橋面系

1 概述

丫髻沙特大橋是廣州市環(huán)城高速公路西南環(huán)跨越珠江南航道的一座特大橋，于2000年6月建成通車，主橋?yàn)?6m 360m 76m 三跨連續(xù)中承式鋼管混凝土拱橋。主拱及橋面系鋼結(jié)構(gòu)采用16Mnq鋼，拱肋填充C60微膨脹混凝土，橋面系為橫梁體系，橫梁最大長(zhǎng)度為 38m ，橫梁上鋪設(shè)跨度8m 的鋼筋混凝土板，橋面由厚8cm 的鋼纖維混凝土和厚4cm的瀝青混凝土組成。邊拱拱肋為內(nèi)包勁性骨架的C50混凝土結(jié)構(gòu)，拱上立柱為鋼管混凝土立柱。吊桿間距8m，采用單根91－7平行鋼絲索；系桿采用37束7－5鋼絞線索，全橋共20根。

2006年、2009年分別對(duì)該橋進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明大橋整體受力處于彈性工作狀態(tài)，主拱、拱座等主要構(gòu)件狀況良好，但橋面系鋼橫梁陸續(xù)出現(xiàn)較多結(jié)構(gòu)裂縫，且裂縫有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。為保證大橋結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全，系統(tǒng)地開展了橋面系病害原因分析和橋面系加固設(shè)計(jì)。

2 橋面系主要病害

橋面系主要病害以橫梁和縱梁為主，且二者連接處病害最為嚴(yán)重。主要病害有高強(qiáng)螺栓松動(dòng)、斷裂、脫落；縱梁與橫梁的連接角鋼開裂、斷裂；橫梁腹板與下翼緣板的水平焊縫開裂，部分裂縫已往腹板延伸；部分連接腹板角鋼下排螺栓孔處腹板斜向開裂；部分橫梁加勁肋下緣處腹板開裂；檢查車軌道梁與縱梁的連接螺栓多處松動(dòng)、斷裂及脫落等。

3 病害原因分析

3．1 全橋整體工作狀態(tài)分析

橋梁加固前對(duì)全橋進(jìn)行了動(dòng)、靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明主橋結(jié)構(gòu)整體處于彈性工作狀態(tài)，主拱整體工作狀態(tài)與成橋荷載試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比未發(fā)現(xiàn)異常狀況_。

3．2 車輛荷載分析

該橋?yàn)閺V佛及附近港口的重要物流通道，據(jù)稱重?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該橋的車流量在11萬(wàn)輛/日以上，其中總重在55t以上的車輛超過(guò)1萬(wàn)輛，總重超過(guò)100t的車輛也經(jīng)常出現(xiàn)，最大總重170多噸，實(shí)際車輛荷載已經(jīng)超出設(shè)計(jì)荷載，該橋處于超載運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。考慮實(shí)際的車型和載重，估算通過(guò)的重車車重約170t，普通貨車30t居多，據(jù)此組合了7種車輛活載組合組合16×55t組合23×20t 110t 30t 30t組合33×20t 110t 55t 30t組合43×20t 110t 55t 55t組合53×30t 110t 30t 30t組合63×30t 110t 55t 30t組合73×30t 110t 55t 55t作為實(shí)際荷載進(jìn)行驗(yàn)算。

3．3 橫梁病害分析

該橋采用飄浮橋面結(jié)構(gòu)體系，中跨橋面系相當(dāng)于在吊桿處為彈性支撐的連續(xù)梁，橋面系在主跨各節(jié)間的截面尺寸基本相同，各橫梁受力狀況基本相同，因此以 H5橫梁為例分別按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際荷載進(jìn)行計(jì)算分析。

3．3．1 按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

原設(shè)計(jì)采用的汽車荷載為汽車_－超20級(jí)。按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算 H5橫梁的應(yīng)力情況，跨中截面下翼緣最大應(yīng)力。

3．3．2 按實(shí)際荷載模擬計(jì)算

按實(shí)際荷載（7種車輛活載組合）模擬計(jì)算 H5橫梁的應(yīng)力情況。在7種實(shí)際車輛組合下，H5橫梁下翼緣在活載作用下的應(yīng)力為105～149MPa，恒載 活載作用下的應(yīng)力為228～272MPa均超過(guò)允許應(yīng)力值。參照美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)疲勞的條文規(guī)定，疲勞壽命與疲勞應(yīng)力幅的立方成反比。該橋設(shè)計(jì)疲勞車輛按20t考慮，鋼橫梁的活載應(yīng)力為43．2MPa，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車流量統(tǒng)計(jì)，橋面實(shí)際運(yùn)營(yíng)的代表車輛為55t的貨車，鋼橫梁活載應(yīng)力為105MPa，實(shí)際疲勞應(yīng)力與設(shè)計(jì)值之比為2．43，疲勞壽命只有設(shè)計(jì)壽命的1/14。由此可見(jiàn)，由于該橋?yàn)闄M梁體系，汽車荷載增加引起橋面系橫梁的應(yīng)力增加，大大降低了鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能是引起病害的主要原因。

3．4 縱梁病害分析

該橋橫梁與混凝土橋面板組成鋼－混組合體系以承受橋面荷載，鋼縱梁兼作橋下檢查小車的軌道支撐梁，采用高強(qiáng)螺栓連接在橫梁上。連接處的應(yīng)力較大，是導(dǎo)致縱梁和橫梁連接破壞的主要原因。

