铁路桥梁钢管混凝土结构体系参数研究.pdf

铁路桥梁钢管混凝土结构体系参数研究 李 国强 ，徐 升桥 ( 中铁工程设计咨询集 团有 限公 司桥梁工程设计研究院 ，北京 1 0 0 0 5 5 ) 桥 梁 摘 要 ： 在铁 路桥 梁钢管混凝土结构设计 中， 钢管混凝土截面的轴压刚度 、 抗弯刚度和混 凝土收缩徐 变 系数是 关键 的结构体 系设计 参数 ， 通过对 时速 2 5 0 k m客运 专线铁路有砟轨 道双线简支组合拱和大瑞铁路澜沧江特大桥等 2座 典 型钢 管混凝土结构桥 梁进 行不 同体 系参数的对比计算 分析 ， 研 究 了结构安 全 系数 取值 与容许应 力的对 应关 系， 以及钢 管 内混凝 土收缩徐 变和刚度取值对结构 内力的影响 ， 提 出了钢 管混凝土结构安全 系数的建议值 和结构 分析 的一般规 定， 有关结论可供钢管混凝 土结构桥 梁设计参 考。 关键词 ： 铁路 桥梁 ；钢管混凝土 ；安全 系数 ；收缩徐 变；刚度 中图分类号 ： U 4 4 8 3 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 2 70 3 Pa r a m e t e r S t u d y o n Co nc r e t e fil l e d S t e e l Tu be S t r uc t u r e S y s t e m i n Ra i l wa y Br i dg e s LI Gu o q i a n g，XU S h e n g q i a o ( B r i d g e E n g i n e e r i n g De s i g n a n d Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a Ra i l wa y E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g G r o u p C o ，L t d ，B e i j i n g 1 0 0 0 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h e p r o c e s s o f d e s i g n f o r t h e c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e s t r u c t u r e i n r a i l wa y b r i d g e s ，t h e a x i a l c o mp r e s s i v e s t i f f n e s s a nd t he b e n d i n g s t i f f n e s s o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e c r o s s s e c t i o n，a s we l l a s t he c o n c r e t e s h r i n ka g e a n d c r e e p c o e ffi c i e n t a r e t h e k e y d e s i g n pa r a me t e r s o f s t r u c t u r a l s y s t e mI n t h i s pa p e r， t wo c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e b r i d g e s wi t h d i f f e r e n t s y s t e m p a r a me t e r s r e s p e c t i v e l y we r e t a k e n a s t he t y p i c a l e x a mp l e s ， i n whi c h t h e o n e i s a s i mp l y s u p po r t e d d o u b l e l i n e a r c h - c o mb i n a t i o n b r i d g e wi t h b a l l a s t e d t r a c k o n 2 5 0 k m h p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e a n d t h e o t h e r i s a s u p e r ma j o r b r i d g e o n Da l i Ru i l i Ra i l wa y a t t he La n c a ng Ri v e r Th e n c o nt r a s t i v e