福厦铁路钢箱系杆拱桥设计构思与研究

福厦铁路钢箱系杆拱桥设计构思与研究

郭建勋,袁　明,陈　列,艾智能

(铁道第二勘察设计院,四川成都610031)

摘　要:采用有限元方法,对钢系杆拱各种矢跨比、拱梁刚度比、拱肋平面倾角、吊杆及其他主

要杆件截面形式、主桁中心距、横向连接、桥面形式等进行计算,得出不同结构参数下的钢系杆拱的优缺点,提出了适合于福厦铁路实际情况的合理结构形式和设计参数。

关键词:铁路桥;钢箱系杆拱桥;桥梁设计;研究中图分类号:U448.13;U448.225

文献标识码:A

Design Consideration and R esearch of Steel Box Tied Arch B ridge on Fuzhou 2Xiamen R ail w ay

GUO J ia n 2xun ,Y UAN Ming ,C H EN L ie ,AI Zhi 2neng

(The 2nd Survey and Design Institute of China Railways ,Chengdu 610031,China )

Abstract :The finite element met hod is used to make calculation of various rise/span ratios ,arch/beam rigidity ratios ,arch rib plane inclination angles ,sectional shapes of hangers and ot her primary element s ,c/c distances of main trusses ,lateral connection and deck types of t he steel box tied arch bridge.The advantages and disadvantages of t he steel box tied arch bridge wit h dif 2ferent st ruct ural parameters are obtained and rational struct ural form and design parameters of t he arch bridge adaptable to t he specific conditions of Fuzhou 2Xiamen Railway are p ut forward.

K ey w ords :railway bridge ;steel box tied arch bridge ;bridge design ;research

收稿日期:2006-10-08

作者简介:郭建勋(1969-),男,高级工程师,1993年毕业于长沙铁道学院桥梁工程专业,工学学士。

1　引　言

钢系杆拱桥相对于梁式桥具有结构高度小、跨

越能力强、外形美观的独特优势。在客货共线铁路福厦线的建设中,为了跨越高速公路多处选用了钢系杆拱。系杆拱主要有具有竖直吊杆的兰格尔拱、洛泽拱及相应形式的尼尔森体系,结合福厦铁路的实际情况选用了跨度为128m 的洛泽拱,介绍其结构形式的构思与部分研究结果。2　结构形式研究2.1　矢跨比

我国铁路拱桥矢跨比一般在1/3～1/7之间,为了确定合适的矢跨比,计算了1/6～1/5、1/4多种矢跨比情况。计算结果表明,矢跨比由1/6向1/4变

化的过程中,矢跨比越大,梁与拱同向横弯频率和反对称竖弯频率越小,刚度越弱,但梁拱对称上拱频率

增大,刚度增强,使得活载挠度减小;拱肋和系梁的轴力都趋于减小,二者拱脚处的弯矩基本不变,跨中处的弯矩有所减小;全桥质量不断增加,但变化幅度较小;结构的空间失稳形态以面外的失稳为主,随着矢跨比的增大,结构的空间稳定系数呈变小趋势。综合以上分析,拱桥的矢跨比f /L 值对于拱的用钢量有很大关系。通常f /L 越小就越容易做得美观,由挠度所产生的附加应力变大;f /L 越大用钢量会增加,横向稳定不良,由拱水平位移所产生的附加应力也变大,考虑施工的难度及主拱外形,矢跨比取1/5.3左右比较合适。2.2　拱肋、系梁刚度比

根据拱肋与系梁的相对刚度比不同划分为:柔

性系杆刚性拱、刚性系杆柔性拱、刚性系杆刚性拱。对于中等跨径而言,采用刚性系杆刚性拱体系较为合适,一般认为拱梁刚度比为1/80～80时,就是刚性系杆刚性拱。由于刚性系杆刚性拱的刚度大,选择施工方案的余地较大,施工时的吊装和稳定性也易保证。

为了研究系杆拱结构不同拱梁刚度比的受力特性变化规律,在单位线荷载作用下,保证其他参数不变的情况下分别对拱梁刚度比在1/10～10进行计算分析,结果见图1。由图1可知,拱梁刚度比的变化对弯矩的影响比对轴力影响明显,对拱肋弯矩的影响也要比对系梁弯矩的影响明显,并且当拱梁刚度比达到1/2前后拱肋、系梁的轴力及弯矩发生明显变化。拱肋为受压构件,理论上应使其弯矩越小越好,但从构造上看,系梁与拱肋的拱梁刚度比取得过小或过大时,构造上均不易处理。因此拱梁刚度比值应该取在1/2左右,系梁与拱肋的弯矩分配较均匀,受力较合理,并且在构造上容易处理,外形尺寸协调美观

。

图1　轴力、弯矩与拱梁刚度比关系曲线

2.3　拱肋倾角

提篮拱就是将平行拱肋向桥梁轴线方向倾斜,甚至在拱顶合龙,形成空间上的拱式结构,它能改善平行拱的结构特性,增强横向稳定性,能有效解决施工中的面外稳定问题,同时提篮拱的形式极富美学价值。通过对0～16°共9种拱肋内倾角度的空间稳定性和动力特性进行分析计算,得出结构稳定系数、动力特性随内倾角变化曲线,见图2

