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高速铁路正交异性整体钢桥面结构形式、受力性能和设计计算方法研究

罗如登  
【摘要】:正交异性整体钢桥面结构具有自重轻、整体性好、承载能力大、行车舒适性好的特点,因而在国内高速铁路大跨度桥梁和公铁两用桥梁上应用越来越多,发展很快。本文在铁道部科技研究开发计划课题《客运专线桥梁设计技术研究——客运专线桥梁正交异性板整体钢桥面系技术研究》(合同编号2008G007-B)的资助下,以京沪高速铁路南京大胜关长江大桥、阜景铁路安庆长江铁路大桥和渝利铁路韩家沱长江大桥等为例,采用理论分析、有限元对比分析和模型试验相结合的方法,对正交异性整体钢桥面结构形式、受力性能和设计计算方法等作了较为系统的研究,主要取得如下创新性成果: 1、研究了纵肋形式(板肋、倒T肋和U肋)对正交异性整体钢桥面结构受力性能和稳定性的影响。结果表明:在加劲肋本身用钢量和竖向抗弯刚度相等的情况下,各种相同荷载工况下,三种形式纵肋加劲的正交异性整体钢桥面结构竖向位移的差别不大于1.4%;横向位移的差别不大于5.1%,U肋方案横向刚度较大;桥面系应力差别一般不大于6.7%;U肋方案的弹性整体稳定系数一般较其它纵肋形式方案大23%以上;不同纵肋形式均可应用于正交异性整体钢桥面结构,但U肋在刚度、强度和稳定性诸方面都表现良好。 2、研究了U肋高度、钢桥面板(U肋翼板)厚度、U肋厚度和横梁腹板厚度等不同参数对正交异性整体钢桥面结构受力性能和稳定性的影响,给出了上述各参数合理取值范围。提出了U肋设计参数匹配的“合理普适度”概念和计算公式,在上述各设计参数合理取值范围内,综合考虑结构刚度、强度、稳定性和经济性(用钢量)诸因素,计算合理普适度,给出了三组最合理的U肋设计参数匹配。 3、研究了只在下弦节点设置横梁的纵横梁体系正交异性整体钢桥而结构的受力特性和适用性。结果表明:在桥面荷载作用下,纵横梁体系钢桥面结构下弦杆受力较小、负担较轻,纵梁(肋)、横梁面内受力和变形较大,桥面系参与第一系统作用的程度要大于下弦杆,横梁而外受力和变形较大;需设置较大截面的纵、横梁,适用丁对桥而系建筑高度限制要求不严的,跨度较小的桥梁。 4、研究了在下弦节点和节间跨中均设置横梁的多横梁和密布横梁体系正交异性整体钢桥面结构的受力特性和适用性。结果表明:在桥面荷载作用下,多横梁和密布横梁体系钢桥面结构下弦杆受力较大、负担较重,纵梁(肋)、横梁面内受力和变形较小;多横梁体系桥而系参与第一系统作用的程度略小于下弦杆,横梁而外受力和变形较小,可设置截面较小的纵、横梁,适用于对桥面系建筑高度限制要求较严的、大、特大跨度的桥梁;密布横梁体系桥面系参与第一系统作用的程度略大于下弦杆,横梁面外受力和变形也较小,一般小设置纵梁,横梁截面可更小,适用于对桥而系建筑高度限制要求更严的(如:曲线桥)、中、大跨度的桥梁。 5、推导了正交异性整体钢桥面系杆件的钢桥而板有效宽度表达式,进而提出了正交异性整体钢桥面结构的空间杆系结构简化计算方法SFSM法(Space Frame Simplified Method)。通过算例验证,该法可大大减少计算量,且准确度较高,可应用于桥梁设计的开始阶段和中期阶段。 6、提出了第二系统作用下正交异性整体钢桥面系杆件平面梁简化计算方法—PBSM法(Plane Beam Simplified Method),给出了计算参数图表。该法根据计算参数图表将桥面系杆件简化成为平面梁模型来计算内力和应力。通过算例验证,该法简便易行,具有一定的准确度,可应用于桥梁设计的开始阶段。 7、取安庆长江铁路大桥三个节间桥而系为研究对象,制作了3节间的1:4缩尺节段模型,对多种形式桥而结构进行了试验,验证了正交异性整体钢桥面结构的受力性能和简化计算方法的正确性。 上述研究成果已应用于我国多座高速铁路正交异性整体钢桥面桥梁的设计,取得了很好的经济效益和社会效益,也为将来类似桥梁的设计提供了理论支持和技术储备。


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