客货共线铁路钢-混结合连续梁受力特征计算分析

葛 凯

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

钢-混结合梁是将钢梁与混凝土桥面板通过剪力连接件连接成整体并共同受力的桥梁结构形式，能够显著降低自重，并可通过预制、拼装实现装配式施工，为我国铁路桥梁的发展提供了新的思路和方向［1-3］。国外对钢-混结合梁已有了细致、深入、全面的研究和应用，在美国、日本、法国钢和钢-混组合结构桥分别约占桥梁总数的35%，41%，85%。美国、英国、德国、加拿大、前苏联等国家均制定了有关组合结构桥梁的设计规范或规程［4-6］。国外的应用实践说明钢-混组合结构本身具有一定的技术经济性。我国铁路桥梁目前仍以预应力混凝土梁为主，近年来钢-混结合梁尤其是连续梁在我国铁路逐渐得到应用和发展［7］。

秦沈客运专线建有（24+32+24）m、（24+2×32+24）m、（32+40+32）m、（40+50+40）m的4种跨度共16联钢-混结合连续梁桥，其中（40+50+40）m 连续梁采用开口式双箱单室等高度截面，其余连续梁采用双工字梁截面。芜湖公铁两用长江大桥主跨为（180+312+180）m的斜拉板桁结合矮塔斜拉桥，桥面系采用上承式钢桁梁-混凝土结合梁。商合杭客运专线建有5 跨1 联的钢-混结合连续梁桥，采用闭口式单箱双室等高度截面。合宁客运专线建有（40+56+40）m 钢-混结合连续梁，采用单箱单室等高度截面。武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥为（98+196+504+196+98）m 的双塔斜拉桥，下层铁路桥梁采用下承式钢桁梁-混凝土道砟槽板组合桥面结构。

工字形、箱形、槽形等截面形式在我国铁路桥梁工程领域均有应用［8］。箱形截面组合梁桥的抗扭刚度大，同时钢箱内部封闭性和耐久性较好。表1 对比分析了开口与闭口2 种形式结合梁的特点，经比选最终采用闭口双箱单室截面，如图1所示。每侧梁端布置4个支座。

表1 不同截面形式结合梁特点

图1 钢-混结合梁闭口双箱单室截面

针对设计速度200 km/h 客货共线铁路进行截面尺寸拟定和计算分析，根据通桥〔2014〕8188A《时速160 km、200 km 客货共线铁路常用跨度箱梁桥面附属设施》，桥面宽取11.6 m，悬臂部分宽取2.1 m。正弯矩区桥面板采用C50 混凝土，负弯矩区桥面板采用RPC 混凝土（R130），厚度取 300 mm（悬臂端最薄200 mm）。在负弯矩区域的箱梁底部浇筑300 mm 厚的C40混凝土，从而提高整体刚度，减小负弯矩区拉应力。钢主梁采用Q345qD 钢材，每隔4 m 设置1 道横隔板，同时根据受力需求和构造要求设置横纵肋板、连接螺栓和剪力钉。对于（5×40）m 结合梁采用整孔预制吊装先简支后连续的施工工艺，其他跨度的结合梁采用满堂支架搭设、钢梁节段拼装、拆除支架、浇筑混凝土的施工工艺。