c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s o n t he t wo b r i d g e s we r e c a i e d o u t ，a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e s t r u c t u r e s a f e t y c o e ffi c i e n t a n d t he a l l o wa b l e s t r e s s wa s r e s e a r c h e d Al s o t h e i n f l u e n c e s u p o n t he s t r u c t ur a l i n t e r n a l f o r c e s c a u s e d b y c o n c r e t e s h r i n ka g e a nd c r e e p i n s i d e t he s t e e l t u b e a s we l l a s b y t h e s t i f f n e s s v a l u e we r e s t u d i e d F i n a l l y，t he a u t h o r s p u t f o r wa r d n o t o n l y t he p r o po s e d v a l u e s o f s a f e t y c o e ffic i e nt b u t a l s o t h e g e n e r a l r e q u i r e me n t s o f s t r uc t u r a l a n a l y s i s f o r c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e s t r u c t u r e， a nd t he n t he r e l e v a n t c o n c l us i o n s c a n s e r v e a s r e f e r e nc e s for t he d e s i g n o f c o n c r e t e - fil l e d s t e e l t ub e b r i dg e Ke y wo r ds ：r a i l wa y b r i d g e；c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e；s a f e t y c o e ffi c i e n t ；s h r i n k a g e a n d c r e e p；s t i f f n e s s 1 概 述 目前钢管混凝土结构在我国铁路桥梁建设 中已得 到 大量 的应 用 ， 与建筑 结构 相 比桥梁 结构 具有跨 度 大 、 承 受 活载 的 特 点 。叠 加 法 符 合 桥 梁 工 程 师 的 设 计 习 惯 ， 可较好地反映大跨度钢管混凝土拱桥施工和运营 过程钢管、 混凝土应力变化以及结构位移变化的情况， 收稿 日期 ： 2 0 1 21 1 3 0 基金项 目： 铁 道部科技研究开发计划项 目( 2 0 0 9 G 0 0 3 F ) 作者简介 ： 李 国强( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 高级工 程师 ， 1 9 8 7年毕 业于 同济 大学 桥 梁工程专业 ， 工学学 士。 铁道标准设计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 3( 0 4) 便于设计者开展总体性桥梁结 构分析 ， 确保工程的使 用与安 全性 能 。 进行铁路钢管混凝土桥梁的结构分析时 ， 结构安 全系数与容许应力的取值 以及钢管内混凝土收缩、 徐 变参数 的确定 ， 是钢管混凝 土结构桥梁设计 的关键问 题 ， 对保证铁路桥梁钢管混凝土结构的正常使用与结 构 安全 具有 十分 重要 意义 。 有关符号 ： 一 钢 的屈 服强 度 ； 一 混凝土的标准强度； 27 桥 梁 李国强， 徐升桥一铁路桥梁钢管混凝土结构体系参数研究 一 钢材 轴 向容许 应 力 ； A 一钢 截 面积 ； A 一 混凝 土截 面 积 ； 一 轴心 受压 稳定 系数 ； 一计算轴 向力； 一 计算弯矩 ； 一轴 压 承载力 ； c ， 一钢管混凝土轴心强度计算系数 ； o 、 b 、 c 、 d 、 r 。 一钢管混凝土压弯强度计算系数 。 