4 加固設(shè)計(jì)

4．1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

考慮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的一致性，加固設(shè)計(jì)活載維持原設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)不變，采用汽車_－超₂₀級(jí)，但需按實(shí)際汽車荷載工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。全橋計(jì)算時(shí)6車道折減系數(shù)取0.55，鋼橫梁內(nèi)力計(jì)算時(shí)6車道折減系數(shù)取0.75。

4．2 加固措施

（1）增設(shè)止裂孔。為防止已經(jīng)出現(xiàn)的鋼結(jié)構(gòu)裂紋繼續(xù)發(fā)展，在裂紋末端增設(shè) 12mm的止裂孔，以阻止裂紋繼續(xù)延伸。

（2）增加鋼橫梁截面。為增強(qiáng)橫梁截面、降低橫梁應(yīng)力，在橫梁下翼緣的上側(cè)增設(shè)厚32mm的鋼板。鑒于部分橫梁腹板與下翼緣焊縫出現(xiàn)裂紋，為保證橫梁的結(jié)構(gòu)安全，在厚32mm的加強(qiáng)板上側(cè)設(shè)L形構(gòu)件與橫梁腹板及下翼緣連接，以替代失效焊縫，連接采用高強(qiáng)螺栓。

（3）增設(shè)大縱梁。為增強(qiáng)橋面系結(jié)構(gòu)的整體性能，加固方案在原有橋面系橫梁之間增設(shè)大縱梁，解除原橋的縱梁，新增大縱梁高1.7m，與橫梁同高。吊桿范圍內(nèi)大縱梁緊鄰吊桿設(shè)置，縱梁腹板通過(guò)拼接板與橫梁豎肋連接，縱梁翼緣通過(guò)魚形板連接；吊桿區(qū)域以外大縱梁采用腹板不連接，縱梁下翼緣與橫梁下翼緣通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接的方式與橫梁連接 。

（4）改造原鋼縱梁、橫梁連接構(gòu)造。將原設(shè)置于橫梁下翼緣上部的縱梁切短3cm 后倒置與橫梁下翼緣采用普通螺栓連接。

5 加固設(shè)計(jì)分析

5．1 主拱分析

該橋加固后橋面系恒載增加，需要驗(yàn)算主拱的成橋主拱上弦拱肋應(yīng)力荷載工況主拱上弦拱肋計(jì)算應(yīng)力/MPa承載能力。采用 ANSYS10建立全橋有限元模型，主拱采用空間桿系結(jié)構(gòu)模擬，桿件采用空間梁?jiǎn)卧M，在桿件相交處設(shè)置空間節(jié)點(diǎn)，全橋共有節(jié)點(diǎn)1820個(gè)。主拱肋按每4m間設(shè)置梁?jiǎn)卧?，每根腹桿為1個(gè)梁?jiǎn)卧?，每個(gè)米字形橫向聯(lián)結(jié)系有109個(gè)單元，全橋共有單元3906個(gè)。加固設(shè)計(jì)新增約14000kN橋面恒載后，主拱的穩(wěn)定性、應(yīng)力水平等滿足規(guī)范要求，橋面系加固不影響主拱結(jié)構(gòu)安全。

5．2 加固后橋面系分析

5．2．1 實(shí)際荷載工況下的橫梁應(yīng)力計(jì)算

按實(shí)際荷載（7種車輛活載組合）計(jì)算加固后H5橫梁的應(yīng)力情況，跨中截面下翼緣最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，加固后的橫梁下翼緣最大應(yīng)力比加固前降低30～45MPa，顯著降低了橫梁應(yīng)力水平和應(yīng)力幅，且橋梁后續(xù)收縮徐變荷載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平增幅較少。由于大橋加固后進(jìn)行了超載診治，實(shí)際應(yīng)力水平應(yīng)小于上述計(jì)算值，結(jié)構(gòu)的安全度有了較大提高。

5．2．2 橫梁荷載試驗(yàn)分析

橫梁荷載試驗(yàn)采用2輛重約40t的車輛進(jìn)行加載，在試驗(yàn)橫梁跨中截面布置測(cè)點(diǎn)。

（1）橫梁撓度。經(jīng)測(cè)量，位于下翼緣的3號(hào)測(cè)點(diǎn)的撓度加固前理論值與實(shí)測(cè)值分別為9.6mm、8.7mm，校驗(yàn)系數(shù)為0.91；加固后理論值與實(shí)測(cè)值分別為7.1mm、7.2mm，校驗(yàn)系數(shù)為1.02，滿足結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程要求，且加固后實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)撓度比加固前降低17%。

（2）結(jié)構(gòu)應(yīng)變。對(duì)橫梁跨中應(yīng)變進(jìn)行了加固前、后的試驗(yàn)對(duì)比，加固前、后應(yīng)變沿高度方向分布見(jiàn)圖7。由圖7可知，橫梁新增構(gòu)件和原橫梁協(xié)同工作狀況良好，在不考慮混凝土橋面板參與整體作用的前提下，結(jié)構(gòu)加固后實(shí)測(cè)應(yīng)變及截面中性軸高度均有所下降，主要與加固構(gòu)件參與整體受力有關(guān)，結(jié)構(gòu)應(yīng)變加固前后降低幅度與理論計(jì)算值接近，結(jié)構(gòu)加固達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)語(yǔ)

