密布横梁与混凝土板组合桥面系高速铁路下承式钢桁梁桥的研究

摘要

近年来,随着高速铁路建设的飞速发展,中国建造了许多高速铁路桥梁。在上跨河流、公路时,受通航、通车对桥下净空和桥头高程的限制,桥梁的建筑高度一般较低,下承式钢桁结合桥是较好的选择。密布横梁与混凝土板组合桥面系下承式钢桁梁桥与其它组合桥面的钢桁梁桥相比建筑高度更低,受力性能更为合理。
　　本文受铁道部科技研究开发计划项目《客运专线道碴桥面钢桁梁及轨道结构试验研究》(2006K002-D)的资助,以一座96m跨度的高速铁路桥梁为背景,对密布横梁与混凝土板组合桥面系下承式钢桁梁桥的受力特性和计算方法作了较为深入系统的研究,主要取得了如下创新性成果:
　　1.提出了桥面系参与主桁共同作用程度的解析解和简化公式。根据桥面系与主桁下弦杆的变形协调条件,推导了横梁的水平挠曲表达式,提出了桥面系参与主桁共同作用程度的解析解;考察了横梁的面外抗弯刚度、下弦杆截面积、混凝土板宽度和厚度等因素对桥面系参与主桁共同作用程度的影响;通过多元非线性回归分析和简化,得到了桥面系参与主桁共同作用程度的简化公式。试验结果表明,本文的解析解和简化公式具有良好的精度。
　　2.提出了桥面系第二系统受力的解析解。将支承在密布钢横梁上的混凝土桥面板作为弹性支承上的连续板,考虑了横梁的竖向挠度和扭转对混凝土板受力的影响,推导了桥面均布荷载和一般荷载作用下,混凝土板的“五弯矩方程”和“五反力方程”,进而求得桥面系第二系统受力的解析解。解析解与有限元结果吻合良好。
　　3.基于第2条的研究成果,推导了桥面荷载两条传力途径的传力比和各横梁间传力比的简化计算公式,提出了桥面荷载作用下主桁的受力模式。考察了大横梁(节点横梁)与小横梁(节间横梁)竖向刚度比、横梁间距与混凝土板宽度比等因素对传力比的影响。提出的主桁受力模式对桥梁的初步设计具有指导意义。
　　4.对高铁线路上一座96m跨度的密布横梁与混凝土板组合桥面系下承式钢桁梁桥完成了1:6的全桥缩尺模型试验。通过对纯钢模型、半结合模型与全结合模型各种工况下的对比试验,对三种桥面结构的受力特性和参与主桁共同作用的程度作了分析。模型试验和有限元分析计算表明,本文提出的各种计算方法和计算公式具有良好的精度。
　　5.提出了横梁组合梁栓钉的设计计算方法,分别推导了第一系统和第二系统作用下栓钉所受剪力的计算公式,考虑横梁与混凝土板结合面的相对滑移,对全桥作了精细的空间有限元分析,考察了各种布置方案中栓钉的受力情况,结果表明本文提出的栓钉设计计算方法切实可行,具有较高的实用性。本文的研究成果为下承式钢桁结合桥的设计提供了依据,并已应用于我国高速铁路的桥梁建设,取得了较好的经济效益和社会效益。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 高速铁路下承式钢桁结合桥桥面结构的分类和受力特点

1.2.1 纵、横梁与混凝土板组合桥面结构

1.2.2 密布横梁与混凝土板组合桥面结构

1.2.3 正交异性整体钢桥面与混凝土板组合桥面结构

1.3 下承式钢桁结合桥计算方法的国内外研究现状

1.3.1 解析法研究现状

1.3.2 有限单元法研究现状

1.3.3 需要进一步研究的若干问题

1.4 本文的研究内容和思路

第二章 桥面系参与主桁共同作用程度的研究

2.1 引言

2.2 桥面系参与主桁共同作用程度的定义

2.3 桥面系参与主桁共同作用程度的解析解

2.3.1 受力状态分析

2.3.2 求解思路

2.3.3 横梁的水平挠曲

2.3.4 桥面系与下弦杆变形的协调方程

2.4 桥面系参与主桁共同作用程度的影响因素分析

2.4.1 钢与混凝土弹性模量比的影响

2.4.2 主桁中心距的影响

2.4.3 横梁间距的影响

2.4.4 下弦杆截面积的影响

2.4.5 横梁面外抗弯刚度的影响

2.4.6 混凝土板宽度及厚度的影响

2.5 桥面系参与主桁共同作用程度的简化公式

2.5.1 基本表达式

2.5.2 桥面系参与主桁共同作用程度的回归分析

2.6 本章小结

第三章 桥面系第二系统受力特性和计算分析

3.1 引言

3.2 均布荷载下桥面结构第二系统受力分析计算

3.2.1 求解方法

3.2.2 基本结构受力的求解

3.2.3 弹性支承连续板的五弯矩方程

3.2.4 弹性支承连续板的五反力方程

3.2.5 五弯矩(反力)方程组的求解

3.2.6 计算结果的修正

3.3 有关五弯矩方程的讨论

3.3.1 五弯矩方程的参数分析

3.3.2 五弯矩方程的简化

3.4 非均布荷载下桥面结构第二系统受力计算

3.5 本章小结

第四章 桥面荷载的传递规律研究

4.1 桥面荷载传力途径和传力比

4.1.1 桥面荷载传力途径

4.1.2 传力途径和横梁的传力比

4.2 传力比的影响因素分析

4.2.1 横梁与混凝土板的竖向刚度比的影响

4.2.2 大横梁与小横梁的竖向刚度比的影响

4.2.3 横梁间距与混凝土板宽度比的影响

4.3 传力比的简化公式

4.3.1 基本表达式

4.3.2 传力比的回归分析

4.4 主桁的受力模式

4.5 本章小结

第五章 96M密布横梁与混凝土板组合桥面系下承式钢桁梁桥模型试验

5.1 引言

5.2 模型试验方法

5.2.1 模型尺寸和模型制作

5.2.2 模型试验的3个阶段

5.2.3 加载工况和加载方法

5.2.4 测点布置和测试方法

5.3 空间有限元分析

5.4 试验结果与分析

5.4.1 主桁位移、应力

5.4.2 横梁位移、应力

5.4.3 混凝土板应力

5.5 理论分析、有限元法和试验结果的对比

5.5.1 桥面系参与主桁共同作用程度

5.5.2 桥面系第二系统受力

5.5.3 桥面荷载传力途径的传力比

5.5.4 平面法计算主桁变形和应力

5.6 本章小结

第六章 组合桥面系栓钉的设计和布置方法研究

6.1 引言

6.2 栓钉设计计算方法

6.2.1 设计荷载类型及计算方法

6.2.2 第一系统作用下横梁上栓钉的剪力计算

6.2.3 第二系统作用下横梁上栓钉的剪力计算

6.2.4 栓钉总剪力及栓钉布置

6.3 应用实例及栓钉受力分析

6.3.1 栓钉布置方案

6.3.2 栓钉受力的有限元分析

6.3.3 各方案栓钉受力对比分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果