连续梁—桁组合结构几项关键参数的选取

贾超锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

连续梁—桁组合结构几项关键参数的选取

贾超锋

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

为满足客运专线对轨道平顺性的苛刻要求，研究能够有效提高结构刚度，降低温度等变形的组合结构意义重大。本文以(80+168+80)m混凝土连续梁—钢桁组合结构为背景，对桁梁合理加劲范围、桁高、桁式、梁体刚度几项关键设计参数进行了简要的分析，为预应力混凝土连续梁—钢桁组合结构设计提供一些理论支持。

连续梁—桁组合结构 桁高 桁式 梁体刚度

为满足高等级铁路对轨道平顺性的苛刻要求，研究能够有效提高结构刚度，温度变形和徐变变形较小的新型组合结构是十分必要的。连续梁—桁组合结构由预应力混凝土梁和加劲结构钢桁架组合而成，该结构既能有效地降低桥梁建筑高度，又可提高结构整体刚度而改善梁端转角，同时可明显减小混凝土梁桥后期徐变变形值。可惜国内该类结构应用还较少，其中中铁大桥院和同济大学在京沪高速铁路南京越江工程中曾研究提出了斜拉桥主梁采用钢桁梁-PC箱梁组合的方案，并进行了初步的静力和动力分析，对结构整体受力变形行为进行了一定的探索。国外近年来在桥梁建设中开始较大范围地应用钢—混凝土混合结构，工程中应用的主要方式有以下两种:①直接作为单独的桥梁结构即组合桁梁，应用于立交桥;②钢桁架作为空腹式混凝土箱梁的腹板。

铁一院在兰新第二双线铁路首次采用(80+168 +80)m连续梁—桁组合结构(图1)，采用“先梁后桁”的施工方法。本文就该桥几项设计关键参数的选取进行简要介绍。

图1 (80+168+80)m连续梁—桁组合结构

1 桁梁合理加劲范围

本桥采用“先梁后桁”的施工方案，在主力组合时，钢桁梁只承受二期恒载和活载。对铁路桥而言，自重一般约占全部竖向荷载的70%，这就意味着约70%的荷载仍由梁体承担，因此梁桁组合结构的梁高至少应参照的连续梁来选取。根据常规连续梁的设计经验，跨径约140 m时支点梁高大约10.5～11.5 m之间，考虑到尚有后续荷载作用，以及梁—桁组合结构由于构造原因底板宽度加宽等因素，支点梁高暂取11 m，跨中梁高取5 m，梁高按照1.8次抛物线变化。典型截面如图2、图3、图4所示。

图2 支点截面示意(单位:cm)

为取得加劲钢桁的设置范围对组合结构(中跨168 m)的贡献值，在加劲桁桁高12 m、节间长12 m、钢桁杆件尺寸相同等其它条件不变的前提下，以中跨跨中为对称点分别对加设钢桁范围分别按0，84，108，120，132，156 m进行了比较分析。分析结果如表1、表2、表3所示。

首先分析中跨加桁和不加桁的计算结果。从表2，3中可知二期恒载及ZK活载作用下，加桁结构的弯矩、中跨跨中竖向位移及梁端转角明显减小，其中中跨跨中弯矩减小约40%，可见加劲桁作用明显。

图3 跨中截面示意(单位:cm)

图4 弦杆、腹杆截面(单位:mm)

表1 不同加劲范围二期恒载140 kN/m作用下内力比较

表2 不同加劲范围ZK活载作用下的内力比较

表3 不同加劲范围ZK活载作用下刚度指标比较

其次分析中跨加桁不同范围的计算结果。由表1，2，3可知:随着加桁范围的增加，中支点弯矩逐渐减小，弦杆轴力逐渐增加，腹杆轴力逐渐减小，而中跨中弯矩变化不大。这是因为当加桁范围超出正弯矩区段时，正弯矩的减小幅度很小，而对支点区结构整体刚度有所帮助，从而减小了中支点负弯矩。考虑到钢桁最终传力到梁体支点以及整体刚度的平稳过渡，推荐加劲范围为156 m方案。

2 桁高对组合结构力学性能的影响

桁高是影响梁—桁组合结构力学特性的重要指标。在其他条件不变的前提下，加大桁高则钢桁承担竖向荷载的比例增大，组合结构的竖向刚度提高，但腹杆的长细比加大，从而会对腹杆的稳定带来一定的不利影响;同时用钢量也进一步增加。因此合理选取桁高是连续梁—桁组合结构设计的关键问题之一。

如前所述原因，进行桁高比选时支点梁高暂取11 m，跨中梁高取5 m。

在此基础上，按照中跨范围设置无竖杆三角形平弦桁架时，对加劲桁的桁高进行比选，考虑到节间长度对总体受力性能的影响较小，节间长度取12 m，考虑到铁路限界，桁高的比选范围为12～16 m。在二期恒载140 kN/m作用下，不同桁高对组合结构的内力影响如表4所示。