丫髻沙大橋采用橫梁體系，由于實(shí)際汽車荷載超出設(shè)計(jì)荷載，橫梁應(yīng)力增加，大大降低了鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能，因此引起了一系列橋面系病害。通過(guò)分析病害原因，除采取超載診治措施外，同時(shí)對(duì)該橋橋面系進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，主要措施有增加鋼橫梁截面，增設(shè)大縱梁，改造原鋼縱、橫梁連接構(gòu)造和增設(shè)止裂孔等，大橋于2011年底完成加固施工，加固達(dá)到預(yù)期效果。該橋橋面系加固設(shè)計(jì)可為同類橋梁工程加固提供借鑒和參考。

概述

同江黑龍江鐵路特大橋位于黑龍江省同江市哈魚島至俄羅斯聯(lián)邦猶太自治州下列寧斯闊耶之間，連通向陽(yáng)川 ～ 哈魚島鐵路與俄羅斯西伯利亞鐵路列寧斯闊耶支線鐵路。該橋是第一座跨越中、俄界河黑龍江的鐵路大橋，大橋在中國(guó)境內(nèi)采用了 16 孔 108 m 鋼桁梁。在我國(guó)鐵路鋼桁梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的橋面系形式有明橋面、鋼 － 混凝土結(jié)合橋面、正交異性板等。長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)實(shí)踐及研究表明，以往的明橋面難以滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)剛度和行車舒適度的要求，而且車輛通過(guò)時(shí)噪聲較大; 鋼 － 混凝土結(jié)合橋面板結(jié)構(gòu)的二期恒載重量比明橋面大很多，導(dǎo)致鋼梁橋的用鋼量大幅增加，而且鋼筋混凝土板本身存在收縮、徐變問(wèn)題，同時(shí)橋面系參與主桁整體作用而使混凝土板承受拉力，容易出現(xiàn)裂縫; 正交異性鋼橋面板在提高橋梁剛度、參與鋼梁整體受力方面優(yōu)點(diǎn)顯著，但其造價(jià)較高，對(duì)于普速的鋼桁。因此，為了滿足中俄兩國(guó)的梁橋，經(jīng)濟(jì)性較差接軌條件和運(yùn)營(yíng)要求，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果并經(jīng)中俄雙方協(xié)商，中俄同江黑龍江鐵路特大橋采用了縱橫梁栓接先張法預(yù)應(yīng)力混凝土套軌道床板的輕型，俄羅斯軌距為 1 520 mm，我國(guó)軌距為橋面結(jié)構(gòu)1435 mm。

1 108 m 鋼桁梁設(shè)計(jì)

1． 1 設(shè)計(jì)概況

同江橋 108 m 鋼桁梁主桁采用帶豎桿的三角形桁架，桁高15 m，主桁中心距為8 m，上、下弦桿均采用箱型截面，截面高度均為850 mm，斜腹桿采用箱型截面，豎桿采用工字型截面。端斜桿中間設(shè)置橋門架。橋面系采用縱橫梁體系，端節(jié)間、次端節(jié)間長(zhǎng)10．5 m，其余節(jié)間長(zhǎng)11 m?？v梁設(shè)計(jì)為連續(xù)縱梁，不設(shè)置斷縫，兩片縱梁之間設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)系，在下弦桿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁，預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板與縱梁上翼緣螺栓連接?？v橫梁為等高的工字型截面，端橫梁高為1580 mm，縱梁及其余橫梁全高1600 mm?？v梁翼緣板寬度為550 mm，端橫梁翼緣板寬580 mm，次端節(jié)間橫梁翼緣板寬500 mm，其他橫梁翼緣板寬420 mm。橫梁在與縱梁相接處設(shè)置接頭構(gòu)造，縱梁腹板及翼緣板均通過(guò)魚形板與接頭構(gòu)造的腹板、翼緣板栓接。在端節(jié)間設(shè)置變高度工字型撐架結(jié)構(gòu)高度由 850 mm變至1 600 mm，翼緣板寬360 mm，連接至下弦桿節(jié)間中點(diǎn)與縱橫梁交接處之間，接頭處采用拼接板栓接。上平縱聯(lián)采用高度為480 mm 的工字型截面交叉式腹桿體系，對(duì)應(yīng)橫聯(lián)處設(shè)置橫撐。下平縱聯(lián)采用交叉式腹桿體系，與縱梁相交處，均與縱梁的下翼緣板采用螺栓連接。下平縱聯(lián)桿件均采用T 型截面，連接時(shí)僅拼接翼緣板。該橋地處東北嚴(yán)寒地區(qū)，如果采用整體節(jié)點(diǎn)，焊縫疲勞應(yīng)力幅較難控制，因此本鋼梁所有節(jié)點(diǎn)均采用高強(qiáng)螺栓連接的散拼節(jié)點(diǎn)形式。

1． 2 縱梁連續(xù)的必要性

一般情況下，鋼桁梁長(zhǎng)度超過(guò) 80m 時(shí)，縱梁應(yīng)設(shè)置縱梁斷縫，以減小縱梁、橫梁內(nèi)力，減小橋面系參與結(jié)構(gòu)主體的受力作用及縱橫梁與下弦桿的變形?？v梁斷縫是一種特殊結(jié)構(gòu)，活動(dòng)縱梁的端部是通過(guò)一種特制的活動(dòng)支座支承于縱梁斷縫處的短伸臂上?？v梁活動(dòng)端可以縱向滑動(dòng)和豎向扭轉(zhuǎn)，但不允許行車過(guò)程中縱梁活動(dòng)端出現(xiàn)上下跳動(dòng)，為了避免這種情況的發(fā)生，特設(shè)置一塊鉸板把縱梁活動(dòng)端連在短伸臂上。

