蘇力

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

剛性懸索加勁鋼桁梁橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合了自錨式懸索橋與變截面連續(xù)鋼桁梁橋的受力特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)形式新穎、造型美觀，支點(diǎn)向上變高不僅豐富了鋼桁梁立面造型，而且可顯著改善鋼桁梁主桁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)已建成使用的該類型橋梁有東莞東江大橋、濟(jì)南黃河公鐵兩用橋等。

針對(duì)剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，學(xué)者們從不同角度開(kāi)展了相關(guān)的理論及試驗(yàn)研究。對(duì)于剛性懸索加勁鋼桁梁橋上弦桿與剛性加勁弦的交點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)復(fù)雜，加勁弦桿具有很大的拉力，而上弦桿具有很大的壓力，因此在加勁弦桿和上弦桿的交接處形成了錯(cuò)位，具有扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，使得該處應(yīng)力狀況變得極不明確。有限元計(jì)算及縮尺試驗(yàn)結(jié)果表明，由于次應(yīng)力效應(yīng)，節(jié)點(diǎn)區(qū)域最大應(yīng)力出現(xiàn)在加勁弦和上弦桿交叉處［1-2］。

研究表明剛性懸索加勁鋼桁梁的空間整體節(jié)點(diǎn)剛性較大，桿件在外荷載作用下承受一定彎矩，產(chǎn)生彎矩次應(yīng)力，因此建立考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的剛性懸索加勁鋼桁梁橋空間受力計(jì)算模型，與節(jié)點(diǎn)完全鉸接和完全剛接2種模型的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，研究了節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)桿端次應(yīng)力及結(jié)構(gòu)整體剛度的影響［3］。

石濟(jì)客運(yùn)專線濟(jì)南黃河公鐵兩用橋公路和鐵路橋面系均采用了正交異性橋面板，其除承受橋面局部荷載外，還參與體系受力。文獻(xiàn)［4-5］基于正交異性橋面板的疲勞特性，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外規(guī)范要求，提出了濟(jì)南黃河公鐵兩用橋正交異性橋面板的設(shè)計(jì)構(gòu)造細(xì)節(jié)及焊接工藝。此外，學(xué)者們還開(kāi)展了剛性懸索加勁鋼桁梁橋全橋的縮尺模型試驗(yàn)以及有限元計(jì)算分析，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的受力特點(diǎn)和承載力性能進(jìn)行了研究［6-10］。

綜上所述，對(duì)于剛性懸索加勁鋼桁梁這一新型結(jié)構(gòu)體系，學(xué)者們已針對(duì)其局部構(gòu)造、整體結(jié)構(gòu)開(kāi)展了各類理論及試驗(yàn)研究，但目前尚缺少實(shí)橋的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。本文基于石濟(jì)客運(yùn)專線濟(jì)南黃河公鐵兩用橋的成橋試驗(yàn)，針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開(kāi)展了3方面的專項(xiàng)試驗(yàn)研究：①對(duì)于三桁式空間桁架體系，外荷載作用在橫向上由3片主桁共同承擔(dān)，3片主桁由正交異性橋面體系相連接。由于邊桁和中桁桿件截面設(shè)計(jì)尺寸不同，且四線鐵路設(shè)計(jì)活載也有所差異，因此通過(guò)靜載試驗(yàn)測(cè)試了3片主桁的橫向分配，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的橫向整體性。②由于正交異性橋面體系在車輛反復(fù)作用下其局部構(gòu)造細(xì)節(jié)處會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，因此在公路橋梁中出現(xiàn)了較多因?yàn)槠趩?wèn)題而產(chǎn)生的病害，本文針對(duì)鐵路正交異性橋面體系，研究了列車局部輪載作用下各構(gòu)造細(xì)節(jié)的受力特征。③針對(duì)剛性懸索加勁鋼桁梁上弦桿與加勁弦連接處的特殊節(jié)點(diǎn)，基于相關(guān)文獻(xiàn)的模型試驗(yàn)及有限元計(jì)算結(jié)果，對(duì)實(shí)橋節(jié)點(diǎn)的受力特性進(jìn)行了測(cè)試。

