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《橋梁建設雜志》2015年第六期

摘要：

滬通長江大橋主航道橋為主跨1092m的雙塔三索面鋼桁梁公鐵兩用斜拉橋，為驗證該橋受力的合理性，分別建立該橋整體、局部精細化有限元模型，對其合理成橋狀態、靜活載效應、最不利荷載組合下主桁結構受力特征、橋面系受力特征等展開研究。結果表明：列車活載效應按無限長加載較有限長增加約10％，主桁上弦強度和穩定控制區域為輔助跨跨中附近位置，下弦為輔助墩和橋塔位置。中－活載集中力作用下，鐵路橋面系應力由大到小依次為頂板、橫梁、U肋、縱梁和底板。汽車活載作用下，公路橋面系橋面板與U肋連接焊縫處存在較明顯應力集中，但量值不大；比較不同弧形缺口型式的活載應力水平，表明該橋弧形缺口形狀設計較合理。

關鍵詞：

公路鐵路兩用橋；斜拉橋；鋼桁梁；整體靜力效應；合理成橋狀態；安全余量；弧形缺口形狀；有限元法

1概述

我國大跨度公鐵兩用斜拉橋以主跨312m的蕪湖長江大橋為起點，近年來，相繼建成了主跨504m的武漢天興洲公鐵兩用長江大橋、主跨580m的安慶鐵路長江大橋和主跨630m的銅陵公鐵兩用長江大橋等代表性鐵路斜拉橋［1］。截至目前，我國已建及在建的鐵路大跨度斜拉橋已達20余座，其中70％以上主梁均采用鋼桁梁結構形式。滬通長江大橋是世界首座主跨超千米的公鐵兩用斜拉橋，主航道橋為雙塔三索面鋼桁梁結構，跨徑布置為（140＋462＋1092＋462＋140）m。主航道橋結構體系采用“阻尼＋限位”的塔梁分離約束設計。主梁采用三主桁結構，桁高16m、桁寬35m。上、下層橋面分別布置6車道高速公路、4線鐵路（2線滬通鐵路、2線城際鐵路），分別采用板桁結合、箱桁結合橋面，并根據受力大小選擇Q500qE、Q420qE和Q370qE鋼材。橋塔為鉆石形塔，橋面以上塔高248m。斜拉索采用強度2000MPa的高強度平行鋼絲索。橋墩基礎均采用矩形沉井基礎［2］。為得出該橋主要受力特征，分別建立整體、局部精細化有限元模型，對主航道橋合理成橋狀態、靜活載效應、最不利荷載組合下主桁結構受力特征、橋面系受力特征等展開研究。

2主航道橋整體受力特性

2．1合理成橋狀態研究合理成橋狀態時以控制橋塔根部彎矩為主要目標，采用影響矩陣法調整索力。恒載作用下，28號、29號橋塔塔底豎向反力為2975220kN，塔底順橋向彎矩為7381kN•m，塔頂順橋向位移為4mm，主梁跨中撓度曲線基本平直，達到“塔直中跨梁平”的成橋目標狀態［3］。恒載索力、主梁撓度分布分別如圖1、圖2所示。由圖1可知，橋塔兩側索力基本呈對稱分布，輔助墩和中跨附近索力總體比較均勻，靠近橋塔索力逐漸減小，至橋塔根部的S1號、M1號斜拉索索力增大。由圖2可知，輔助墩的設置提高了結構整體剛度，明顯減小了邊跨撓度。進一步通過調整主梁桿件長度可將成橋狀態下邊跨及輔助跨主梁撓度調整至設計的平直線形。主梁以承受軸壓力為主，其中，橋塔附近軸壓力最大達32951kN，至跨中、輔助墩處逐漸減小，同時邊跨軸力明顯小于輔助跨和中跨；中桁軸力略大于邊桁軸力，比值約在1．1左右；主梁彎矩最大值位于輔助墩位置，下弦桿彎矩明顯大于上弦桿。