2 结构 安全 系数与 容许 应 力 对 时速 2 5 0 k m 客 运 专 线铁 路 有 砟 轨 道 双 线 简 支 组合拱设计图( 专桥( 2 0 1 0 ) 0 2 2 7 一 I V) 和大瑞铁路澜沧 江特 大 桥 建 立 空 间有 限元 分 析 模 型 ， 考 虑 施 工 过 程 钢管 、 管 内混凝土单元应力的逐步累加 ， 以及混凝土收 缩徐变的影响， 进行结构安全系数与容许应力 的取值 计算 分 析 。 2 1 专桥 ( 2 0 1 0) 0 2 2 7一 IV 时 速 2 5 0 k m 客运 专 线 铁 路 有 砟 轨 道 双 线 简 支 组 合拱 ( 专桥 ( 2 0 1 0) 0 2 2 7一 I V) 为钢管混凝 土拱肋 与混 凝土主梁构成的组合桥梁结构 ， 主梁长 1 2 2 m， 计算跨 度 1 1 8 m。 主拱 拱 肋 为 钢 管 混 凝 土平 行拱 ， 拱 轴 线 采 用二次抛物线 ， 矢高 2 3 6 m， 矢跨 比 1 5 。拱肋采 用 Q 3 4 5 q钢 、 哑铃 形截 面 的钢管 混凝 土 ， 截面 由 2根 钢 管 及连接腹板组成 ，截面全 高 3 2 m， 钢管直径 1 2 m、 壁厚 3 2 m m( 拱脚段 3 6 m m) ， 腹板厚 1 6 m m， 管内灌注 C 5 0自密 实混 凝土 。如 图 1所示 。 标 准 段 拱 肋 拱 脚 段 拱 肋 图 1 钢管混凝土拱肋截 面( 单位 ： mm) ( 1 ) 拱肋组合应力 主力组合作用下 ， 钢管最大应力 1 7 1 4 MP a 、 最小 应力 1 3 7 6 MP a ( 受压) ， 混凝土最大压应力 7 6 MP a ； 主+ 附组合作用下 ， 钢管最大应力 1 7 1 4 M P a 、 最 小 应 力 1 2 8 4 MP a( 受 压 ) ， 混 凝 土 最 大 压 应 力 7 6 MP a。 ( 2 ) 拱肋强度 轴心受压构件的强度按下式计算 K =N ( 1 ) 2 8 剞 档 鼎 暴 N = ( A +C A j o ) 压 弯构 件 的强度 应按 下式 计算 N N 2【 P j 7 1 N n M + 一 d 。 NN 2 3 r o 一 6 cN 1 M 丁一 百+ 拱肋截面强度计算结果见图 2图 5 。 拱肋X 坐标 图 2主力工况轴压 强度安全 系数 4 0 椒 嚣3 o 出 暴2 5 拱肋 坐标 图 4主+ 附工况轴压 强度安全 系数 司 照 鹱 ( 2) ( 3) ( 4) 拱肋X 坐标 图 3主 力 工 况 拱 肋 强度综合 系数 拱肋X 坐标 图 5主 +附 工 况 拱 肋 强度综合 系数 2 2大 瑞铁 路澜 沧江 特大 桥 大瑞铁路澜沧江特大桥 为主跨 3 6 3 m上承式劲 性 骨架 钢筋 混凝 土拱 桥 ， 拱肋 劲 性 骨 架采 用 Q 3 4 5 q钢 的 4管式桁 架 ， 弦杆 钢管 外 径 1 o m， 壁 厚 根据 受 力 部 位 的不 同 分 为 2 6 、 3 6 、 4 2 、 4 6 mm， 管 内 灌 注 C 6 0混 凝 土 。 由于恒 载 比例 大 ， 本 桥 为主 力组合 工 况控 制设 计 。 ( 1 ) 拱 脚截 面 主力组 合 下计算 轴 力 N=4 1 8 8 0 k N， 截 面 承 载 力 N =8 5 7 5 6 k N。 安全 系数 K= 8 5 7 5 6 4 1 8 8 0 = 2 0 5 。 相 应 的钢 管 应 力 =2 3 8 M P a ， 混 凝 土 应 力 = 1 3 9 MPa。 ( 2 ) 拱 顶截 面 主力组合下计算轴 力 ：3 9 6 9 1 k N， 截面承载力 N =8 7 7 4 2 k N。 安全系数 K=8 7 7 4 2 3 9 6 9 1 =2 2 1 。 相应 的钢 管 应 力 ：2 2 1 MP a ， 混 凝 土计 算 应 力 =1 4 3 MPa 。 3混凝 土收 缩 钢管内混凝土的纵 向收缩 ， 将在截 面上产生收缩 铁道标准设 计R A I LW AY S T A N D A R D D E S I G N 2 0 1 3( 0 4 ) 李国强 ， 徐升桥一铁路桥梁钢管混凝 土结 构体系参数研究 自应力 ， 对于钢管是压应力 ， 对于混凝土则是拉应力。 3 1 计 算方 法 按 以下 3种计算条件 ， 对时速 2 5 0 k m客运专线铁 路有砟轨道 双线简支组合拱 ( 专桥 ( 2 0 1 0) 0 2 2 7一 I V) 进 行 比较计 算 ： ( 1 ) 不计管内混凝土收缩 ； ( 2 ) 参 照混 凝 土 梁 “ 桥 规 ” 的计 算 方 法 ， 收 缩 应 变终极值取 0 0 0 0 1 1 ； ( 3 ) 管 内混凝土收缩按混凝土降温 1 0计算。 图 6为 采 用 MI D A S C i v i l 建 立 的 空 间 有 限 元 模 型， 主梁 、 拱肋 、 横撑均采用梁单元模拟 ； 拱肋单元为哑 铃型截面 ， 采用施工阶段联合截面来模拟钢管和管内 混凝土的相互作用。