【摘 要】
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钢-混组合梁桥由于其能充分发挥不同材料的强度,并具有良好的跨越能力、整体经济性优越的特点,一经提出便受到广泛重视,在公路桥梁中得到较多应用。近年来,随着我国快速推进铁路,尤其是高速铁路建设,钢-混组合连续梁桥也逐渐应用于高速铁路桥梁中。但由于高速铁路荷载大,动力效应明显,具有严格的线路平顺性要求,尤其作为拱上主梁结构,具有较高的技术难度,而国内外相关研究较少。张(家界)-吉(首)-怀(化)铁路芙蓉
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钢-混组合梁桥由于其能充分发挥不同材料的强度,并具有良好的跨越能力、整体经济性优越的特点,一经提出便受到广泛重视,在公路桥梁中得到较多应用。近年来,随着我国快速推进铁路,尤其是高速铁路建设,钢-混组合连续梁桥也逐渐应用于高速铁路桥梁中。但由于高速铁路荷载大,动力效应明显,具有严格的线路平顺性要求,尤其作为拱上主梁结构,具有较高的技术难度,而国内外相关研究较少。张(家界)-吉(首)-怀(化)铁路芙蓉镇酉水大桥主桥采用非对称上承式钢管混凝土拱桥,跨度292m,设计最高速度为350km/h,为双线组合混合梁拱桥,是国内罕见的采用大跨度非对称组合结构拱设计的高速铁路桥。其中钢-混组合连续梁结构受到拱结构影响,在包括列车活载等荷载作用下处于较为不利受力状态,其受力性能将直接影响大桥主梁乃至于全桥的工作状态,是该大桥的一项研究重点和难点。本文以张-吉-怀铁路芙蓉镇酉水大桥为工程背景,对其拱上的钢-混组合连续梁开展静力受力分析及模型试验研究,主要研究内容、方法及成果总结如下:(1)分析了张-吉-怀铁路芙蓉镇酉水大桥钢-混组合梁的最不利工况及最不利位置,采用ANSYS有限元软件建立了最不利状态的梁体空间有限元模型,分析了组合梁各构件的受力状态以及变形特征。结果表明:结构整体的应力水平较低,混凝土最大压应力不超过-8.34MPa,拉应力基本小于3.0MPa,钢梁最大拉应力为129.65MPa,最大压应力为-138.06MPa,钢-混组合连续梁在最大负弯矩工况下受力状态最为不利;栓钉滑移滑移量不超过0.143mm,变形较小,具有足够的安全储备;钢-混组合梁在各工况作用下,受剪力滞效应影响,其混凝土顶板及钢底板最大剪滞系数分别为1.341、1.108,表现出较明显的横向分布差异。各工况下,栓钉应力不超过66.87MPa,处于弹性工作状态。整体而言,钢-混组合梁受力、传力性能良好,钢-混协同工作性能良好,满足高速铁路桥梁的运营技术要求。(2)根据张-吉-怀铁路芙蓉镇酉水大桥钢-混组合梁的构造特点和受力、传力方式,采用控制变量法,对钢顶板宽度、厚度、栓钉布置方法等参数变化对结构的力学性能影响进行了分析。研究得出:钢顶板宽度由900mm增大至1800mm时,混凝土板平均拉应力增大12%,钢底板平均应力减小0.48MPa,可知混凝土板刚度较大时,在满足栓钉布置要求条件下,适当减小钢顶板宽度由利于降低混凝土板受拉、充分发挥钢梁强度;钢顶板厚度由24mm增大至40mm时,钢顶板竖向变形减少0.009mm,可知增大钢顶板厚度,有利于减小顶板面外变形、保证栓钉刚度和强度发挥;栓钉均匀布置使得梁体沿纵桥向与横桥向的应力分布更加均匀,集束式布置则提高了结构的局部强度要求,以上布置条件下混凝土顶板的最大剪滞系数分别达到1.244、1.341,而不同的栓钉布置方式对组合梁整体受力影响有限,混凝土顶、钢底板的应力变化分别不超过0.121MPa和8.19MPa。(3)为验证张-吉-怀铁路芙蓉镇酉水大桥钢-混组合梁的实际受力性能,基于有限元仿真分析,设计了梁体静载模型试验,经过方案比选确定了采用相似比为1:2.5的全截面模型,并确定了相应的试验加载方案和测试方案。(4)通过对试验模型的有限元分析,分析了模型在基本工况下各构件的受力和变形状态,对比原结构有限元模型的计算结果可知两者的应力水平和分布状态基本一致,等效测点应力相对误差基本小于10%,说明试验模型与原组合梁的等效性良好,拟定的试验模型可以反映原结构的主要受力状态。
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