1 工程實(shí)例

濟(jì)南黃河公鐵兩用橋主橋?yàn)椋?28+3×180+128）m剛性懸索加勁連續(xù)鋼桁梁，我國(guó)鐵路橋梁上首次采用該結(jié)構(gòu)形式，橋梁下層為石濟(jì)客運(yùn)專線、邯長(zhǎng)邯濟(jì)鐵路聯(lián)絡(luò)線四線鐵路，上層為濟(jì)南市繞城大北環(huán)雙向六車道公路。

鋼桁梁采用3片主桁，桁中心距14.65 m，桁高15 m，采用有豎桿三角形桁式，整體節(jié)點(diǎn)。加勁弦線形采用圓曲線設(shè)計(jì)，支點(diǎn)高24 m，在主跨跨中與上弦桿疊置，橋斷面布置見(jiàn)圖1。

圖1 橫斷面布置（單位：mm）

鐵路橋面采用縱橫梁體系的正交異性板整體橋面，節(jié)點(diǎn)處設(shè)橫梁，節(jié)點(diǎn)橫梁中間設(shè)3道橫肋。橋面板上對(duì)應(yīng)每條鐵路的2根鋼軌分別設(shè)置高0.6 m的倒T形縱梁，橋面板設(shè)閉口加勁肋。公路橋面橫梁橫肋間距及截面形式均與鐵路橋面板相同，截面尺寸有所不同，設(shè)閉口加勁肋，不設(shè)置縱梁。

石濟(jì)客運(yùn)專線設(shè)計(jì)行車速度250 km/h，雙線線間距4.6 m，設(shè)計(jì)活載為ZK活載；邯濟(jì)線設(shè)計(jì)行車速度120 km/h，雙線線間距4m，設(shè)計(jì)活載為中活載；2條鐵路均采用有砟軌道。公路為雙向六車道高速公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，橋面寬28.0 m，設(shè)計(jì)活載為公路?Ⅰ級(jí)。

2 試驗(yàn)方案

本文共開(kāi)展了三項(xiàng)專項(xiàng)試驗(yàn)，測(cè)試了荷載作用下，橋梁3片主桁主要桿件的應(yīng)力及主桁撓度、列車局部輪載作用下鐵路正交異性橋面板局部應(yīng)力、剛性懸索加勁鋼桁梁上弦桿與加勁弦連接處特殊節(jié)點(diǎn)的局部應(yīng)力。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，選擇邊跨、次主跨、主跨跨中及支點(diǎn)位置附近的上、下弦桿及腹桿對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)使用振弦式應(yīng)變儀根據(jù)桿件截面形式按四點(diǎn)法進(jìn)行布置；主桁撓度測(cè)點(diǎn)布置在邊跨、次主跨、主跨四分點(diǎn)位置，使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)試；鐵路正交異性橋面局部應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在E23，E24節(jié)間，測(cè)試位置包括鋼橋面板、U形閉口加勁肋下緣、小縱梁下緣、橫梁及橫肋下緣、橫梁及橫肋過(guò)焊孔開(kāi)口位置；特殊節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力測(cè)試選擇A29節(jié)點(diǎn)，測(cè)試位置包括加勁弦與上弦桿桿端、兩根桿件連接板圓弧倒角、節(jié)點(diǎn)板主應(yīng)力最大處。桿件應(yīng)力及主桁撓度、鐵路正交異性橋面局部效應(yīng)、加勁弦與上弦桿連接節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置分別見(jiàn)圖2—圖4。