表4 二期恒载140 kN/m作用下加劲桁桁高对组合结构的内力影响

通过对钢桁桁高从10，12，14，16 m计算对比分析可知:加劲桁的高度对支点弯矩的影响很小，可以忽略不计。对跨中截面而言，桁高越高对跨中的加劲作用越强，跨中弯矩逐渐减小(表4)，但由于梁体刚度较大，变化的幅度不剧烈;由于中跨刚度提高后，对边跨的约束增强，梁端转角及静载挠度也逐步减小(表5)，但桁高达到14 m以上时，加劲增强幅度相对12 m桁高时明显减小，而且用钢量相对12 m桁高时也增加很多。

表5 ZK活载作用下不同桁高刚度指标比较

另外综合考虑桁高与节间长度的匹配对节点构造的影响以及景观要求等因素，推荐采用12 m桁高。

3 桁式对组合结构力学性能的影响

常用的桁式有三角桁、N形桁和菱形桁等，由于本桥主梁刚度大，主桁的受力相对较小，不存在节间长度加大对桥面系用钢量的影响，因此采用造型简洁、受力明确的无竖杆三角形桁架。

结合本桥受力特点，又进行了加设平弦无竖杆三角形桁架(见图5)和曲弦无竖杆三角形桁架(见图6)的对比。

在连续梁梁高取11～5 m、中跨加桁156 m范围、节间长12 m、钢桁杆件尺寸等其它条件不变的前提下，对平弦桁高12 m和曲弦桁高从12 m变化到17 m的两种加桁形式进行对比分析。从加劲效果方面来看(表6)，曲线桁比平弦桁效果好，但提高幅度不大，而在节点构造处理方面曲弦桁难度较大，综合分析推荐无竖杆三角形平弦桁架。

图5 加平弦桁立面示意

图6 加曲弦桁立面示意

表6 平弦桁和曲弦桁计算结果对比

4 梁体刚度对组合结构力学性能的影响

梁体刚度是影响组合结构力学特性的重要指标，在加劲钢桁不变的情况下，梁体刚度越大，需钢桁加劲的作用越小，梁体刚度越小，需钢桁加劲的作用越大。为取得合理的梁体刚度，在中跨156 m范围加桁、桁高12 m、节间长12 m、无竖杆三角形平弦桁架等其它条件不变的前提下，分别对支点(跨中)梁高10.5(4.5) m，11(5)m，11.5(5.5)m三种情况进行对比分析。不同梁高内力及刚度指标的比较详见表7、表8、表9。

表7 不同梁高二期恒载作用下内力比较

表8 不同梁高ZK活载作用下内力比较

表9 不同梁高ZK活载作用下刚度对比

从表7得知:二期恒载作用下，梁高整体增加0.5，1.0 m时，中支点弯矩分别增加4%，6%;中跨跨中弯矩分别增加19%，25%;边跨跨中弯矩分别增加5.7%，11.3%;而钢桁弦杆最大轴力分别减小10.5%，20.1%;腹杆最大轴力分别减小11.6%，21.7%。

从表8得知:ZK活载作用下，梁高整体增加0.5，1.0 m时，中支点弯矩分别增加1%，1.4%;中跨跨中弯矩分别增加12.2%，23%;边跨跨中弯矩分别增加2.4%，4.4%;而钢桁弦杆最大轴力分别减小11.7%，21.5%;腹杆最大轴力分别减小11.8%，21.5%。

从表9得知:ZK活载作用下，梁高整体增加0.5，1.0 m时，中跨跨中竖向位移分别减小17.7%，24.2%;梁段转角分别减小18.2%，31.8%。

由上述可知，梁高整体增加0.5，1.0 m时，钢桁杆件内力逐渐减小，梁段转角及跨中挠度均有大幅度改善，但是梁体增加1 m时对跨中挠度的改善幅度已不太明显，且梁体自重也增加很多。综合分析选取中支点梁高11 m，跨中梁高5 m的箱梁结构。

5 结语

通过上述关键参数的计算分析可知，上述几种设计关键参数不同取值，均对连续梁—桁组合结构设计有较大的影响。除此几项关键参数外还有其它影响因素，尚需继续探讨研究。

［1］李慧乐，郭薇薇，夏禾.一种新型铁路钢—混组合桁架桥的动力特性分析［J］.铁道建筑，2011(10):1-4.

［2］盖小红.跨兰西高速公路特大桥主桥连续梁—钢桁组合结构设计［J］.铁道标准设计，2011(11):70-73.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10020—2009高速铁路设计规范(试行)［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［4］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

(责任审编孟庆伶)

U441

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.02

1003-1995(2015)06-0006-04

2014-12-08;

2015-02-10

贾超锋(1982—)，男，河南商丘人，工程师。