但近年來(lái)，在日常設(shè)備養(yǎng)護(hù)及檢查中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)活動(dòng)縱梁支座處出現(xiàn)不同程度的病害。例如，上海鐵路局在對(duì)南京長(zhǎng)江大橋的檢查中發(fā)現(xiàn)，大橋5 號(hào)孔活動(dòng)縱梁伸縮端在來(lái)車狀態(tài)下出現(xiàn)異常跳動(dòng)，活動(dòng)支座上下擺動(dòng)出現(xiàn)嚴(yán)重拍擊現(xiàn)象，并且連接縱梁短伸臂和縱梁活動(dòng)端的特制鉸板已嚴(yán)重變形，鉸板中部也嚴(yán)重隆起，隆起度達(dá)8 mm，而且其他9 孔鋼桁梁中有4 孔也發(fā)生了此類病害。濟(jì)南鐵路局在對(duì)曹家圈黃河特大橋的維修養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)，鋼梁橋活動(dòng)縱梁處的弧形支座和卡板在列車活載作用下出現(xiàn)上下部緊貼的變形病害，隨著行車速度的提高和貨運(yùn)載重的增加，此類病害逐步發(fā)展，而且活動(dòng)縱梁的橫向聯(lián)結(jié)系中斜桿、橫桿與鉸板三者交匯處的節(jié)點(diǎn)板發(fā)生了斷裂現(xiàn)象 。類似病害在其他地區(qū)鐵路鋼桁梁上也時(shí)有發(fā)現(xiàn)，這些病害直接影響著大橋的使用壽命及行車安全，而且不能中斷鐵路運(yùn)營(yíng)，維修加固工作十分復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高?？紤]到以上因素，同時(shí)為適應(yīng)套軌道床板的縱向布置、減少橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修工作量及提高軌道的平順性，本橋橋面系縱梁設(shè)計(jì)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，不設(shè)置活動(dòng)縱梁，受力檢算時(shí)考慮縱、橫梁橋面系參與主桁共同作用，并通過(guò)在端節(jié)間設(shè)置撐架結(jié)構(gòu)來(lái)協(xié)調(diào)橋面系的受力和變形狀態(tài)。

2縱梁連續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

2．1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

108m 簡(jiǎn)支鋼桁梁結(jié)構(gòu)計(jì)算采用MIDAS CIVIL 進(jìn)行，共建有兩個(gè)模型：一個(gè)是全橋空間計(jì)算模型，該模型分為縱梁設(shè)置斷縫、縱梁連續(xù)不設(shè)置端節(jié)間撐架、縱梁連續(xù)設(shè)置端節(jié)間撐架三種類型；另一個(gè)是主桁平面計(jì)算模型。兩個(gè)模型在計(jì)算過(guò)程中采用相同的材料本構(gòu)關(guān)系、荷載組合。

空間模型考慮縱橫梁、下平聯(lián)參與共同作用，分階段施工，消除主桁結(jié)構(gòu)一期恒載引起的橋面系共同作用，用于縱橫梁、上下平聯(lián)、橫聯(lián)設(shè)計(jì)。該模型以結(jié)構(gòu)理論線形為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，各桿件均采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。主桁桿件節(jié)點(diǎn)、上平聯(lián)與主桁連接均按剛接模擬；橫梁梁端與主桁的連接按橫梁釋放面外彎矩考慮； 下平聯(lián)與下弦桿、下平聯(lián)各桿件之間均按鉸接模擬。支座均采用一般支承進(jìn)行模擬?？臻g模型全橋共劃分為987 個(gè)單元、492 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

平面模型不考慮縱、橫梁、下平聯(lián)參與共同作用，用于主桁桿件的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，邊界條件取自空間模型的計(jì)算結(jié)果。該模型以結(jié)構(gòu)理論線形為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，主桁各桿件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。橋面板等二期恒載重量均以節(jié)點(diǎn)荷載均勻施加在主桁上。支座以一般支承進(jìn)行模擬。平面有限元模型共劃分為71個(gè)單元、57 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2．2 縱梁連續(xù)的影響

縱梁連續(xù)設(shè)計(jì)使橋面系順橋向剛度增強(qiáng)，參與鋼桁梁整體受力的作用增強(qiáng)，這必然對(duì)主桁的受力造成一定的影響。根據(jù)上節(jié)建立的有限元模型，對(duì)橋面系是否參與整橋受力、縱梁是否設(shè)置斷縫等情況進(jìn)行了檢算，以研究橋面系的設(shè)置形式對(duì)主桁及其自身受力的影響情況。數(shù)據(jù)表明：

第一，在恒載作用下，不考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)，主桁上、下弦桿最大軸力分別為－6 381.96 kN、6637.61 kN;考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)為－6 200.08 kN、4 283.24 kN，分別比前者減少約2.8% 、35．5% 。

第二，在活載作用下，不考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)，主桁上、下弦桿最大軸力分別為－4 784.34 kN、4966.11 kN;考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)為－3 986.69 kN、2 708.35 kN，分別比前者減少16.7% 、45.5% 。

第三，在恒載、活載作用下，不考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)主桁跨中最大豎向位移分別為93.8 mm、70.7 mm，考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)分別為78.6 mm、50.5 mm，分別比前者減少約16.2% 、28.6% 。

