥面结构。该 桥设计为通行两线铁路i 级干线，列车通行设计速度为2 0 0 k m h 。该桥立面图见 图1 - 7 。 图1 - 7 立面图 下面从主梁、桥面系、斜拉索和主塔等几个方面介绍该桥。 l 、斜拉桥主梁为钢桁梁，由两片n 形桁架组成，桁宽1 8 m ，桁高1 4 m ，节 间距为1 3 5 m 。钢梁主结构的钢材材质采用q 3 7 0 q e ，联结系采用q 3 4 5 q d 。主桁 上、下弦杆均为箱型截面，上弦杆内高1 3 0 0 m m ，内宽1 0 0 0 r a m ，板厚2 0 - - - 4 0 m m 。 下弦杆内高1 4 0 0 m m ，内宽1 0 0 0 m m ，板厚2 0 - - 4 4 m m 。下弦杆顶板向桁内侧加宽 4 0 0 m m 与整体桥面板焊接。腹杆采用h 型、箱形截面，杆件宽1 0 0 0 m m ，高7 6 0 r a m ， 板厚3 2 4 0 m m 。根据不同的受力区段选用不同的杆件截面，在辅助墩附近的压 重区梁段，腹杆采用箱型截面杆件。 2 、桥面系采用由正交异性钢桥面板和主桁下弦杆焊连在一起的整体钢桥面 结构。整体钢桥面采用多横梁体系，主桥起点和终点处各设一道端横梁，顺桥向 每节间设置l 根主横梁和3 根次横梁，主横梁在主桁节点处和主桁连接，次横梁 与主桁下弦杆焊连。桥面横桥向宽度为1 8 m ，桥上通行两线铁路，每线铁路下方 各设两根倒t 形纵梁。钢桥面板板厚1 6 m m ，纵向采用8 m m 厚u 型加劲肋，其 横桥向的肋间距主要为6 0 0 r a m 。 3 、主塔采用花瓶形( 折线h 形) 的钢筋混凝土结构，空心矩形截面，中间 设两道横梁。两道横梁把塔柱分为上、中、下三部分。上塔柱为斜拉索的锚固区， 高5 6 m ，顺桥向长7 5 m ，横桥向宽5 m ；中塔柱高6 4 m ；左侧主塔下塔柱高5 5 m ， 右侧主塔下塔柱高6 0 m 。斜拉索采用双索面扇形布置，梁上间距1 3 5 m ，全桥共 计1 1 2 根。锚固点一端设在上弦杆节点处，另一端锚固在主塔上部的箱梁内。主 桁横断面见图1 8 ，各杆件编号见图1 - 9 。 9 图卜8 主桁横断面布置图( 单位：c m ) 近年国内外修建了几座大跨度的铁路斜拉桥，但都为公铁两用斜拉桥，如武 汉天兴洲长江大桥，丹麦厄勒海峡大桥。建成的纯铁路斜拉桥很少，国内只有一 座广西红河铁路斜拉桥，主跨为9 6 m ，国外纯铁路斜拉桥的实例也很少，且跨度 都不大，列车通行速度不高侧。而该新建铁路跨长江大桥为双线铁路专用斜拉桥， 主跨为4 3 2 m ，列车通行设计速度达2 0 0 k m h ，国内外还没有建成这种大跨度、 高设计时速的铁路专用斜拉桥。 蜱笋( 八八八八八八v飧彬纠纠n t o“西口 。羔一。 “ 凸 。爪。 c 7 口四 口 蛳 ”9 四m = o 呷”3 - ”。- 八 p * h d l m 一 n - 戢 1 2 上千联( 过辟) - 1 丐n矗c i )m巾mo口 如 阅凇似汉闪 oo oo口 。口o o o w ? 。 q i 一心缝i l 平i ( 连膏) 芦鼠芒掣5 0 0 一 怪 i | ii | | 1 i l i l i li【i i i iijii【i ij【1iiil 一一+ + + 叫一l _ + _ 一p + - 4 + 一 - b - q - 4 - - q - 一p + 1 + - 廿1 一+ 一十一p + _ 卜p h 。 斗 一卜- + 叫一h b - - + - 4 + f h h 一1 斗 十h h h l】in i j】lininilinnni【iiiiilinlilninllnniiiiijii 、l l il ；il 爿l 一一， 一 p 川5 i i - 蜘i l p 蚰i ip 坤i 瑚5 l删l 6 呲 _ 6 ( a ) 边跨 l o 心挚( 主帕 厂 蝴 蝴 、a 卜卜j口妒弋。n 。n 。 爪o n 7 啪oa 9o啦0翻固融国叫0出口瞄口哺。