圖2 桿件應(yīng)力及主桁撓度測(cè)點(diǎn)位置示意

圖3 鐵路正交異性橋面局部效應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置

圖4 加勁弦與上弦桿連接節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

2.2 加載方案

試驗(yàn)期間四線鐵路有兩線未鋪軌，不具備列車加載條件，公路橋面兩側(cè)未聯(lián)通。為達(dá)到一定的加載效率，在鋪軌的石濟(jì)客運(yùn)專線一側(cè)使用編組試驗(yàn)列車加載，未鋪軌的膠濟(jì)邯濟(jì)聯(lián)絡(luò)線一側(cè)使用重載汽車模擬列車荷載效應(yīng)。使用的試驗(yàn)車輛包括：DF4機(jī)車、KZ70貨車（滿載）、K13貨車（滿載）、40 t三軸重載汽車，各類車輛荷載軸示圖見(jiàn)圖5。實(shí)際列車編組方式包括DF4+11KZ70+DF4，全長(zhǎng) 175.014 m，DF4+25KZ70+K13+DF4，全長(zhǎng)373.596 m。重載汽車共26輛，根據(jù)試驗(yàn)工況布置在最不利加載位置。

圖5 靜載試驗(yàn)列車軸示圖（單位：cm）

對(duì)主桁桿件應(yīng)力、主桁撓度及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力的測(cè)試，按編組列車形式分為邊跨滿布、次主跨滿布、主跨滿布、邊跨+次主跨滿布、次主跨+主跨滿布5個(gè)加載輪位，重載汽車按影響線布置在最不利位置；對(duì)于鐵路正交異性橋面系局部效應(yīng)的測(cè)試，使用DF4機(jī)車首軸控制加載，沿縱向設(shè)置5個(gè)局部加載輪位，分別對(duì)應(yīng)測(cè)試區(qū)域橫梁、橫肋正上方及相鄰橫梁（或橫肋）中間位置。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 主桁橫向分配

試驗(yàn)測(cè)試了在最不利輪位下主桁各孔撓度及相應(yīng)桿件的應(yīng)力。3片主桁邊跨、次主跨及主跨的撓度實(shí)測(cè)結(jié)果及有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，實(shí)測(cè)撓度曲線連續(xù)光滑，變形規(guī)律與理論計(jì)算值吻合良好。

圖6 主桁撓度實(shí)測(cè)結(jié)果

3片主桁撓度橫向分配比例的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值見(jiàn)圖7，由于下游側(cè)加載車輛總重明顯低于上游側(cè)列車荷載，實(shí)測(cè)值及計(jì)算值都顯示上游側(cè)主桁變形明顯大于下游側(cè)主桁，但實(shí)測(cè)3片主桁撓度的分配比例較計(jì)算值更為平均。

圖7 主桁撓度橫向分配

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)四點(diǎn)法換算得到各桿件桿中平均應(yīng)力，3片主桁上對(duì)應(yīng)桿件應(yīng)力的橫向分配比例見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合，且與撓度測(cè)試值規(guī)律相似。由于試驗(yàn)荷載在上下游兩側(cè)橋面分布明顯不均，因此3片主桁桿件的應(yīng)力分配并不均勻，尤其對(duì)于支點(diǎn)截面位置相關(guān)桿件，這種現(xiàn)象更為明顯。但下游側(cè)邊桁實(shí)測(cè)應(yīng)力分配比例均略高于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)橫向整體性較好，與主桁撓度測(cè)試值一致。

圖8 主桁桿件應(yīng)力橫向分配

3.2 鐵路正交異性橋面局部效應(yīng)

縱梁、橫梁、橫肋的彎曲應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9，縱梁下緣測(cè)點(diǎn)位于局部輪位2處，其應(yīng)力在該工況下達(dá)到峰值19 MPa，隨著荷載移動(dòng)，下緣應(yīng)力由受拉轉(zhuǎn)為受壓，壓應(yīng)力在局部輪位5處達(dá)到峰值-11 MPa。橫梁測(cè)點(diǎn)位于局部輪位5處，其應(yīng)力在5個(gè)輪位的測(cè)試下基本保持在25～30 MPa。節(jié)間橫肋測(cè)點(diǎn)位于局部輪位1處，其應(yīng)力在該工況下達(dá)到峰值29 MPa，之后逐漸減小。