第四，在恒載 活載作用下，縱梁連續(xù)及斷開時(shí)縱梁最大軸力分別為2 191.1 kN、1 255.59 kN，后者為前者的57.3% 。

由此可見(jiàn)，縱梁連續(xù)對(duì)108 m 鋼梁整體受力有顯著影響，緩解了主桁桿件的受力狀態(tài)?？紤]縱梁參與鋼梁整體受力后，主桁桿件的內(nèi)力值有所減小，尤其是下弦桿減小幅度較大，而減小的這部分內(nèi)力則由橋面系等桿件承擔(dān)，縱梁軸力明顯增大，伴隨著端節(jié)間橫梁面外彎矩必然增大，因此橋面縱橫梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)較縱梁斷開設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)。

3端節(jié)間撐架對(duì)縱橫梁受力及變形的影響

由于縱梁的連續(xù)，使縱梁軸力增大，橫梁面外彎矩增大，在運(yùn)營(yíng)活載的反復(fù)作用下，橫梁變形過(guò)大，容易發(fā)生疲勞破壞。為此，通過(guò)對(duì)比研究，在端節(jié)間設(shè)置變高度工字型截面的撐架結(jié)構(gòu)，縱梁傳來(lái)的軸力在梁端節(jié)間通過(guò)撐架分散傳遞至下弦桿。

數(shù)據(jù)表明:

第一，設(shè)置端節(jié)間撐架后，縱梁最大軸力由 2 191.1 kN增大至 2 446. 5 kN，增大了約 11. 7% ，但橫梁面外彎矩及水平撓度均有較大幅度的減小，其中端橫梁面外彎矩由 317 kN·m 降至 117 kN·m，減小約 63.1% ，水平撓度由 5.1 mm 減少至 1.7 mm，減少約 66.7% 。

第二，端節(jié)間撐架的設(shè)置，對(duì)縱梁的面內(nèi)彎矩、撓度以及橫梁的軸力、面內(nèi)彎矩影響較小，除端節(jié)間局部受到撐架的影響外，其他節(jié)間的計(jì)算結(jié)果幾乎相同。由此可見(jiàn)，端節(jié)間撐架的設(shè)置雖然引起了縱梁軸力的小幅度增加，但卻大幅度的改善了橫梁的受力及變形狀態(tài)。而縱梁軸力的增加可以通過(guò)適當(dāng)增大縱梁截面的方式進(jìn)行解決。

4 橋面系桿件運(yùn)營(yíng)階段受力檢算

通過(guò)以上的分析對(duì)比，了解了橋面系設(shè)置連續(xù)縱梁對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力及變形的影響程度，掌握了設(shè)置端節(jié)間撐架對(duì)橋面系受力及變形的改善情況。要得知這種橋面系結(jié)構(gòu)形式是否能夠滿足運(yùn)營(yíng)荷載的需求，就需要對(duì)全橋進(jìn)行一個(gè)全面的檢算。該橋運(yùn)營(yíng)中、俄兩國(guó)列車，需要采用中、俄兩國(guó)規(guī)范對(duì)橋面系桿件進(jìn)行檢算。中國(guó)規(guī)范是基于容許應(yīng)力法，而俄羅斯規(guī)范則是基于可靠度理論的極限狀態(tài)法，兩國(guó)規(guī)范在理論體系、活載標(biāo)準(zhǔn)、材料技術(shù)條件及構(gòu)造要求等方面存在著相當(dāng)大的差異本文根據(jù)中俄兩國(guó)規(guī)范對(duì) 108 m 鋼桁梁桿件的疲勞特性、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性能進(jìn)行了檢算。本橋全新構(gòu)造形式的橋面系在運(yùn)營(yíng)荷載作用下，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足中、俄兩國(guó)規(guī)范的要求，說(shuō)明在該鋼桁梁橋面系中設(shè)置連續(xù)縱梁是可行的。

5結(jié)論

結(jié)合同江黑龍江鐵路特大橋108 m 鋼桁梁橋面系的設(shè)計(jì)過(guò)程，分析了橋面系采用連續(xù)縱梁時(shí)對(duì)鋼梁整體受力的影響程度，研究了端節(jié)間撐架結(jié)構(gòu)對(duì)橋面系縱橫梁受力的改善作用，并根據(jù)中、俄兩國(guó)規(guī)范檢算了橋面系桿件在運(yùn)營(yíng)荷載作用下的受力情況，結(jié)果表明：

(1)采用連續(xù)縱梁時(shí)，橋面系參與鋼梁整體受力的作用增強(qiáng)，主桁的受力得到一定的分擔(dān)，緩解了主桁的受力狀態(tài)，對(duì)上弦桿的受力影響較小，腹桿次之，下弦桿最大，這是下弦桿與橋面系縱橫梁一起形成受力共同體的緣故。

(2)采用連續(xù)縱梁時(shí)，橋面系的順橋向剛度增大，縱梁的軸拉力明顯增加，從而引起橫梁特別是端橫梁的面外彎矩增大，水平撓度增大。

(3)端節(jié)間設(shè)置撐架結(jié)構(gòu)后，引起縱梁軸拉力小幅增加，但卻大幅度減小了橫梁的面外彎矩及水平撓度，使橫梁的受力更加合理?？v梁截面需適當(dāng)增大，以適應(yīng)其自身受力的需要。