2．2靜活載效應設計時根據到發線有效長度、列車編組等確定設計活載加載長度，其中滬通鐵路采用中－活載圖式，加載長度為970m；通蘇嘉城際鐵路采用ZK活載圖式，加載長度為550m。從鐵路貨運發展和客運路網規劃角度，采用的加載長度可能對日后運輸規劃帶來一定影響。因此，計算時還考慮了規范無限長加載。公路活載按公路－Ⅰ級車道荷載考慮。活載下的主桁受力特征如表1、表2所示。由表1、表2可知，活載無限長加載效應大于有限長加載值，其中，軸力差值最大為11％，彎矩（My）差值最大為8％，撓度差值最大為5．6％。活載無限長、有限長加載對應主梁撓跨比最大分別為1／440、1／462，梁端轉角最大為1．1‰rad。根據已運營大跨度鐵路斜拉橋現狀，該橋撓跨比不會影響鐵路行車安全，具體限值需進一步根據行車性能確定［4］。同時，該橋設置140m的邊跨，合理地控制了梁端轉角量。

2．3荷載組合下的主桁受力特征在考慮不同組合容許應力提高系數的情況下，主力組合（恒載＋活載＋基礎沉降）為該橋主桁桿件強度和總體穩定的控制組合。以中桁上、下弦桿為例，給出主力組合下各桿件強度、總體穩定安全余量分布特征，如圖3所示。由圖3可知，輔助墩、主墩位置為主桁下弦控制斷面；而輔助跨跨中附近位置為主桁上弦控制斷面，其中穩定安全余量基本接近規范限值。安全余量＝（容許應力－最大組合應力）／容許應力×100％。

3橋面系受力特征

3．1鐵路橋面系鐵路橋面系采用與弦桿焊接的整體鋼箱橋面結構，該結構在銅陵公鐵兩用長江大橋部分梁段已有應用［5］，全梁段應用尚屬首次。采用ABAQUS對3節段（3×14m＝42m）半幅鐵路橋面系進行受力分析。采用4節點殼單元CPS4R建模，細化橋面板與U肋連接處以及橫梁與U肋連接處網格，單元尺寸5～10mm，在節點位置施加約束。局部分析時，荷載分別采用中－活載普通活載集中力、中－活載特種荷載和中－活載（2005）特種活載。給出不同中－活載集中力形式下鐵路橋面系各組成部分最大應力結果，如表3所示。由表3可知，不同活載集中力下，鐵路橋面系各組成部分應力由大到小依次為頂板、橫梁、U肋、縱梁和底板，最大應力值出現在中－活載特種活載作用下的頂板與U肋焊接處，橫向應力為125．3MPa。中－活載（2005）特種活載作用效應與中－活載特種活載大體接近。

3．2公路橋面系公路橋面系采用與主桁結合的正交異性橋面結構。采用ABAQUS8節點實體單元C3D8R建模。考慮橋面板與U肋以及橫梁腹板與U肋連接焊縫影響，焊接處的有限元尺寸設為1mm左右。荷載位置是影響公路橋面系受力的一個重要因素［6，7］，縱向加載位置包括兩橫梁1／2跨中、1／4跨中和橫梁正上方。汽車輪載橫向加載位置包括U肋正上方、U肋側上方和兩U肋中間，如圖4所示。橋面板與U肋、橫梁腹板與U肋連接焊縫端部是正交異性橋面板裂紋的主要起源點［8］。考慮汽車活載不同加載位置的公路橋面系應力，結果表明，橋面板與U肋連接焊縫處存在較為明顯的應力集中，最大應力約為58．9MPa，對應活載橫向位置為U肋正上方、縱向位置為橫梁正上方。橫梁與U肋連接焊縫處，最大應力值不超過28．2MPa，對應活載橫向位置為兩U肋中間、縱向位置為兩橫梁1／4跨處。不同橫向加載工況下（圖4），弧形缺口處主要受壓。焊接端部主要受拉。焊縫端部的最大主應力沿橋縱向從橫梁正上方到兩橫梁跨中先增加后減小，位于U肋正上方時應力最小，另外兩種應力較大。弧形缺口處最小主應力沿縱向也是先增加后減小，3種不同加載工況對應最小主應力排序（按絕對值）為：U肋側上方＞U肋正上方＞兩U肋中間。U肋與橫梁腹板交叉弧形缺口處為面內、面外復合受力，各國構造細節建議差別較大［9，10］。選擇4種典型的弧形缺口形狀進行對比，如圖5所示。由圖5可知，該橋弧形缺口形狀與日本道路橋示方書推薦的形狀相似，弧形缺口均由7段線組成，其中①、①′、③和③′為圓弧線，②、②′和④為直線。該橋U肋底板與缺口距離δ＝30mm，日本規范δ＝20mm。該橋橋面板最小厚度t＝16mm，U肋板厚8mm，尺寸為300mm×280mm×8mm，U肋間距600mm，尺寸均滿足日本規范要求。U肋腹板斜度m為1∶5，與日本推薦的1∶4．5有一定差異；U肋冷彎區內側半徑r1為40mm，為推薦的5倍U肋厚度，滿足R≥4t的要求。分析時不考慮橫梁腹板與U肋連接焊縫，橫向加載仍按圖4考慮，縱向從橫肋正上方到兩橫肋跨中每隔200mm為一加載工況。為保證對比有效性，每一模型弧形缺口及焊縫端部單元尺寸保持一致，為2mm×2mm×2mm實體單元。不同弧形缺口形式對應力最值的影響如表4、表5所示。由表4、表5可知，該橋焊縫端部最大主應力值最小，弧形缺口處最小主應力絕對值僅比半圓形缺口大，因而設計較為合理。

