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高速铁路下承式钢系杆拱桥结构行为研究

陈列  
【摘要】:随着高速铁路的快速发展,高速铁路斜交跨越城市干道、高速公路的机率很大,其需求跨度范围为90-150m,当桥下净空要求较高且桥上受线路标高限制时,采用下承式钢系杆拱桥具有独特的优势。该桥型在国内外高速铁路桥梁中得到了一定的应用,具有外形美观、跨越能力强、施工干扰小、桥面下结构高度低等优点,但其应用时间还不长,研究还不深入。根据高速铁路对桥梁刚度、受力、变形、动力性能、疲劳性能等要求,在总结国内外研究成果基础上,以福厦高速铁路128m跨度下承式钢系杆拱桥为工程背景,对高速铁路下承式钢系杆拱桥结构行为进行了系统研究。 首先,针对高速铁路下承式钢系杆拱桥结构体系进行了全面的研究,提出了适用于高速铁路下承式钢系杆拱桥的合理结构形式。采用有限元数值方法,系统地研究了吊杆形式、拱肋与系梁相对刚度比、拱肋内倾角、拱肋横向连接系、矢跨比、桥面型式对结构动力特性、刚度、受力和变形的影响。在考虑受力、施工、用钢量等综合因素下,提出了适用于高速铁路下承式钢系杆拱桥的合理结构形式,即矢跨比1/5左右、平行拱、刚性吊杆、“一”字横撑、密布横梁小纵梁的正交异型整体钢桥面。以福厦铁路128m钢系杆拱桥为研究对象,对该结构的静力性能进行了计算分析,在各种荷载组合下,结构的应力、变形等各项指标均满足规范要求,进一步验证了所提出高速铁路下承式钢系杆拱桥结构形式的合理性。 其次,针对高速铁路下承式钢系杆拱桥典型构造细节,包括6种拱脚构造形式、正交异性钢桥面板、吊杆与拱肋和系梁的连接、横梁与系梁的连接等受力复杂部位,采用有限元分析方法进行疲劳构造的应力分析,探明了各连接细节中应关注的疲劳关键部位。从改善疲劳性能的角度提出了合理的拱脚构造形式;针对目前桥规未涉及铁路桥梁正交异性钢桥面的疲劳规定,对铁路正交异性钢桥面板的疲劳荷载加载、疲劳抗力进行了探索,指出疲劳应力幅比较大的构造细节主要为闭口肋与桥面板角焊缝连接部位、闭口肋与横梁交叉位置、闭口肋与次横梁交叉位置前后板块闭口肋横向对接部位、前后板块纵梁横向对接部位。 再次,针对高速铁路下承式钢系杆拱桥正交异性钢桥面,为深入研究正交异性整体钢桥面在铁路桥梁中的适用性能、应力分布规律和传力途径,检验构造细节的可靠性,采用1:2几何缩尺,进行了节段模型试验,重点研究了铁路单线荷载、双线荷载作用下横梁、桥面板、U肋的应力及变形规律。将试验数据与所提出的计算方法进行了对比分析,验证了分析计算理论和方法的正确性。 最后,针对高速铁路下承式钢系杆拱桥正交异性钢桥面,在理论分析的基础上,针对正交异性钢桥面疲劳应力幅较大的部位,采用1:1几何缩尺、制作了包括桥面板、3个U肋、2个横梁及2个模拟系梁的疲劳试验模型,通过疲劳试验,验证了铁路活载作用下正交异性钢桥面典型构造的疲劳可靠性,表明本文所提出的正交异性钢桥面构造细节能够满足高速铁路桥梁疲劳性能的要求。 通过本文的研究,对下承式钢系杆拱结构体系、结构形式、桥面和关键节点构造等方面进行了较为系统的分析研究,通过模型试验对正交异性整体钢桥面结构计算方法和分析成果进行分析和验证,较为系统地总结出高速铁路下承式钢系杆拱桥刚度、稳定性、受力、动力性能、疲劳性能变化规律,为下承式钢系杆拱桥在高速铁路桥梁中的应用提供依据和参考。


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