模型共包括 2 9 1 个节点和 3 3 9个 单元 ， 分析模型如图 6所示。 图 6 空间有 限元模型 3 2计 算 结果 ( 表 1 ) 表 1 拱肋恒载轴力 k N 从表 1 可知 ， 混凝土收缩按管内 昆 凝土降温 1 O 计算 与按“ 桥规” 方法计算 ， 计算结果较为接近 。 考虑管 内混凝土收缩 ， 钢管轴力增加约 1 4 6 1 8 1 ， 混凝 土轴力减小 1 8 1 2 2 2 ， 混凝 土收 缩 效应 不可 忽视 。 4混凝 土徐 变 混 凝 土徐 变使组 合 截 面 中钢 管分 担 的 内力 增 加 ， 管内混凝土分担的内力减小。目前 的铁路钢管混凝土 拱桥设计 ， 徐变计算多参照混凝土桥梁的计算方法。 4 1 计 算方 法 按以下 3种计算条件， 进行比较计算 ： ( 1 ) 不计 钢管 内混凝 土 的徐变 ； ( 2 ) 灌注钢管 内混凝土 l O d后张拉 吊杆， 参 照混 凝 土 梁 “ 桥 规 ” 的计 算方 法 ， 钢管 内混凝 土 徐 变终 极 系数取 1 7； ( 3 ) 钢 管 内混凝 土徐 变终极 系数 取 2 0 。 计 算模 型 见 图 6 。 铁道 标准设计R AI L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 3( 0 4) 桥 梁 4 2 计 算结 果 以上 3种计算方法得到的结构 内力见表 2 。考虑 钢管 内混凝土徐变 ， 钢管 内力增加、 混凝土内力减小 ： 徐变系数取 1 7， 钢管轴力增加约 4 1 8 ， 混凝土轴力 减小 约 5 1 5 ； 徐 变 系 数 取 2 0 ， 钢 管 轴 力 增 加 约 4 7 7 ， 混凝土轴力减小约 5 8 3 。 表 2拱肋恒载轴力 k N 5刚度参 数 钢管混凝土拱肋刚度的取值对结构的静动力计算 结果 有一 定影 响 ， 徐 升桥 通 过 统 一理 论 导 出 了叠 加法公式 的轴压刚度 、 弯曲刚度计算系数 、 叼 。 ， 可较 好地满足铁路钢管混凝土结构的设计计算需要。 5 1 计 算方 法 采用常规方法计算 钢管混凝 土结 构的徐变效应 时 ， 钢管单元 、 混凝土单元的轴压 刚度 、 抗弯刚度分别 取 ： A 、 叼 A E A 。 ； E ， 、 7 7 I E ， 。 。 时速 2 5 0 k m客运专线铁路有砟轨道双线简支组 合拱 ( 专桥( 2 0 1 0 ) 0 2 2 7一 IV) 拱肋标准段含钢率 O 为 0 1 1 6 ， 根据文献 1 有关数据 ： =1 0 2 ， = 0 4 6 。 5 2 计算 结果 不同刚度计算参数条件 ， 恒 、 活载作用下的结构 内 力分别见表 3 、 表 4 。 表 3拱肋恒载内力 不考虑刚度计 算参数 考虑 刚度计算参数 项 目 轴 力 k N ( 譬 ) 轴 力 k N ( 譬 ) 钢管混凝土钢管混凝 土钢管混凝土钢管 混凝土 不考虑 刚度计算参数 考虑刚度计算参数 项 目 最大轴 力 k N 最大( k N 最大轴力 k N 最大 ( k N 钢管混凝 土钢管混凝土钢管混凝土钢管 混凝土 考虑刚度计算参数 ， 恒 、 活载作用下 ， 钢管与混凝 土分担的内力变化不大 ： 钢管轴力略有减小 、 混凝土轴 力 略有增 加 。 29 桥 梁 浅议中美两国铁路桥梁技术标准的部分异同点 董鹏飞 ( 中铁第一 勘察设计院集 团有 限公 司公路 研究院 ，西安7 1 0 0 4 3 ) 摘要 ： 结合我 院近年 来在 海外工程设计方 面的经验 ， 对 比中关两国现行铁路桥 梁技 术标准 ， 阐述 两者间的部分 异 同点。中美两 国铁路桥 梁技术标 准最大的差异体现在设 计活 载与设 计速度 、 结 构刚度及 变形要 求、 桥 梁结构设 计 方法。对于两 国标准的 实质 内容 而言 ， 美国标 准更偏 重于普速及 重载 ， 缺乏 高速铁路 的 实践 ， 虽然在 A R E M A 中也 有部分高速铁路的条文 ， 但 明显研究不够深入 ， 大部分条 文仅有 目录 ， 没有具体条 款 ， 具体 内容 尚在研 究中 ， 规 范的 深度和广度明显不如我 国高速规 范 系列。 