高速铁路钢桁梁桥正交异性整体钢桥面板有效宽度的计算原则

限元分析是很方便的∞“］。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。
３８
万方数据
桥面板有纵、横梁支承方式，也有不设纵梁，而采用 多横梁或密布横梁的支承方式。国内在建的很多高 速铁路钢桁梁桥都将采用正交异性整体钢桥面系， 如武广铁路客运专线新广州站东平水道桥，主桥为 （９９＋２４２＋９９）ｍ三跨连续钢桁（拱）桥，京沪高速铁 路南京大胜关长江大桥，主桥为（１０８＋１９２＋３３６＋ ３３６＋１９２＋１０８）ｍ六跨连续钢桁（拱）桥。
ｈ一１ ４．５（６／ｚ）２］６
ｏ．０２＜∥ｚ＜ｏ．３０
【Ｏ．１５Ｚ
６／ｚ≥０．３０
（１ｂ）
式中：６为主梁腹板间距的一半或悬臂板宽度；Ｚ为
等效跨径（图４）。
卜
主粱腹板巾心线
注：Ｌｉ、Ｌ２、Ｌ３为跨径；ｃＬｌ、ｃＬ２、Ｃｂ、ｃｓｌ、ｃｓ２、ｃＬ为有效宽度；ｆ为等效跨径。
图４ 主梁等效跨径及有效宽度沿桥跨的变化
度。其中Ａ。为主梁腹板间距一半的有效宽度；Ａ：为 侧伸出部分的有效宽度；ｚ为等效跨径，简支梁的ｚ 等于其计算跨度，连续梁：跨度中央部（Ｉ）ｚ— ｏ．８Ｌ。；跨度中央部（Ⅱ）ｚ＝ｏ．６Ｌ２；中间支点Ｌ＝０．２· （Ｌ１＋Ｌｚ）。
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图６有效宽度示意
跨度中央部（Ｉ）
跨度中央部（Ⅱ）
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１一外伸翼缘；２一内翼缘；３一加劲肋面积Ａ。；４一板厚 图９剪力滞后和有效宽度示意
２高速铁路钢桁梁桥桥面系杆件的受力特点和有 效宽度的计算原则 ２．１ 桥面系杆件的受力特点
普通铁路钢桁梁桥纵横梁职桥面系的传力途径 为“桥面荷载一纵梁一横梁一主桁节点”，纵、横梁发 生竖向弯曲，下弦杆在主力作用下主要产生轴向变 形。高速铁路钢桁梁桥多采用正交异性板整体钢桥 面系，由于节间小横梁和钢桥面板与下弦杆直接相 连，桥面系受力情况较复杂，桥面荷载向主桁节点的 传力途径有多条。这种不同途径传递的荷载在桥梁 结构中产生不同的效应【５］。每节间桥面荷载的传力 途径主要有如下两条：
效）； 当６／Ｚ＞ｏ．０５时，Ａ。或Ａ：＝［１．１——２（６／ｚ）］６。 ２）中间支点部： 当６／ｚ≤ｏ．０２时，Ａ。或Ａ：＝６（全部宽度为有效）； 当６／ｚ＞０．０２时，Ａｌ或Ａ２＝［１．０６—３．２（６／ｚ）＋
４．５（６／ｚ）２］６。 ３）中间支点和跨度中央部之间： 按图７中阴影表示的直线内插来确定其有效宽
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｆｏｒｍｕｌａｅ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｄｅｃｋ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｅｅｌ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｄｅｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ ｒｏｕｔｅｓ ｏｆ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ—ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ ｂｅａｍｓ ｓｔｅｅｌ ｄｅｃｋ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｅｅｌ ｔｒｕｓｓ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｓｔｅｅｌ ｄｅｃｋ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗａｙ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｄｒａｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａｅ ｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｅｅｌ ｂｒｉｄｇｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｄｅｓ ｃａｎ ｏｎｌｙ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｐｌａｎａｒ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｅｍｂｅｒ， ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ， ｓｉｍｐｌｙ－ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｅａｍ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ａｒｅ ｎｏｔ ｆｉｔ ｆｏｒ ｍｅｍｂｅｒｓ ｏｆ ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｓｔｅｅｌ ｄｅｃｋ． ０ｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ， ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ ｍｏｎ０１ｉｔｈｉｃ ｓｔｅｅｌ ｄｅｃｋ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． ＫＥＹ ＷｏＲＤＳ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗａｙ；ｓｔｅｅｌ ｔｒｕｓｓ ｂｒｉｄｇｅ；ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｓｔｅｅｌ ｄｅｃｋ；ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗｉｄｔｈ
在钢桁梁桥设计的初期和中期，设计师主要关 心的是桥面系杆件，如主梁、纵、横梁等的受力性能。 为了确定这些杆件的截面尺寸，必须进行大量的反 复试算一修改一试算。在这两个阶段，将实际桥梁 复杂的空间板件结构（Ｓｐａｃｅ Ｐｌａｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）简化 成空间杆系结构（Ｓｐａｃｅ Ｆｒａｍｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）来进行有
工程设计
高速铁路钢桁梁桥正交异性整体 钢桥面板 有效宽度的计算原则＊
罗如登叶梅新 （中南大学土木建筑学院，长沙４１００７５）
摘要：对比现有国内外钢桥设计规范中计算钢桥面板有效宽度的计算方法和公式。分析普通铁路钢桁梁桥纵横 梁明桥面系和高速铁路钢桁粱桥正交异性整体钢桥面系传力途径和受力特点的不同。得出现有规范中的公式只 能计算平面受弯构件，如简支梁和连续梁的有效宽度，不适用于正交异性整体钢桥面系杆件的结论。在上述基础 上，提出了计算正交异性整体钢桥面板有效宽度的原则。 关键词：高速铁路；钢桁梁桥；正交异性整体钢桥面板；有效宽度
１）路径１：先纵向，后横向。
ｊｒ纵钢肋桥面板１出节点处大横梁堕旦下弦杆结点。
ｌ纵梁 ２）路径２：先横向，后纵向。
虐霎旱竺。１ｌ—塑—呻下ｒ、…弦Ｃ‘，”杆‘４塑一—下——弦’…卜杆Ｃ”Ｖ 结Ｊ…十Ｚ点”啬廿。”
１节间小横梁ｆ 尽管沿两条路径桥面荷载最终都传至下弦结
目前有些国家的钢桥设计规范中对钢桥面板的
有效宽度给出了具体计算方法和公式。
１．１ 日本《道路桥示方书》
１．１．１对于主梁
跨中截面：
ｒ６
６／Ｚ≤０．０５’。
ｃＬ＝Ｊ［１．１——２（６／ｚ）］６
ｏ．０５＜：６／ｚ＜＜ｏ．３０
Ｉｏ．１５Ｚ
６／Ｚ≥ｏ．３０
（１ａ）
中间支点截面：
ｒ６
６／Ｚ≤Ｏ．０２
． １［１．０６—３．２（６／ｚ）＋
罗如登，等：高速铁路钢桁粱桥正交异性整体钢桥面板有效宽度的计算原则
一个重要参数；４）对应于取翼缘板全宽为有效宽度 的６／Ｚ值，各个规范有所不同，美国的最大，为６／Ｚ≤ ０．２；欧洲规范最小，为６／Ｚ≤ｏ．０２；日本的居中；５） 中国规范对钢桥面板没有具体规定和计算公式，有 待进一步研究。
【－ 刍 上 刍 上刍Ｊ
和计算公式。 通过对比以上规范的计算公式可知：１）这些规
范中的有效宽度计算公式基本上都是针对简支梁和 连续梁这一类平面受弯构件的翼缘板的；２）除美国 规范外，日本和欧洲的规范均对正、负弯矩区给出了 不同的计算公式；３）这些公式都将宽跨比６／Ｚ作为
４０
万方数据
钢结构 ２００９年第５期第２４卷总第１２０期
１．１．２对于钢桥面板加劲肋
式中：６为纵肋的相邻腹板中心间距之半（计算纵肋
ｒ６
６／ｚ≤０：０２
有效宽度时），或横肋／梁的相邻腹板中心间距之半
．
１．０６—３．２（６／ｚ）＋
１ ４．５（６／ｚ）２］６
ｏ．０２＜６／ｚ＜ｏ．３０ （２）
