重载铁路大跨度钢桁梁桥面系选择及分析

恒载和活载由组合结构承受分两次计算 ， 同时在组合 结构模型下分别计算混凝土收缩， 升降温对结构产生
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的影响， 并按最不利影响进行组合。 密横梁钢桥面板 体系模型相对简单， 只需建立 1 个模型。 整体计算模 型如图 5 所示。
（ 同截面） ， 两种桥面系的主桁应力； ② 当正交异性钢 桥面板的主桁应力与混凝土桥面板的主桁应力基本接 近时 （ 同 应 力 ） ， 计算出两种桥面系方案的全桥用 钢量。
5 钢材的弹性模量取值 2. 1 ×10 MPa；
127. 73 169. 70 0. 27 0. 36 0. 20
85. 15 113. 13 0. 16 0. 21 0. 20
混凝土弹性模量取值 4 二期恒载 1. 4 ×10 MPa（ n = 15 ） ； 活载 2. 1 ×10 MPa（ n = 10 ） ； 4 混凝土收缩徐变 1 ×10 MPa（ n = 21 ） ；
Selection and Analysis on Bridge Deck System of Largespan Steel Truss Girder on HeavyHaul Ｒailway
GUO Ziyu
（ China Ｒailway Engineering Consulting Group Co． ，Ltd． ，Beijing 100055 ，China）
Abstract： To select a bridge deck system suitable for largespan steel truss girder on a heavyhaul railway ，the software Midas / Civil was employed to establish spatial finite element model． After theoretical calculation and analysis as well as comprehensive comparison of two different bridge deck systems for a 108m doubletrack throughtype steel truss girder on the Middle and Southern Shanxi Ｒailway，the paper came to a conclusion that the steel deck with dense transverse beam should be used as the bridge deck system of this largespan steel truss girder，because it not only can avoid the cracking control problem in concrete deck system，but also can reduce structure's dead load，decrease the whole steel consumption， and enhance the safety of construction． Key words： heavyhaul railway； largespan； throughtype steel truss girder； bridge deck system； concrete deck of bridge； steel deck of bridge 密横梁 混 凝 土 桥 面 板 体 系； （ 3 ） 密 横 梁 钢 桥 面 板 体 ［6 ］ 系 。本桥为重载下的大跨度钢桁梁， 如果采用第一 由于横梁个数较少， 使横梁结构高度较 种桥面形式， ［2 ］ 高， 横梁的面内、 面外组合应力较高 ， 故第一种桥面 形式不适用于本桥。本文以重载铁路 108 m 双线下承 式简支钢桁梁密布横梁混凝土桥面板和钢桥面板为研 究对象， 建立整体有限元模型， 对钢桁梁桥面系两种不 同形式进行计算分析， 得出两种桥面形式对结构受力 的影响。 2 设计标准及相关参数 活载标准 （ 1 ） 活载： 1. 2 倍 ZH活载。详见图 1 。 （ 2 ） 动力系数、 牵引力和制动力系数仍按《铁路桥
图1
1. 2 倍 ZH活载图示（ 单位： m）
图2
主桁轮廓立面（ 单位： mm）
（ 3 ） 离 心 力 仍 采 用《铁 路 桥 涵 设 计 基 本 规 范 》 （ TB10002. 1 —2005 ） 中的 4. 3. 6 条计算。 但离心力的 作用位置取轨顶以上 2. 2 m。 （ 4 ） 横向摇摆力、 脱轨荷载的计算原则按《铁路桥 （ TB10002. 1 —2005 ） 采用， 涵设计基本规范》 荷载取值 提高 20% 。 （ 5 ） 二期恒载（ 道砟、 线路设备、 轨枕） ： 直线： 146. 8 kN / m·双线 （ 6 ） 设计速度： 120 km / h（ 货车） 。 （ 7 ） 结构形式： 采用平弦无竖杆华伦式三角桁架； ； “X ” 密布横梁体系； 无下平联 形上平联； 采用桁式桥 下弦均采用箱形杆件； 腹杆除部 门架及横联； 主桁上、 分杆件受力需要采用箱形杆件外， 其余均采用 H 形 杆件。 （ 8 ） 钢材： 钢梁主体结构材质除桥门架、 横联、 上 其余均采用 Q370qE 钢， 附属 平纵联采用 Q345qE 外， Q370 板厚不超过 46 mm。 工程采用 Q235C ， 钢筋： HＲB335 。 混凝土： C50 。 高强度螺栓： 主桁采用 M30 高强螺栓， 桥面系均 采用 M24 高强螺栓。 剪力钉： 22 ×180 mm。 （ 9 ） 温度 最高设计温度按 + 45 ℃ ， 最低设计温度按 －30 ℃ ， 钢梁与混凝土温差按 ±15 ℃ 考虑， 日照引起的钢梁局 部升温按 30 ℃ 考虑。 3 主桁和桥面构造形式
主桁类型为下承式道砟桥面简支钢桁梁， 桁式为 平行弦无竖杆三角桁架 （ 图 2 ） 。 主桁共 9 个节间， 每 个节间 12 m， 计算跨度 108. 0 m， 全长 109. 5 m， 桁高 14. 5 m， 12. 8 m 。 横桥向支座中心距为 桥面系除在下 弦节点处设置 1 道节点横梁外， 每个节间再设置 3 道 横梁， 不设下平联。 3. 1 密横梁混凝土桥面板体系 密横梁混凝土桥面板结构不设纵梁， 混凝土桥面 板通过剪力钉与横梁连接， 桥面板不与主桁相连， 横梁 与主桁下弦栓接将桥面荷载通过横梁直接传递到主桁 ［2 ］ 上 。结构如图 3 所示。
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不同桥面系构造的计算分析比较
4. 1
有限元模型 采用 Midas / Civil 程序建立有限元空间模型， 对结 构进行分析计算。分别建立了密横梁混凝土桥面板和 横梁混凝土桥面板体系模型需建立纯钢结构和钢混组 合结构两种模型， 一期恒载由纯钢结构单独承受， 二期
密横梁钢桥面板两种结构形式的空间有限元模型 。密
图4 密横梁钢面板结构（ 单位： mm） 图3 密横梁混凝土桥面板结构（ 单位： mm）
3. 2
密横梁钢桥面板体系
由于桥面位于桁梁的受拉区， 随着桥梁跨度的增 加， 桥面越长， 混凝土桥面板所受拉力越大， 混凝土桥 面板设计难度增大。密横梁钢桥面板体系与密横梁混 凝土桥面板体系结构相似， 只不过是把混凝土改为钢 板。钢桥面板下有 U 肋及竖肋加强。 钢桥面板与横 梁上翼缘形成一个整体， 桥面板与主桁焊接， 横梁竖板 和下翼缘与主桁下弦杆栓接。 这样， 桥面板与主桁形 ， 。 成一个整体 参与整体受力 钢桥面板不存在混凝土 桥面板的收缩徐变问题， 而且温度伸缩系数与主桁一 横梁面外弯曲效应有所减弱。 钢桥面板可以分担 致， 下弦杆的一部分拉力， 可以减小下弦杆的截面尺寸。 结构如图 4 所示。
部 108 m 双线下承式钢桁梁两种不同桥面系的理论计算分析和综合比较， 得 出 大 跨 度钢 桁 梁桥 面 系选 用 密横 梁 钢 桥面 板 体 系 ， 既回避了混凝土 桥 面 板 的 裂 缝 控 制 难 题， 又 减 小 了 结构 自 重， 节 约 了 用 钢 量， 还 增 加 施 工 过程 的 安 全性。 关键词： 重载铁路; 大跨度; 下承式钢桁梁; 桥面系; 混凝土桥面板; 钢桥面板 中图分类号： U443. 32 文献标识码： A DOI： 10． 13238 / j． issn． 1004－2954． 2014． 03． 021
