铁路波纹钢腹板PC组合梁桥与混凝土连续梁桥基本力学性能对比研究

６８２㊀«工程与建设»㊀２０１９年第３３卷第５期

收稿日期:２０１９Ｇ０６Ｇ２７;修改日期:２０１９Ｇ０９Ｇ１２

作者简介:崔㊀斌(１９７５．５－),男,甘肃兰州人,硕士,高级工程师．铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥与

混凝土连续梁桥基本力学性能对比研究

崔㊀斌１,㊀周玉生１,㊀王㊀松１,㊀陈雨阳２

(１．中铁四局集团有限公司设计研究院,安徽合肥㊀２３００２２;２．合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥㊀２３０００９

)摘㊀要:为探究铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥的实用性,以现有(４０＋６４＋４０)m 铁路混凝土连续梁桥为参考,设计铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥,并对两种桥型的基本力学性能进行对比研究.结果表明,铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥竖向刚度小于混凝土连续梁桥,两者竖向位移的变化趋势趋于一致;主力作用下,波纹钢腹板P C 组合梁主梁弯矩分布与混凝土梁近似;剪力分布从跨中至支点逐渐变大,符合波纹钢腹板板厚变化规律;波纹钢腹板P C 组合梁桥主梁剪力大于混凝土连续梁桥,波纹钢腹板的存在提升了主梁的抗剪性能,结构整体处于合理受力状态.关键词:波纹钢腹板;铁路连续梁;有限元;竖向变形;内力对比

中图分类号:U ４４２．５＋４㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:１６７３Ｇ５７８１(２０１９)０５Ｇ０６８２Ｇ０４

０㊀引㊀㊀言

我国对于波纹钢腹板的研究起步于２０世纪９０年代中期.

２００５年１月,我国建成第一座波纹钢腹板P C 组合梁人行

桥 长征桥[１]

.近年来,我国波纹钢腹板桥发展迅速,各路学者通过模型试验或理论分析对波纹钢腹板P C 组合梁桥的受力性能进行了较为全面的研究.李宏江[２]

等运用初等梁理

论,提出波纹钢腹板组合箱梁考虑剪切变形的挠度计算方法;

吴文清

[３]

等人通过模型试验㊁有限元数值模拟和能量变分法等

方法对波纹钢腹板组合箱梁剪滞效应进行了较为深入的参数敏感性分析;宋建永

[４]

等采用了小挠度线性理论分析了在剪切

荷载作用下波纹钢腹板的屈曲模态,同时运用能量法推导了波纹钢腹板组合梁在剪切荷载作用下的临界屈曲应力计算公式;

狄谨[５]

等以乌曼斯基第二理论为依据,分析了波纹钢腹板组合

梁偏载作用下的扭转和畸变特性.

相比于传统混凝土腹板桥,波纹钢腹板桥自重大大降低,节约了建筑材料,抗震性能得到提升;钢腹板的存在,解决了混凝土腹板开裂的难题;波纹钢腹板组合梁桥材料各尽其能,主梁弯矩几乎全由上下混凝土翼缘板承担,剪力几乎全部由波纹钢腹板承担,充分发挥了材料的利用率

[１]

;随着施工工艺的改

善,波纹钢腹板桥可采用预制装配式施工法,可大大缩短建设工期.多方面的优点使得波纹钢腹板桥成为强有力的竞争桥型,目前国内外波纹钢腹板桥主要应用于公路桥梁中,鲜有铁路波纹钢腹板桥的案例,２００４年日本建成世界上第一座铁路波纹钢腹板桥 黑部川大桥,由此开启了波纹钢腹板桥在铁路上的应用.我国目前还未出现铁路波纹钢腹板桥的工程实例,为探究铁路波纹钢腹板桥的实用性,本文以(４０＋６４＋

４０)m 有砟轨道预应力混凝土连续梁为参考,设计铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥,并对混凝土连续梁桥与波纹钢腹板P C 组

合梁桥的基本力学性能进行对比分析.