1 设计参数

1.1 恒载

1）自重：结构钢材重度取78.5 kN/m3；钢筋混凝土重度取26 kN/m3。钢-混结合梁材料用量见表2。

表2 钢-混凝土结合梁材料用量 t·m-1

2）二期恒载：按210 kN/m取值。

3）收缩徐变：按混凝土板整体降温15 ℃考虑。

1.2 活载

1）设计活载［9-10］：客货共线铁路桥涵列车竖向静活载采用ZKH标准活载，动力系数1+μ的表达式为

疲劳计算时，其动力系数1+μf的表达式为

式中，L为桥梁跨度，m。

2）横向摇摆力［10］：取集中荷载100 kN。

3）离心力［10］：桥梁在曲线上时，应考虑列车竖向静活载产生的离心力。离心力F的计算式为

式中：ƒ 为竖向活载折减系数；C为离心力率；V为设计速度，取200 km/h；R为平面曲线半径，取3 500 m；W为竖向设计活载，kN或kN/m。

4）风荷载［10］：有车时风荷载W1=800K1K2；无车时风荷载W2=1 400K1K2。其中K1为风载体形系数，取1.3；K2为风压高度变化系数，取1.0。

1.3 温度荷载

竖向荷载组合工况中按混凝土板整体升温或降温15 ℃计算［11］，横向荷载组合工况中按钢梁横向温度梯度 16 ℃计算［12］。

1.4 运梁车荷载

计入冲击系数的运梁车荷载见表3，不同型号运梁车荷载图式见图2、图3。

表3 运梁车荷载（计入冲击系数）

图2 YLSS900-32 m运梁车荷载荷载图示（长度单位：cm）

图3 1 000 t-40 m运梁车荷载荷载图示（长度单位：cm）

1.5 荷载组合

荷载组合工况见表4。经反复试算，最终拟定截面尺寸如图1 和表5。各种跨度连续梁截面尺寸中钢箱宽度L1均为2.4 m，钢箱间距L2均为2.2 m。

表4 荷载组合工况

表5 截面尺寸 mm

2 施工工序

1）（5×40）m 先简支后连续钢-混结合梁：①将预制好的简支梁进行吊装架设（图4（a））；②接缝处钢梁拼装、接缝处底板和桥面板混凝土浇筑（图4（b））；③支座更换，桥梁由简支体系变为连续体系（图4（c））。

图4 （5×40）m钢-混结合连续梁施工工序（单位：m）

2）（40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m支架施工钢-混结合连续梁：①搭设支架，架设与拼装钢梁（图5（a））；②拆除支架，浇筑正弯矩区混凝土（图5（b））；③浇筑负弯矩区顶、底板混凝土（图5（c））。

图5 （40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m钢-混结合连续梁施工工序（单位：m）

3 有限元建模

本桥采用MIDAS/Civil 2017 建立有限元模型，采用SPC 生成组合截面。整体坐标系中x轴为桥长方向，y轴为桥宽方向，z轴为竖直方向。采用梁单元进行模拟。各跨度钢-混结合连续梁的支点约束如图6所示。有限元模型如图7 所示，梁单元节点设于桥面板顶面中部，支点与梁单元节点之间采用刚性连接。不同荷载工况下采用不同的弹性模量比n［11］，因此在3个模型中分别取3种弹性模量比n。模型1模拟恒载及收缩、徐变作用，n=15；模型2 模拟活载作用，n=10；模型3模拟温度影响，n=6。通过适当降低负弯矩区钢梁与桥面板之间的局部联结程度（3种模型中均采用n=20）、局部增加钢梁上翼缘板厚等方式减小负弯矩区混凝土拉应力。

图6 支点约束示意

图7 有限元模型示意

4 计算结果

通过建立有限元模型，对跨度系列为（5×40）m、（40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m 的客货共线铁路钢-混结合连续梁在设计静活载作用下的竖向挠度和梁端转角，横向摇摆力、离心力、风荷载、温度荷载作用下的横向挠度，收缩徐变作用下的竖向挠度，竖向荷载组合工况作用下的钢梁及桥面板混凝土应力，设计活载作用下的疲劳应力幅进行检算，计算结果如下。

4.1 竖向挠度

静活载作用下，梁体竖向挠度不应大于L/1 200（L≤40 m）、L/1 000（40 m＜L≤80 m）、L/900（L＞80 m）［10］。由表6 梁体挠度可知，（5×40）m、（40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m 钢-混结合梁最大竖向挠度分别为 26.95，37.39，49.10，58.70 mm。（5×40）m钢-混结合梁最大挠度位于边跨，其余跨度最大挠度位于中跨。图8 为竖向挠度最大值，可知竖向静活载下各种跨度钢-混结合梁最大挠度均满足规范要求。

表6 梁体挠度 mm

图8 竖向挠度最大值

4.2 梁端转角

图9为梁端转角，可知，竖向静活载作用下（5×40）m、（40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m 钢-混凝土结合梁的梁端转角均小于规范限值（3‰），跨度越大储备越大。

图9 梁端转角

4.3 横向挠度

在列车横向摇摆力、离心力、风荷载和温度荷载的横向荷载组合作用下，梁体的横向挠度不应大于梁体计算跨度的1/4 000［10］。由表6 可知，各种跨度结合梁的横向挠度远小于规范限值，跨度越大梁体横向挠度越大。