4主要結論

（1）通過影響矩陣法調整索力可較快得到結構的合理成橋狀態，該內力狀態可作為成橋時的受力目標。進一步還需結合實際施工過程和施工控制技術確定各施工階段合理索力。（2）活載無限長加載效應較有限長加載效應值大約10％，荷載組合條件下活載加載長度的影響進一步降低。考慮不同組合條件材料容許應力提高系數，主力組合往往成為控制組合。輔助墩、橋塔位置為主桁下弦桿件強度和穩定的控制斷面；輔助跨跨中附近位置為主桁上弦桿件強度和穩定的控制斷面，可根據安全余量分布進行主桁設計優化。（3）不同活載集中力下，鐵路橋面系最大應力值出現在中－活載特種活載作用下的頂板與U肋焊接處。公路橋面板與U肋連接焊縫處存在較明顯應力集中；不同橫向加載工況下，焊縫端部最大主應力和弧形缺口處最小主應力均沿橋縱向從橫梁正上方到兩橫梁跨中先增加后減小；活載下該橋弧形缺口形狀對應最大、最小主應力均較小，其設計較合理。

5對鐵路大跨度橋梁設計的幾點建議

（1）隨著高速鐵路橋梁跨度的增加，梁端區域高速行車性能成為設計關鍵控制點。目前設計時主要采取設置輔助墩、增加主梁剛度等措施降低梁端豎向轉角值，通過安裝梁端縱向伸縮裝置實現梁縫區域軌道連續支撐。從運營實踐看，迫切需要在大橋設計階段充分考慮由于橫向風荷載、溫度荷載等造成的主跨橫向變形，以及由之帶來的梁端區域類似“魚尾效應”的橫向變形和水平轉角等問題。（2）大跨度鐵路橋梁采用列車荷載圖式加載計算時，對于定位為僅開行動車組和客運專線鐵路，可根據站線長度、規劃開行動車組的類型等因素綜合確定加載長度，必要時可考慮采用低等級的設計列車荷載圖式；對于客貨共線鐵路，應充分考慮我國鐵路貨運發展趨勢，建議加載長度按規范加載計算。（3）現行規范關于鋼橋整體穩定性限值的相關規定主要適用于桿件，對于目前鐵路大跨度橋梁采用的板桁和箱桁結構，已不能完全適用，建議開展進一步研究和規范修訂工作。（4）由于鐵路列車行車路徑固定、輪軌作用力通過軌道結構分散等因素，鐵路正交異性橋面系與公路的受力特征有明顯的區別，建議開展進一步的研究和優化工作。

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作者：胡所亭 郭 輝 鞠曉臣 單位：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室