。

图2　稳定系数、动力特性随内倾角变化曲线

从图2可以看出:随着拱肋内倾角的变化,结构的横向稳定系数呈变大的趋势。当内倾角在0～10°之间变化时,横向稳定系数是随内倾角的增加而变大的;当内倾角超过10°后,横向稳定系数反而有所下降,失稳形态也发生了变化。内倾角对横向基频和扭转基频有着明显影响,尤其是横向基频更为明显,对竖向基频没有太大的影响,内倾角在10°左右,横向基频已明显提高,而扭转基频下降不多。

因此,内倾角取值在10°左右时,结构的稳定性和动力特性较优。但是,提篮拱随着倾角的增加,会使桥面宽度增加,下部结构及梁部工程数量也相应增加,同时拱肋的倾斜也会给施工带来困难,结合福厦铁路实际工程情况还是采用平行拱肋为宜。2.4　吊杆形式

吊杆可采用柔性和刚性,通过计算比较吊杆无论采用刚性还是柔性,拱肋和系梁的受力情况、竖向刚度基本不受影响。刚性吊杆时吊杆中应力增量要略大于柔性吊杆;二者的失稳形态都以面外失稳为主,但刚性吊杆时结构的整体稳定系数要比柔性吊杆时大,且两者在失稳形态上存在很大的不同;刚性吊杆和柔性吊杆对结构的竖向基频没有明显影响,但对结构横向基频的影响刚性吊杆要高于柔性吊杆。刚性吊杆与拱肋、系梁的连接更简单、成熟、可靠,并能适应多种施工方法,运营后维修也更方便,因此结合福厦铁路具体情况选用刚性吊杆。通过对竖直吊杆、斜吊杆、网状吊杆(尼尔森体系)3种刚性吊杆的计算比较,得出以下几点结论:3

种吊杆布置形式下系杆拱桥的横向刚度及桥面系的横向挠度基本相同,但斜吊杆和网状吊杆对全桥的竖向刚度有很大的提高;竖直吊杆、斜吊杆、网状吊杆的整体稳定性、动力特性明显变好,当然用钢量也呈递增趋势;3种吊杆形式下吊杆应力水平基本相当,但斜吊杆和网状吊杆形式下吊杆应力中的弯曲应力较小。竖直吊杆在满足各项要求的前提下,具有简洁、制造安装方便的优势。2.5　拱肋、系梁截面型式及横向中心距

拱肋、系梁横向中心距的选用要考虑很多要素,一般来说,距离越大,只要横向连接够强,整体横向刚度就越大,但过大桁宽会增加横梁的尺寸,增加用钢。结合福厦铁路实际,考虑曲线的影响、运梁车和架桥机过桥因素及拱肋、系梁横向外廓尺寸,拱肋、系梁横向中心距采用16.0m为宜。

2.6　拱肋、系梁横向连接形式

拱肋、系梁横向连接包括拱肋间横撑、K撑,系梁间横梁、下平联斜撑,桥面钢板或混凝土。为满足梁部横向及竖向自振频率、竖向及水平挠度、杆件应力,同时尽量减少用钢的原则,对拱肋横撑根数及位置、纵横梁上是否铺设钢板、下平联是否设斜撑,是否设K撑等进行计算比较,得出以下结论:

(1)拱肋横撑采用箱形截面横向连接更强,端横梁及中间横梁采用箱形截面对横向、抗扭、抗弯刚度有利,也是为了满足变形及强度要求。

(2)在靠近拱脚处由于有端横梁,其对拱肋起到了一定“钳制”作用,因此越靠近拱脚处2片拱肋整体联系越强,越靠近跨中越弱,稳定性越差,故加强跨中横向联系对提高结构的整体稳定性有较明显的效果。

(3)桥面系设下平联斜撑,拱肋设K撑,对增加横向刚度作用很大,其中桥面系设斜撑作用尤其明显。

(4)当桥面系设下平联斜撑,即桥面横向连接足够时,拱肋是否设K撑,对增加整体横向刚度已不明显,特别是拱顶附近是否设K撑,或横撑道数多少,对整体横向刚度的提高更是微弱。

(5)纵横梁上设置钢板,考虑其对刚度的贡献,对增加横向刚度作用很大,比桥面系设斜撑大。主要原因是桥面钢板对桥面各节点的约束作用增强。

(6)当纵横梁上设置钢板后,考虑其对刚度的贡献,桥面横向刚度已足够,拱肋横向刚度则变为控制因素,再在桥面系设下平联斜撑,其对横向刚度的贡献变得不再明显。

总之,钢桥面板方案或钢混结合梁方案设下平联斜撑,都对横向刚度的贡献明显,采用任一方法均可满足刚度要求。拱肋设9道横撑,2对K撑,两系梁内侧设2根端横梁、13根主横梁、42根次横梁,是比较理想的横向联系形式。