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铁 道 标 准 设 计 ＲAILWAY STANDAＲD DESIGN
Vol． 58
No． 3
2014 年 3 月 2954 （ 2014 ） 03009004 文章编号： 1004-
March 2014
重载铁路大跨度钢桁梁桥面系选择及分析
郭子煜
（ 中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055 ） 摘 Midas / Civil 程 序 建立 有限 元 空 间 模型， 要： 为选择适合重载铁路大跨度钢桁梁的桥面系形式， 通过 对 山 西 中 南
表1 两种桥面系比较
每米宽度混凝土桥面板所受的纵向力 主力作用下轴力 / kN 1 254. 00 1 666. 00 0. 50 27. 73
ห้องสมุดไป่ตู้
图5
整体结构模型
主 + 附作用下轴力 / kN 主力作用下弯矩 / （ kN·m） 主 + 附作用下弯矩 / （ kN·m） 顶底面均配 10 25 mm 钢筋 主力作用下 σ g / MPa 主 + 附作用下 σ g / MPa 主力作用下裂缝宽度 / mm 主 + 附作用下裂缝宽度 / mm 主力作用下允许裂缝宽度 / mm 顶底面均配 15 25 mm 钢筋 主力作用下 σ g / MPa 主 + 附作用下 σ g / MPa 主力作用下裂缝宽度 / mm 主 + 附作用下裂缝宽度 / mm 主力作用下允许裂缝宽度 / mm 正交异性钢桥面板 横梁最大拉应力 / MPa 纵梁最大拉应力 / MPa 桥面板 / MPa
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概述
山西中南部铁路通道是国内第一条轴重为 30t 以 货运为主的大能力铁路运输线。 目前国内对中活载、 ZK 活载下大跨度下承式简支钢桁梁桥面系的结构形 式及分析比较多， 但对于重载下的大跨度简支钢桁梁 桥面系的结构形式及分析较少。桥面系的设计对钢桁 梁整体刚度、 结构耐久性以及对行车安全和舒适十分 ［1 ］ 重要 。实际的钢桁梁设计中， 使用较多的桥面结构 形式有如下 3 种： （ 1 ） 纵横梁混凝土桥面板体系； （ 2 ）
主桁杆件采用空间梁单元， 混凝土板和钢桥面板 采用空间板单元， 横梁及平联采用空间梁单元。 按平 横梁和混凝土板或钢板的 截面假定考虑主桁下弦杆， 偏心、 钢与混凝土板之间的滑移不考虑。 主桁各杆件 横梁与主桁下弦之间、 上平联与主桁上弦之间都 之间、 并考虑偏心。 按刚结处理， 设计荷载 （ 1 ） 密横梁混凝土桥面板体系 一期恒载（ D1 ） 340 kN / m； 二期恒载（ D2 ） 146 kN / m；
0701 ； 修回日期： 20130808 收稿日期： 20132008 年毕业于北京交通大学 作者简介： 郭子煜（ 1984 —） ， 男， 工程师， Email： 398692969@ qq。 工学硕士， 桥梁工程专业，
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郭子煜—重载铁路大跨度钢桁梁桥面系选择及分析
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（ TB10002. 1 —2005 ） 公式采用。 涵设计基本规范》
4 混凝土升降温 1. 5 ×10 MPa（ n = 14 ） ； 4
148. 00 146. 7 130
n 为计算温度变化影响时钢与混凝土的弹性模量 比值。 （ 2 ） 密横梁钢桥面板体系 恒载 320 kN / m。 4. 2 两种方案对比分析 （ 1 ） 两种桥面系比较
两种情况下的比较可以看出， 主桁截面相同， 由于 混凝土桥面板自重大， 导致其达到应力极限时， 钢桥面 板的主桁应力还有不少余量。为使钢桥面板主桁应力 达到限值， 可以将其主桁截面板厚减小， 以达到节约钢 材的目的。 5 结论