１㊀铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥设计

１．１㊀工程背景

本文铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥设计的参考模型为中

铁第四勘察设计院于２００８年编制的«时速２５０公里客运专线铁路有砟轨道预应力混凝土连续梁(双线)铁路工程建设通用参考图»,该连续梁桥全长１４５．２m ,跨径为(４０＋６４＋４０)m ,如图１所示.梁体为单箱单室变截面结构,顶板宽１２．２m ,

厚度０．４３~０．６m ;底板宽５．７４~５．１３４m ,厚度０．４４~１m ;

跨中截面梁高２．８９m ,中支点截面梁高５．２９m ,腹板厚度０．５~０．７~０．９m .均由跨中截面到支点截面变化,跨中和支点截面构造如图２所示.线路中心至挡砟墙内侧２．２m ,轨道枕下道砟厚０．３５m ,桥面构造如图３所示.在端支点㊁中支点共设置５道横隔板,横隔板设有孔洞供检查人员通行.图１㊀混凝土连续梁桥立面图(单位:m m )

图２㊀混凝土梁跨中和根部截面构造图(单位:m m )

㊀«工程与建设»㊀２０１９年第３３卷第５期

６８３

㊀图３㊀混凝土连续梁桥面构造图(单位:m m )

１．２㊀铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥设计

与公路桥梁相比,铁路桥梁设计荷载大,行车密度大,要求能抵抗自然灾害的高,对桥梁的横向刚度和竖向刚度要求较高.对于铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥,国内暂无可供参考的设计施工经验,本文参考铁四院编制的(４０＋６４＋４０)m 预应力混凝土梁,对铁路波纹钢腹板P C 组合梁桥进行设计.１．２．１㊀截面尺寸拟定

根据预应力混凝土梁的截面尺寸近似设计,将原混凝土斜

腹板替换为１６００型波纹钢腹板直腹板如图４㊁图５所示,设计原则为:

(１)波纹钢腹板P C 组合梁截面顶底板厚度与原混凝土梁腹板截面相近.

(２)波纹钢腹板P C 组合梁腹板由原来的混凝土梁斜腹板替换为直腹板,位置为原混凝土梁斜腹板中点所在位置附近.(３

)混凝土梁截面在根部底板变窄,在设计过程中为了方便波纹钢腹板的制作和安装,将所有截面底板变为同宽,以跨中截面底板宽为６１２０m m .

图４㊀跨中波纹钢腹板梁截面设计图(单位:m m )

图５㊀根部波形钢腹板梁截面设计图(单位:m m )

最终设计波纹钢腹板P C 组合梁桥截面参数为,

顶板宽１２．２m ,厚０．４３m ,与混凝土梁保持一致;底板宽６．１２m ,

横向保持水平;箱梁根部梁高５．２９m ,跨中梁高２．８９m ,箱梁梁高由根部到跨中按照１．８次抛物线变化;底板厚度由０．４４m 到

０．９m 同样按照１．８次抛物线变化;钢腹板板厚参考日本黑部川大桥,按照１６~２２m m 从跨中到根部变化;翼缘板悬臂长为３．２９m ,端部厚０．２１７m ,根部厚０．６３３８m (考虑２％横坡);顶板梗腋尺寸为０．７８ˑ０．２６m ,底板梗腋尺寸为０．４ˑ０．１５m .１．２．２㊀波形钢腹板尺寸拟订及节段划分

波纹钢腹板采用１６００型钢腹板,其尺寸如图６所示.图６㊀波纹钢腹板尺寸(单位:m m )

波纹钢腹板１．６m 为一个完整波段,

在不改变桥梁跨径的前提下,为方便安装将整个主梁分为１２个悬臂安装节段,标号为０＃块~１２＃块,１０＃块为合龙块.划分尺寸如图７所示,

虚线为波纹钢腹板拼装接缝.

图７㊀波形钢腹板梁边跨立面图(单位:m m )

２㊀有限元模型建立

２．１㊀模型建立

采用M I D A S /C i v i l 有限元分析软件,

分别建立混凝土腹板梁桥与波纹钢腹板P C 组合梁桥的有限元模型.混凝土腹板梁模型由８５个节点,６８个梁单元模拟,如图８所示.波纹钢腹板P C 组合梁模型由７５个节点,５８个梁单元模拟,截面采用M I D A S /C i v i l 自带的波纹钢腹板组合设计截面,

如图９所示.两模型均采取刚性主从节点连接㊁弹性连接㊁刚性支承组合的方式模拟永久支座.采用M I D A S /C i v i l 的激活钝化功能对模型进行施工阶段划分,进分析施工全过程力学性能.

a ．

有限元模型b ．

截面示意图图８㊀预应力混凝土连续梁有限元模型及截面示意图