关键词 ： 铁路桥 梁 ；技 术标准 ；美国铁路 工程 手册 ；容许 应力法 ；极限状 态设计 法；异 同点 中图分类号 ： U 4 4 2 5 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 3 ) 0 40 0 3 0 0 7 Br i e f Co mm e n t s o n S o me S i mi l a r i t i e s a nd Di f f e r e n c e s b e t we e n Chi n e s e a n d Am e r i c a n Te c hn i c a l S t a n da r d s f o r Ra i l wa y Br i dg e ( Hi g h wa y Re s e a r c h I n s t i t u t e L t d ，Xi a n 71 0 0 4 3，C h i n a ) Abs t r a c t：I n c o mb i n a t i o n wi t h t h e e x p e r i e n c e s o n o v e r s e a e n g i n e e r i n g d e s i g n s o f o u r i n s t i t ut e i n r e c e n t y e a r s，a n d c o mpa r i ng t h e c u r r e nt r a i l wa y b r i d g e t e c hn i c a l s t a n d a r ds o f Ch i n a wi t h t h a t o f Ame r i c a，t h i s p a pe r e x p l a i ns t h e s i mi l a r i t i e s a n d d i f f e r e n c e s Th e c o mpa r i s o n r e s u l t s s h o w t ha t ，t h e bi g g e s t d i ffe r e n c e s 收稿 日期 ： 2 0 1 2一l O一2 9 ；修回 日期 ： 2 0 1 21 1 0 6 作者简介 ： 董鹏 飞( 1 9 7 6 一)， 男 ， 工 程师 ， 2 0 0 3年毕业于兰州交通大学 桥梁工程专业 ， 工学学 士， E m a i l ： g l d p f f s d i c o m e n 。 6 结语 对于铁 路 桥梁 钢 管 混 凝 土 结 构 ， 结 构 安 全 系数 K 和钢管内混凝土收缩徐变系数、 刚度计算参数 的取值 ， 是 结 构分 析与 设计 的关 键参 数 。 6 1 结构 安 全 系数 从 以上两 类实 桥 的 计 算 结果 可 以看 出 ， 钢 管混 凝 土构件的钢管应力在各种荷载组合 ( 不 含地震 力 ) 下 均 不 大于 1 2 5 ， 相 应主 力工 况下 的安 全 系数 K不 小于 2 0 ， 因此结构的强度安全系数 K可按下式取值 ： 主力 2 0 ； 主力 + 附加 力 K1 8 。 6 2混 凝 土收 缩 、 徐 变 钢管混凝土结构的混凝土收缩值较普通钢筋混凝 土结构要小 ， 混凝土收缩 产生的内力可按混凝土降温 l 0 c C 计算 ； 钢管混凝土拱桥主拱拱肋截面应力计算必 须考虑混凝土徐变的影 响， 钢管内混凝 土的徐变系数 终极值 ( t ， ) 可取为 1 8 2 0 。 6 。 3 刚度 采用常规方法计算钢管混凝土结构的徐变效应 、 动 力特性 和 活载 效应 时 ， 钢管 和 混 凝 土 单 元 的 轴 压 刚 度、 抗弯刚度分别取 E A 、 叼 E A ； E I 、 r 。 E I 。 ； 考虑混 凝 土徐 变和 长期 疲 劳效 应 ， 计 算 钢 管 混 凝 土 结 构 成 桥 阶段 的结构 稳定 性 时 ， 钢 管和混 凝 土单 元 的轴压 刚度 、 抗弯刚度分别取 。 A 。 、 0 5 叼 A E A 。 ； E ， 、 O 5 叼 。 E ， 。 参 考文 献 ： 1 徐升桥 铁路桥梁钢管混凝土结构基本设计参数研究 J 铁道标 准设计 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 5 2 5 5 。 2 中铁工程设计 咨询集 团有 限公司 铁路桥梁钢管混凝土结 构技术 规程 R 北京 ： 中铁工程设计咨询集 团有限公司 ， 2 0 1 1 3 韩林海 钢管混 凝土结 构一理论 与实践 M 2版 北 京 ： 科 学 出 版社 ， 2 0 0 7 4 徐升桥 铁 路桥 梁 罕遇地 震 设计 研究 J 铁 道工 程学 报 ， 2 0 0 8 ( S ) ： 1 5 81 6 4 5 T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5， 铁路桥涵钢筋 混凝土 和预应 力混凝土 结构设 计规范 S 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 5 6 韦建刚 ， 陈宝春 钢管混凝土拱桥拱 肋刚度设 计取值 分析 J 交 通运输工程学报 ， 2 0 0 8， 8 ( 2 ) ： 3 43 9 铁道 标准设计R AI L W AY S T A NDA R D D E S I G N 2 0 1 3 ( 0 4) k c 室 P_ 呈 G N O D S _至 町 w R M 卟