凹。强国礴固鼬。 四0q i l “1 5 h _ 柚 ( b ) 中跨 图1 - 9 主桁及桥面系构造及各杆件编号图 1 4 论文主要研究内容 本文以某新建大跨度双线铁路钢桁梁斜拉桥为工程背景，对该桥的整体受力 性能及道碴桥面的特点进行了研究，具体研究的内容如下： l 、采用了整体分析的空间板梁法，建立全桥空间有限元模型以模拟桥梁的 真实受力状况，分析其在恒载、最不利活载作用下全桥各构件内力及应力，明确 全桥的受力性能。 2 、分析在温度、风荷载等附加力作用下全桥各构件内力及应力，并对其进 行最不利荷载组合作用下的分析，明确全桥的受力性能。 3 、对混凝土道碴槽板的受力性能进行分析，对混凝土道碴槽板是否设置断 缝进行了对比研究，对混凝土板合理浇注顺序进行研究。 4 、讨论了是否考虑混凝土道碴槽板的抗力对主桁及桥面系受力状况的影响， 讨论取不同宽度、厚度的混凝土板对桥梁受力性能及桥梁刚度的影响。 第二章主力作用下的受力性能研究 2 1 板桁组合结构的计算方法研究 正交异性钢桥面板与主桁下弦杆结合，形成板桁组合结构，桥面系参与主桁 整体受力，主桁及桥面系结构受力复杂。这种板桁组合结构的整体桥面系的模拟 成为一个重点和难点，综合国内外学者的研究成果，可以主要分为平面分析方法 和空间分析方法。以下对二种方法进行介绍。 2 1 1 平面分析方法 平面分析方法是将板桁空间结构分解为平面桁架计算，将板桁组合结构的桥 面板被视为下弦杆的一部分，进行主桁面内受力特性分析。因为桥面板中有剪力 滞后效应，所以这种分析方法的关键是合理确定桥面板的有效宽度。伊藤学、浦 田昭典、福田武雄等研究了桥面板有效宽度的计算方法m 1 。林国雄在此基础上将 板桁组合结构分成三个受力系统，这三个系统是h ： 作为主桁结构部分的轴向应力和弯曲应力； 由桥面板纵肋、横肋构成的正交异性板的弯曲应力； 直接承受活载的桥面板的弯曲应力。 分别计算各系统的应力然后叠加，其中在第一系统计算时，推导出有悬臂桥 面板时分别计算纵梁弯曲应力、节点刚性次应力和截面偏心弯矩应力的有效宽度 公式。 大桥工程局桥梁科学研究院在研究板桁组合结构斜拉桥的受力特性时，研究 了板桁结构的平面杆系有限元分析方法。其主要做法是将混凝土桥面板按有效宽 度折算为弦杆的一部分，或将混凝土桥面板换算成独立的平面梁元，并将其与弦 杆用短弹性梁元连接h 别。 平面分析方法计算简便，得出过不少有用结果但这类方法不能反映桥梁结 构空间工作，不能计算竖向偏载、横向荷载对桥梁结构的作用，不便于完全模拟 各种情况下弯曲应力沿桥面板横向分布的实际情况，无法考虑桥面板的局部弯 曲，亦不能考虑桥面板材料非线性的影响。 将一个复杂的空间结构分解为平面问题，需要解决如下问题删： ( 1 ) 桥面荷载的纵向分配问题； ( 2 ) 桥面荷载的横向分配问题； ( 3 ) 下弦杆的有效宽度问题。 1 2 2 1 2 空间分析方法 板桁结构的空间分析一般采用空间有限元模拟计算，可以分为空间杆系结构 法( s p a c ef r a m e m o d e l ) 、空间板梁单元法( s p a c ep l a t e - b e a mm o d e l ) 和全空间 板壳单元法。 空间杆系结构法( s p a c ef r a m em o d e l ) 是将主桁及桥面系构件都简化成空间 梁单元，桥面板按有效宽度等效到各桥面系构件和下弦杆中，将实际桥梁复杂的 空间板件结构简化成空间杆系结构来进行有限元分析。由简化的空间杆系结构计 算得到的位移可直接作为原结构的位移，对非桥面系杆件，如斜杆、竖杆和上平 联等可直接利用其内力和截面特性计算应力；而对于桥面系杆件的应力，由于“剪 力滞后 的影响，原结构的桥面系杆件钢桥面板应力的分布与简化的空间杆系结 构的分布有所不同，必须通过考虑桥面系杆件钢桥面板的有效宽度的方法，来求 原结构中桥面系杆件的最大应力。这种方法计算简便，且能考虑桥梁的空间效应， 但与平面分析法一样，如何合理确