(4)在運(yùn)營(yíng)階段橋面系桿件的疲勞、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性檢算結(jié)果滿足中、俄兩國(guó)規(guī)范要求，同江黑龍江鐵路特大橋108 m 鋼桁梁橋面系中設(shè)置連續(xù)縱梁是可行的。

輥開橋概述

同江黑龍江鐵路特大橋位于黑龍江省同江市哈魚島至俄羅斯聯(lián)邦猶太自治州下列寧斯闊耶之間，連通向陽(yáng)川 ～ 哈魚島鐵路與俄羅斯西伯利亞鐵路列寧斯闊耶支線鐵路。該橋是第一座跨越中、俄界河黑龍江的鐵路大橋，大橋在中國(guó)境內(nèi)采用了 16 孔 108 m 鋼桁梁。在我國(guó)鐵路鋼桁梁設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的橋面系形式有明橋面、鋼 － 混凝土結(jié)合橋面、正交異性板等。長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)實(shí)踐及研究表明，以往的明橋面難以滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)剛度和行車舒適度的要求，而且車輛通過(guò)時(shí)噪聲較大; 鋼 － 混凝土結(jié)合橋面板結(jié)構(gòu)的二期恒載重量比明橋面大很多，導(dǎo)致鋼梁橋的用鋼量大幅增加，而且鋼筋混凝土板本身存在收縮、徐變問(wèn)題，同時(shí)橋面系參與主桁整體作用而使混凝土板承受拉力，容易出現(xiàn)裂縫; 正交異性鋼橋面板在提高橋梁剛度、參與鋼梁整體受力方面優(yōu)點(diǎn)顯著，但其造價(jià)較高，對(duì)于普速的鋼桁。因此，為了滿足中俄兩國(guó)的梁橋，經(jīng)濟(jì)性較差接軌條件和運(yùn)營(yíng)要求，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果并經(jīng)中俄雙方協(xié)商，中俄同江黑龍江鐵路特大橋采用了縱橫梁栓接先張法預(yù)應(yīng)力混凝土套軌道床板的輕型，俄羅斯軌距為 1 520 mm，我國(guó)軌距為橋面結(jié)構(gòu)1435 mm。

輥開橋1 108 m 鋼桁梁設(shè)計(jì)

1． 1 設(shè)計(jì)概況

同江橋 108 m 鋼桁梁主桁采用帶豎桿的三角形桁架，桁高15 m，主桁中心距為8 m，上、下弦桿均采用箱型截面，截面高度均為850 mm，斜腹桿采用箱型截面，豎桿采用工字型截面。端斜桿中間設(shè)置橋門架。橋面系采用縱橫梁體系，端節(jié)間、次端節(jié)間長(zhǎng)10．5 m，其余節(jié)間長(zhǎng)11 m?？v梁設(shè)計(jì)為連續(xù)縱梁，不設(shè)置斷縫，兩片縱梁之間設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)系，在下弦桿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁，預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板與縱梁上翼緣螺栓連接。縱橫梁為等高的工字型截面，端橫梁高為1580 mm，縱梁及其余橫梁全高1600 mm?？v梁翼緣板寬度為550 mm，端橫梁翼緣板寬580 mm，次端節(jié)間橫梁翼緣板寬500 mm，其他橫梁翼緣板寬420 mm。橫梁在與縱梁相接處設(shè)置接頭構(gòu)造，縱梁腹板及翼緣板均通過(guò)魚形板與接頭構(gòu)造的腹板、翼緣板栓接。在端節(jié)間設(shè)置變高度工字型撐架結(jié)構(gòu)高度由 850 mm變至1 600 mm，翼緣板寬360 mm，連接至下弦桿節(jié)間中點(diǎn)與縱橫梁交接處之間，接頭處采用拼接板栓接。上平縱聯(lián)采用高度為480 mm 的工字型截面交叉式腹桿體系，對(duì)應(yīng)橫聯(lián)處設(shè)置橫撐。下平縱聯(lián)采用交叉式腹桿體系，與縱梁相交處，均與縱梁的下翼緣板采用螺栓連接。下平縱聯(lián)桿件均采用T 型截面，連接時(shí)僅拼接翼緣板。該橋地處東北嚴(yán)寒地區(qū)，如果采用整體節(jié)點(diǎn)，焊縫疲勞應(yīng)力幅較難控制，因此本鋼梁所有節(jié)點(diǎn)均采用高強(qiáng)螺栓連接的散拼節(jié)點(diǎn)形式。

1． 2 縱梁連續(xù)的必要性

一般情況下，鋼桁梁長(zhǎng)度超過(guò) 80m 時(shí)，縱梁應(yīng)設(shè)置縱梁斷縫，以減小縱梁、橫梁內(nèi)力，減小橋面系參與結(jié)構(gòu)主體的受力作用及縱橫梁與下弦桿的變形?？v梁斷縫是一種特殊結(jié)構(gòu)，活動(dòng)縱梁的端部是通過(guò)一種特制的活動(dòng)支座支承于縱梁斷縫處的短伸臂上?？v梁活動(dòng)端可以縱向滑動(dòng)和豎向扭轉(zhuǎn)，但不允許行車過(guò)程中縱梁活動(dòng)端出現(xiàn)上下跳動(dòng)，為了避免這種情況的發(fā)生，特設(shè)置一塊鉸板把縱梁活動(dòng)端連在短伸臂上。