U形閉口加勁肋、鋼橋面板、橫梁過(guò)焊孔開(kāi)口處的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10?？梢?jiàn)：U形閉口加勁肋、橋面板、過(guò)焊孔測(cè)點(diǎn)均位于局部輪位2處，其中U形閉口加勁肋在局部輪位2下達(dá)到峰值9 MPa，隨著荷載移動(dòng)，下緣應(yīng)力由受拉轉(zhuǎn)為受壓，壓應(yīng)力在局部輪位5處達(dá)到峰值-6 MPa。在局部輪位荷載作用下，橋面板縱橫向均呈受壓狀態(tài)，其中縱橋向應(yīng)力在局部輪位1，2處較大，橫橋向壓應(yīng)力變化較小。過(guò)焊孔測(cè)點(diǎn)布置在橫肋上，其豎向局部應(yīng)力為上方測(cè)點(diǎn)受壓、下部測(cè)點(diǎn)受拉，橫橋向應(yīng)力變化較小。橋面板、U肋和過(guò)焊孔的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于鐵路正交異性橋面系，經(jīng)過(guò)鋼軌、軌枕和道砟的傳遞，上部荷載傳遞至橋面上后呈較為均勻的分布狀態(tài)，橋面系相關(guān)構(gòu)件上未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖9 縱梁、橫梁、橫肋彎曲應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

圖10 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

對(duì)加勁弦與鋼桁梁上弦桿的連接的A29節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試。節(jié)點(diǎn)板主壓及主拉應(yīng)力、加勁弦與上弦桿連接板主壓及主拉應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 A29節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖12 A29節(jié)點(diǎn)加勁弦與上弦桿連接板應(yīng)力云圖（單位：MPa）

實(shí)測(cè)加勁弦J18A29桿端位置軸向應(yīng)力為18.2 MPa，小于桿中平均軸向應(yīng)力，但桿端測(cè)得的彎曲應(yīng)力為-14.0 MPa，遠(yuǎn)大于桿中彎曲應(yīng)力5.0 MPa。上弦桿A28A29僅測(cè)試了桿端上緣應(yīng)力為-26.7 MPa，對(duì)應(yīng)桿中上緣應(yīng)力為-12.6 MPa。在上弦桿與加勁弦?jiàn)A角處連接板圓弧倒角位置，靠近加勁弦位置測(cè)得拉應(yīng)力56.0 MPa，靠近上弦桿位置測(cè)得壓應(yīng)力-36.6 MPa，該連接板受力較為復(fù)雜。對(duì)于A29上游側(cè)節(jié)點(diǎn)板，測(cè)得最大拉應(yīng)力為21.3 MPa，最大壓應(yīng)力為-21.8 MPa。

4 結(jié)論

1）由于試驗(yàn)荷載在上下游兩側(cè)橋面分布明顯不均，因此3片主桁的橫向分配并不均勻，但實(shí)測(cè)受力較小的下游邊桁桿件應(yīng)力及主桁撓度分配比例均略大于計(jì)算值，表明結(jié)構(gòu)橫向具有較好的整體性。

2）鐵路正交異性橋面系在局部輪位作用下，縱梁、橫梁、橫肋、U形閉口加勁肋、橋面板、橫梁過(guò)焊孔開(kāi)口處應(yīng)力幅值較小，說(shuō)明對(duì)于鐵路正交異性橋面系，經(jīng)過(guò)鋼軌、軌枕和道砟的傳遞，上部荷載傳遞至橋面上后呈較為均勻的分布狀態(tài)，橋面系相關(guān)構(gòu)件上未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)。

3）對(duì)上弦桿與加勁弦連接節(jié)點(diǎn)A29的測(cè)試表明，加勁弦及上弦桿桿端位置彎曲次應(yīng)力效應(yīng)明顯。在上弦桿與加勁弦?jiàn)A角處連接板圓弧倒角位置，靠近加勁弦位置測(cè)得拉應(yīng)力56.0 MPa，靠近上弦桿位置測(cè)得壓應(yīng)力-36.6 MPa，該連接板受力較為復(fù)雜且應(yīng)力幅較大，應(yīng)對(duì)其疲勞問(wèn)題予以關(guān)注。