（计算横肋／梁有效宽度时）；ｚ为等效跨径（图５）。 １．２ 日本《铁道构造物等设计标准及解说》钢桥、结
ｄ一简支横向加劲肋；ｅ一连续横向加劲肋；ｆ一悬臂横向加劲肋 注：图注同图４。
图５纵肋与横肋的等效跨径及有效宽度沿跨径的变化
１．２．１对于简支梁 ６。一Ａｌ＋Ａ２，见图６。 当６／Ｚ≤Ｏ．０５时，Ａ，或Ａ：一６（全部宽度为有效）； 当６／ｚ＞ｏ．０５时。Ａ。或Ａ：＝［１．１—２（６／ｚ）］６
１．２．２对于连续梁 ６。＝Ａ１＋Ａ２ １）跨度中央部： 当６／Ｚ≤Ｏ．０５时，Ａ。或Ａ：一６（全部宽度为有
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图７有效苋厦沿跨径的变化
１．３ 美国ＡＡＳＨＴＯ规范／美国钢结构学会《正交 异性面板钢桥设计手册》
对于主梁，如果其等效跨度大于等于主梁腹板 间距的５倍（此时６／ｚ≤ｏ．２），或者大于等于外侧主 梁腹板到主梁悬臂端部间距的１０倍。则翼板全宽度 有效，简支梁的等效跨径与主梁计算跨度相同，连续 梁的等效跨径为反弯点间的距离。如果上述条件不 满足，则应通过分析确定有效宽度。
【ｏ．１５ｚ
６／ｚ≥ｏ．３０
合桥第１篇铁路钢桥
Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｍ ２００９（５），Ｖ０１．２４。Ｎｏ．１２０
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万方数据
｛倚带 工程设计
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ａ一闭Ｌｊ加劲肋．ｂ一开ｌｊ加劲肋；ｃ一纵向加劲肋；
对于纵、横肋／梁，其桥面板的有效宽度要通过 正交异性板系统分析确定。 １．４欧洲规范３（Ｅｕｒｏｃｏｄｅ ３）：钢桥
对于连续梁，按照表ｌ给出的公式计算钢桥面 板的有效宽度。
表ｌ钢桥面板的有效宽度系数肛
蚰＝警．口ｏ＝厂丐．Ａｓ，是在６０范围内所有纵向加劲肋的面积，其他的符号见图８、罔９０
１．５ ＴＢ １０００２．２—２００５《铁路桥梁钢结构设计规范》 对钢桥面板有效宽度的计算未见到具体的规定
＊铁道部科技开发研究项目（２００４Ｇ０１６一Ｂ）。 第一作者：罗如登．男。１９７３年１２月出生，讲师，博士研究生。 Ｅｍａｉｌ：ｌｕｏｒｕｄｅｎｇ＠１６３．ｎｅｔ 收稿日期：２００８—１ｌ一０３
钢结构 ２００９年第５期第２４卷总第１２０期
罗如登，等：高速铁路钢桁粱桥正交异性整体钢桥面板有效宽度的计算原则
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［１ ３搁 置枕木的结构形式，列车在明桥面上行驶时，噪声 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１４０ ｋｍ／ｈ以下。纵 横梁明桥面系的支承方式可简单地归纳为“纵梁简 支在横梁上，横梁简支在主桁上”。对于高速铁路而 言，明桥面的结构形式显然不能满足３００～３５０ ｋｍ／ ｈ的设计行车速度的要求。高速铁路钢桁梁桥的桥 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以减小 车桥的振动响应，从而满足高速行车安全和舒适的 要求。目前国外建成的高速铁路钢桁梁桥一般为下 承式钢桁一钢桥面板组合桥，多采用正交异性板整 体钢桥面系，如日本新干线和德国ＩＣＥ高速铁路线上 的一些桥梁和丹麦的厄勒海峡桥主桥［２］，见图１一 图３。这种桥面系的钢桥面板与下弦杆直接相连，钢
ＣＡＬＣＵＬＡＴＩｏＮ ＰＲＩＮＣＩＰＬＥＳ ｏＦ ＥＦＦＥＣＴＩＶＥ ＷＩＤＴＨ ｏＦ ｏＲＴＨｏＴＲＯＰＩＣ ＭＯＮｏＬＩＴＨｌＣ ＳＴＥＥＬ ＤＥＣＫ ｏＦ ＨＩＧＨ—ＳＰＥＥＤ ＲＡＩＬＷＡＹ ＴＲＵＳＳ ＢＲＩＤＧＥＳ
ＬｕＯ Ｒｕｄｅｎｇ Ｙｅ Ｍｅｉｘｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ａｒｃ ｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅ ｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７５。Ｃｈｉｎａ）
有很大的不同，其受力特点和钢桥面板有效宽度的 计算原则都值得认真研究。
图３丹麦厄勒海峡桥主桥横截面ｍ
图１ 日本新干线下承式整体钢桥面的标准截面形式
ａ一全景ｌｂ一桥底；ｃ一桥底；ｄ一主桁节点 图２ 德国ＩｃＥ下承式整体钢桥面结合桥ｓＩＯ ｃＡＮＡＬ桥
正交异性整体钢桥面系与普通纵横梁明桥面系
ｌ 各国规范中钢桥面板有效宽度计算方法的对比