但近年來(lái)，在日常設(shè)備養(yǎng)護(hù)及檢查中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)活動(dòng)縱梁支座處出現(xiàn)不同程度的病害。例如，上海鐵路局在對(duì)南京長(zhǎng)江大橋的檢查中發(fā)現(xiàn)，大橋5 號(hào)孔活動(dòng)縱梁伸縮端在來(lái)車狀態(tài)下出現(xiàn)異常跳動(dòng)，活動(dòng)支座上下擺動(dòng)出現(xiàn)嚴(yán)重拍擊現(xiàn)象，并且連接縱梁短伸臂和縱梁活動(dòng)端的特制鉸板已嚴(yán)重變形，鉸板中部也嚴(yán)重隆起，隆起度達(dá)8 mm，而且其他9 孔鋼桁梁中有4 孔也發(fā)生了此類病害。濟(jì)南鐵路局在對(duì)曹家圈黃河特大橋的維修養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)，鋼梁橋活動(dòng)縱梁處的弧形支座和卡板在列車活載作用下出現(xiàn)上下部緊貼的變形病害，隨著行車速度的提高和貨運(yùn)載重的增加，此類病害逐步發(fā)展，而且活動(dòng)縱梁的橫向聯(lián)結(jié)系中斜桿、橫桿與鉸板三者交匯處的節(jié)點(diǎn)板發(fā)生了斷裂現(xiàn)象 。類似病害在其他地區(qū)鐵路鋼桁梁上也時(shí)有發(fā)現(xiàn)，這些病害直接影響著大橋的使用壽命及行車安全，而且不能中斷鐵路運(yùn)營(yíng)，維修加固工作十分復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高?？紤]到以上因素，同時(shí)為適應(yīng)套軌道床板的縱向布置、減少橋梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修工作量及提高軌道的平順性，本橋橋面系縱梁設(shè)計(jì)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，不設(shè)置活動(dòng)縱梁，受力檢算時(shí)考慮縱、橫梁橋面系參與主桁共同作用，并通過(guò)在端節(jié)間設(shè)置撐架結(jié)構(gòu)來(lái)協(xié)調(diào)橋面系的受力和變形狀態(tài)。

輥開橋2縱梁連續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

2．1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

108m 簡(jiǎn)支鋼桁梁結(jié)構(gòu)計(jì)算采用MIDAS CIVIL 進(jìn)行，共建有兩個(gè)模型：一個(gè)是全橋空間計(jì)算模型，該模型分為縱梁設(shè)置斷縫、縱梁連續(xù)不設(shè)置端節(jié)間撐架、縱梁連續(xù)設(shè)置端節(jié)間撐架三種類型；另一個(gè)是主桁平面計(jì)算模型。兩個(gè)模型在計(jì)算過(guò)程中采用相同的材料本構(gòu)關(guān)系、荷載組合。

空間模型考慮縱橫梁、下平聯(lián)參與共同作用，分階段施工，消除主桁結(jié)構(gòu)一期恒載引起的橋面系共同作用，用于縱橫梁、上下平聯(lián)、橫聯(lián)設(shè)計(jì)。該模型以結(jié)構(gòu)理論線形為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，各桿件均采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。主桁桿件節(jié)點(diǎn)、上平聯(lián)與主桁連接均按剛接模擬；橫梁梁端與主桁的連接按橫梁釋放面外彎矩考慮； 下平聯(lián)與下弦桿、下平聯(lián)各桿件之間均按鉸接模擬。支座均采用一般支承進(jìn)行模擬。空間模型全橋共劃分為987 個(gè)單元、492 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

平面模型不考慮縱、橫梁、下平聯(lián)參與共同作用，用于主桁桿件的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，邊界條件取自空間模型的計(jì)算結(jié)果。該模型以結(jié)構(gòu)理論線形為基準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，主桁各桿件均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。橋面板等二期恒載重量均以節(jié)點(diǎn)荷載均勻施加在主桁上。支座以一般支承進(jìn)行模擬。平面有限元模型共劃分為71個(gè)單元、57 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2．2 縱梁連續(xù)的影響

縱梁連續(xù)設(shè)計(jì)使橋面系順橋向剛度增強(qiáng)，參與鋼桁梁整體受力的作用增強(qiáng)，這必然對(duì)主桁的受力造成一定的影響。根據(jù)上節(jié)建立的有限元模型，對(duì)橋面系是否參與整橋受力、縱梁是否設(shè)置斷縫等情況進(jìn)行了檢算，以研究橋面系的設(shè)置形式對(duì)主桁及其自身受力的影響情況。數(shù)據(jù)表明：

第一，在恒載作用下，不考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)，主桁上、下弦桿最大軸力分別為－6 381.96 kN、6637.61 kN;考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)為－6 200.08 kN、4 283.24 kN，分別比前者減少約2.8% 、35．5% 。

第二，在活載作用下，不考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)，主桁上、下弦桿最大軸力分別為－4 784.34 kN、4966.11 kN;考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)為－3 986.69 kN、2 708.35 kN，分別比前者減少16.7% 、45.5% 。

第三，在恒載、活載作用下，不考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)主桁跨中最大豎向位移分別為93.8 mm、70.7 mm，考慮橋面系參與鋼梁整體受力時(shí)分別為78.6 mm、50.5 mm，分別比前者減少約16.2% 、28.6% 。