4.4 收缩、徐变变形

由表6可知，（5×40）m 先简支后连续钢-混结合梁在收缩、徐变作用下梁体边跨及中跨下挠，次边跨上拱，最大位移为2.99 mm。（40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m 钢-混结合连续梁在收缩、徐变作用下梁体中跨上拱，边跨下挠，最大位移分别为2.48，1.85，1.86 mm。

4.5 钢梁应力

主力组合工况、主力+附加力组合工况、运梁工况作用下的钢梁容许应力分别为 210，273，252 MPa［13］。由图10可知，主力+附加力组合工况作用下，钢梁产生的应力最大，但相对应力限值的储备较大。主力组合工况作用下，钢梁应力相对应力限值的储备较小，（5×40）m 钢-混结合梁最大应力为正弯矩区钢梁拉应力（为 180.0 MPa），（40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m 钢-混结合梁的最大应力为负弯矩区钢梁压应力（分别为176.1，179.9，186.5 MPa）。运梁工况作用下，各跨度连续梁的应力较规范限值均有较大储备。

图10 钢梁应力

4.6 桥面板混凝土应力

在主力组合工况、主力+附加力组合工况、运梁工况作用下的混凝土最大压应力限值分别为16.8，21.8，25.2 MPa［12］。图11为桥面板混凝土应力。由图11（a）可知，各工况作用下混凝土压应力较规范限值均有较大储备。由图11（b）可知，主力+附加力组合工况作用下各种跨度连续梁负弯矩区桥面板混凝土产生的拉应力最大。（5×40）m、（40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m 钢-混结合连续梁桥面板最大拉应力分别为9.5，9.8，10.2，10.8 MPa，采用R130 混凝土可满足设计要求（拉应力限值为14.4 MPa）。

图11 桥面板混凝土应力

4.7 钢梁疲劳应力幅

钢梁母材的疲劳容许应力幅为145.0 MPa，纵向角焊缝的疲劳容许应力幅为110.3 MPa［13］。钢材疲劳应力幅检算方法如下：

1）对于疲劳应力以拉为主的构件，其疲劳应力幅检算式为

式中：γd为多线桥的多线系数；γn为以受拉为主的构件的损伤修正系数；γt为板厚修正系数；σmax为最大应力；σmin为最小应力；［σ0］为疲劳容许应力幅。

2）对于疲劳应力以压为主的构件，其疲劳应力幅检算式为

式中，γp为应力比修正系数。

3）当疲劳应力均为压应力时，可不进行检算。

表7为钢梁疲劳应力幅，可知各跨度钢-混结合连续梁的疲劳应力幅均满足规范要求，跨度越大钢梁疲劳应力幅越小，且较规范限值储备越大。

表7 钢梁疲劳应力幅 MPa

5 结论

1）最不利荷载组合工况为主力+附加力组合工况（自重+二期恒载+双线ZKH 活载+收缩徐变+温度荷载）。主力组合工况下钢梁应力和桥面板混凝土拉应力较规范限值储备相对较小。运梁工况下各项结果较规范限值均有较大储备，不控制设计。

2）满足钢梁应力及负弯矩区桥面板混凝土拉应力限值的前提下，各种跨度连续梁的竖向挠度、梁端转角、横向挠度等均有较大储备。因此，客货共线铁路钢-混结合连续梁由应力指标控制设计，可采用在梁底浇筑混凝土、适当降低负弯矩区钢梁与桥面板之间的联结程度、局部增加钢梁上翼缘板厚等方法作为有效控制措施。

3）（5×40）m、（40+64+40）m、（48+80+48）m、（60+100+60）m 跨度钢-混结合连续梁的每米用钢质量分别为4.93，6.27，8.40，11.22 t，钢-混结合连续梁的单位长度质量分别为14.8，16.5，18.6，21.5 t/m。与按中-活载设计的（40+64+40）m 预应力混凝土连续梁（广昆施桥8-2-1）、（48+80+48）m 预应力混凝土连续梁（哈佳桥通-Ⅰ-06）、（60+100+60）m 预应力混凝土连续梁（青连桥通-Ⅰ-10）相比较（见图12），可知本文中相同跨度钢-混结合连续梁单位长度质量可降低47.2%～61.0%，且跨度越大降低的幅度越大。

图12 连续梁单位长度质量对比