2.7　桥面形式

桥面形式设计通常有2种方案,即结合梁方案和钢桥面板方案。下面给出2种方案的设计断面及优缺点。

2.7.1　结合梁方案

结合梁桥面通常包括横梁、纵梁和混凝土桥面板。横梁一般由吊杆支承,而纵梁则是以横梁为支点的弹性支承连续梁。纵梁主要作用是传递纵向力和将桥面竖向力分摊传递到横梁上。纵梁与横梁连接复杂,特别是H形纵梁与箱形横梁间的连接就更加复杂。为了使结构简洁、传力简单顺畅、连接简单,可取消纵梁,加密横梁。取消纵梁后,纵向力可以通过桥面混凝土传递给横梁。横梁为箱形截面,自身能承受顺桥向力,同时通过横梁与系梁连接的节点板,将纵向力传至系梁,从而取代纵梁传递纵向力的作用;另一方面,横梁间距不大,可利用预制的预应力板及现浇的钢筋混凝土整体将桥面竖向力传递到横梁,从而取代纵梁。取消纵梁后,由于横梁密布,桥面竖向刚度沿线路方向变化均匀,变形平顺,利于高速行车。

密横梁的间距取值与桥面混凝土的厚度及受力状况关系密切,太疏会使桥面混凝土板跨距大,板厚增加,自重增大,自振频率减小,不利;太密又会增加用钢,且密横梁与系梁的连接增加。经综合计算比较,选用吊杆处设1根箱形横梁、吊杆间设3根H形横梁,各横梁上缘布置剪力钉,再铺30cm厚的C40钢筋混凝土板。结合梁方案桥面横断面见图3。2.7.2　钢桥面板方案

钢桥面板方案设计如下:桥面钢板厚16mm,下设4根倒T形纵梁,12道梯形纵肋和16道板肋;拱脚附近设2根端横梁,系梁与吊杆连接处共设13根主横梁,每个节间3根次横梁,全桥共52根次横梁,间距为2.25m;钢桥面板作为各横梁、纵梁、纵向加劲肋的上翼缘共同参与受力;桥面钢板上设防腐层、防水层及保护层,其上铺道碴。钢桥面方案桥面横断面见图4。

2.7.3　2种桥面方案比较

图3　

结合梁方案桥面横断面

图4　钢桥面板方案桥面横断面

通过计算分析,上述2种桥面形式基本上都能满足有碴轨道客货共线铁路的要求,且各有优缺点。钢混结合桥面具有噪声污染小、钢材用量相对少的优点。但是钢混结合桥面对温度荷载很敏感,温差及混凝土的收缩徐变使横梁的应力有了较大幅度的提高,并且使混凝土桥面板的拉应力增大,桥面板在拉应力反复作用下,不可避免的会产生裂缝,在一定程度上会使得整个结构的刚度降低。剪力钉和横梁

可能锈蚀,锈蚀后维修困难将会影响结构的耐久性,

因此裂缝宽度及数量控制尤为重要。

钢桥面具有结构重量小、桥面维修相对方便的优点,但钢桥面板制造、安装相对麻烦,用钢量较大。钢桥面的防腐、防水处理非常重要,由于以前国内在防腐、防水技术和材料方面没有进行系统的研究,目前正结合实际工程以及国外一些经验和新材料,进行钢桥面板防腐和防水试验研究。

综合比较,福厦铁路128m 钢系杆拱推荐采用钢桥面板方案。

3　结　论

(1)钢系杆拱的矢跨比取1/5.3左右,外观、施

工难度、钢材用量方面比较合适。

(2)钢系杆拱采用刚性拱刚性梁,拱梁刚度比

值在1/2左右,系梁与拱肋的弯矩分配较均匀,受力

较合理,且构造上容易处理,外形尺寸协调美观,选择施工方案的余地较大,施工时的吊装和稳定性也易保证。

(3)提篮拱随着倾角的增加会使桥面宽度增加,下部结构及梁部工程数量也相应增加,同时拱肋的倾斜也会给施工带来困难,结合福厦铁路实际工程情况采用平行拱肋为宜。

(4)竖直吊杆在满足各项要求的前提下,具有简洁、制造安装方便的优势。

(5)拱肋、系梁选用箱形截面更有利于提高大跨度钢桥的整体刚度,特别是横向抗弯和抗扭刚度,从而减小活载作用下的挠度及变形,保证高速铁路线路的高平顺性。

(6)钢桥面板方案或钢混结合梁方案设下平联斜撑,都对横向刚度有利,采用任一方法均可满足刚度要求。拱肋设9道横撑,2对K 撑,两系梁内侧设2根端横梁、13根主横梁、42根次横梁,是比较理想的横向联系形式。

(7)钢混结合梁桥面及钢桥面板2个方案基本

上都能满足有碴轨道客货共线铁路的要求,但考虑

到大跨度系杆拱钢混结合桥面在温差及混凝土的收缩徐变作用下,混凝土不可避免的会产生裂缝,在一定程度上会使得整个结构的刚度降低,且剪力钉和横梁一旦锈蚀维修困难,影响结构的耐久性,因此128m 钢系杆拱选用钢桥面在维修方便和耐久性方

面更有优势。

(8)钢桥面的防腐、防水试验研究正在进行中,有望取得突破性的进展。