第四，在恒載 活載作用下，縱梁連續(xù)及斷開時(shí)縱梁最大軸力分別為2 191.1 kN、1 255.59 kN，后者為前者的57.3% 。

由此可見(jiàn)，縱梁連續(xù)對(duì)108 m 鋼梁整體受力有顯著影響，緩解了主桁桿件的受力狀態(tài)?？紤]縱梁參與鋼梁整體受力后，主桁桿件的內(nèi)力值有所減小，尤其是下弦桿減小幅度較大，而減小的這部分內(nèi)力則由橋面系等桿件承擔(dān)，縱梁軸力明顯增大，伴隨著端節(jié)間橫梁面外彎矩必然增大，因此橋面縱橫梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)較縱梁斷開設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)。

輥開橋3端節(jié)間撐架對(duì)縱橫梁受力及變形的影響

由于縱梁的連續(xù)，使縱梁軸力增大，橫梁面外彎矩增大，在運(yùn)營(yíng)活載的反復(fù)作用下，橫梁變形過(guò)大，容易發(fā)生疲勞破壞。為此，通過(guò)對(duì)比研究，在端節(jié)間設(shè)置變高度工字型截面的撐架結(jié)構(gòu)，縱梁傳來(lái)的軸力在梁端節(jié)間通過(guò)撐架分散傳遞至下弦桿。

數(shù)據(jù)表明:

第一，設(shè)置端節(jié)間撐架后，縱梁最大軸力由 2 191.1 kN增大至 2 446. 5 kN，增大了約 11. 7% ，但橫梁面外彎矩及水平撓度均有較大幅度的減小，其中端橫梁面外彎矩由 317 kN·m 降至 117 kN·m，減小約 63.1% ，水平撓度由 5.1 mm 減少至 1.7 mm，減少約 66.7% 。

第二，端節(jié)間撐架的設(shè)置，對(duì)縱梁的面內(nèi)彎矩、撓度以及橫梁的軸力、面內(nèi)彎矩影響較小，除端節(jié)間局部受到撐架的影響外，其他節(jié)間的計(jì)算結(jié)果幾乎相同。由此可見(jiàn)，端節(jié)間撐架的設(shè)置雖然引起了縱梁軸力的小幅度增加，但卻大幅度的改善了橫梁的受力及變形狀態(tài)。而縱梁軸力的增加可以通過(guò)適當(dāng)增大縱梁截面的方式進(jìn)行解決。

輥開橋4 橋面系桿件運(yùn)營(yíng)階段受力檢算

通過(guò)以上的分析對(duì)比，了解了橋面系設(shè)置連續(xù)縱梁對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力及變形的影響程度，掌握了設(shè)置端節(jié)間撐架對(duì)橋面系受力及變形的改善情況。要得知這種橋面系結(jié)構(gòu)形式是否能夠滿足運(yùn)營(yíng)荷載的需求，就需要對(duì)全橋進(jìn)行一個(gè)全面的檢算。該橋運(yùn)營(yíng)中、俄兩國(guó)列車，需要采用中、俄兩國(guó)規(guī)范對(duì)橋面系桿件進(jìn)行檢算。中國(guó)規(guī)范是基于容許應(yīng)力法，而俄羅斯規(guī)范則是基于可靠度理論的極限狀態(tài)法，兩國(guó)規(guī)范在理論體系、活載標(biāo)準(zhǔn)、材料技術(shù)條件及構(gòu)造要求等方面存在著相當(dāng)大的差異本文根據(jù)中俄兩國(guó)規(guī)范對(duì) 108 m 鋼桁梁桿件的疲勞特性、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性能進(jìn)行了檢算。本橋全新構(gòu)造形式的橋面系在運(yùn)營(yíng)荷載作用下，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足中、俄兩國(guó)規(guī)范的要求，說(shuō)明在該鋼桁梁橋面系中設(shè)置連續(xù)縱梁是可行的。

輥開橋5結(jié)論

結(jié)合同江黑龍江鐵路特大橋108 m 鋼桁梁橋面系的設(shè)計(jì)過(guò)程，分析了橋面系采用連續(xù)縱梁時(shí)對(duì)鋼梁整體受力的影響程度，研究了端節(jié)間撐架結(jié)構(gòu)對(duì)橋面系縱橫梁受力的改善作用，并根據(jù)中、俄兩國(guó)規(guī)范檢算了橋面系桿件在運(yùn)營(yíng)荷載作用下的受力情況，結(jié)果表明：

(1)采用連續(xù)縱梁時(shí)，橋面系參與鋼梁整體受力的作用增強(qiáng)，主桁的受力得到一定的分擔(dān)，緩解了主桁的受力狀態(tài)，對(duì)上弦桿的受力影響較小，腹桿次之，下弦桿最大，這是下弦桿與橋面系縱橫梁一起形成受力共同體的緣故。

(2)采用連續(xù)縱梁時(shí)，橋面系的順橋向剛度增大，縱梁的軸拉力明顯增加，從而引起橫梁特別是端橫梁的面外彎矩增大，水平撓度增大。

(3)端節(jié)間設(shè)置撐架結(jié)構(gòu)后，引起縱梁軸拉力小幅增加，但卻大幅度減小了橫梁的面外彎矩及水平撓度，使橫梁的受力更加合理?？v梁截面需適當(dāng)增大，以適應(yīng)其自身受力的需要。

(4)在運(yùn)營(yíng)階段橋面系桿件的疲勞、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性檢算結(jié)果滿足中、俄兩國(guó)規(guī)范要求，同江黑龍江鐵路特大橋108 m 鋼桁梁橋面系中設(shè)置連續(xù)縱梁是可行的。