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第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07006305铁路钢混梁装配式桥面板受力特征计算分析李旺旺1，2 班新林1，2 苏永华1，2 王昊宇31.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.北京城建集团 建筑工程总承包部，北京 100088摘要 为探索铁路钢混梁装配式桥面受力性能，建立装配式钢混梁桥面板有限元模型，从而对比分析铁路荷载作用下整体现浇和预制装配式桥面板的受力特征，分析装配式桥面板长度、宽度、厚度、主梁横向间距等参数对桥面板受力特征的影响。结果表明：装配式钢混梁桥面板采用预制装配方式后结构纵桥向正、负弯矩变化较小，但横桥向正、负弯矩显著减小；预制板长度增加，预制板横桥向正弯矩、负弯矩绝对值增大，纵桥向负弯矩增大；预制板宽度增加，横桥向正弯矩、负弯矩，纵桥向负弯矩均增大；预制板厚度增大，横桥向负弯矩、纵桥向负弯矩均增大，纵桥向正弯矩减小；主梁横向间距增加，横桥向正弯矩增大，横桥向负弯矩减小，纵桥向负弯矩增大。各因素影响程度依次为：预制板宽度 主梁横向间距 预制板长度 预制板厚度。关键词 铁路桥梁；装配式钢混梁；数值模拟；预制桥面板；受力特征中图分类号 U448.13 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.12引用格式：李旺旺，班新林，苏永华，等.铁路钢混梁装配式桥面板受力特征计算分析 J.铁道建筑，2023，63（7）：6367.随着我国基础设施的全面建设，铁路运输网稳步扩大和加密，有时需在环境较为恶劣的地区开展铁路桥梁建设1。恶劣环境下，大型设备、材料、人员受现场条件制约，严重影响了工程建设的效率和质量。装配式施工是将结构拆分为若干可组装的构件，在工厂制备完成后运输至施工现场再进行组装施工，以此提高结构构件的施工质量和施工现场生产效率2。该施工方法在环境恶劣地区具有良好适用性。钢混组合梁结构主要包含纵向钢主梁、桥面板和剪力连接系统三部分。该结构形式可充分发挥钢和混凝土的力学性能，具有自重轻、跨度大、抗震性能好的优点3-4。目前，钢混梁在法国、德国、日本铁路和国内公路系统已有广泛应用5-6。随着装配式施工方法的推广应用，钢混梁结构和装配式施工方法的结合将进一步提高该结构形式的优势。钢混梁的钢主梁可参考既有钢结构桥梁施工方法，在节段化预制后运输至现场进行拼装。钢混梁结构中钢筋混凝土桥面板在装配化过程中存在多种划分形式，不同划分形式及构造对桥面板受力性能的影响暂不明确。整体现浇式桥面板的受力特征与装配式桥面板之间的受力状态差别也尚待探究。本文对装配化钢混梁桥面板进行计算分析，在此基础上开展铁路荷载作用下跨度32 m钢混梁整体现浇桥面板和预制装配式桥面板受力特征对比分析，探讨装配式桥面板长度、宽度、厚度，主梁横向间距等关键因素对桥面板受力特征的影响。1 设计参数 以设计速度200k m/h客货共线铁路荷载为依据，参考通桥 时速160、200公里客货共线铁路常用跨度箱梁桥面附属设施（通桥 2014 8188A）中桥梁附属结构尺寸，桥梁全长32.6 m，桥面宽度11.6 m，采用工字形双主梁形式，通过计算确定跨度32 m铁路钢混梁截面尺寸。桥面板采用C50高性能混凝土，主梁采用Q345qD钢材。桥面板分别考虑整体现浇和预制装配方式施工，计算分析桥面板受力状态。收稿日期：20211130；修回日期：20220423基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司基金（2019YJ046）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（K2021G019）；国家能源集团科技创新项目（GJNY-22-85）第一作者：李旺旺(1988)，男，副研究员，博士。E-mail：通信作者：苏永华(1980)，男，研究员，硕士。E-mail：铁道建筑第 63 卷1.1恒载1）自重：桥面板钢筋混凝土重度取26.0 kN/m3。2）二期恒载：考虑声屏障、竖墙、电缆槽及盖板、防护墙、轨道、道砟、防护层等恒载，合计162.8 kN/m。3）收缩徐变：混凝土板整体降温15。1.2活载1）设计活载：参照 TB 100022017 铁路桥涵设计规范7列车竖向静活载采用ZKH活载，考虑列车竖向活载的动力作用。2）横向摇摆力：集中荷载取100 kN。3）离心力：设计最高运营速度200 km/h，困难情况下最小曲线半径为 2 800 m，荷载中心作用于轨顶以上 2 m处。4）人行荷载：人行道荷载按单/双线布置，竖向静荷载取4 kN/m2。5）风荷载：声屏障横向力1，横向力为3.44 kN，弯矩为3.7 kNm；声屏障横向力2，横向力为8.34 kN、弯矩16.38 kNm；声屏障横向力3，横向力为8.07 kN、弯矩15.85 kNm。1.3温度荷载按钢梁与钢筋混凝土桥面板温度差15 计算温度荷载8-9。1.4特殊荷载依据 TB 100022017中关于脱轨列车荷载的规定，按两种情况进行考虑：列车脱轨后一侧车轮仍停留在桥面轨道范围内。竖向荷载为两条平行于线路中线、横向相距 1.4 m的线荷载，该荷载在长度为6.4 m的一段上为50 kN/m，前后各接25 kN/m。列车脱轨后离开轨道。竖向脱轨荷载为80 kN/m，长度为20 m，平行于线路中线。1.5荷载组合桥面板受力分析荷载组合见表1。1.6结构尺寸以表1荷载组合为基础，对初步拟定的钢混组合梁整体结构受力性能进行计算分析，经反复试算确定钢混梁结构横截面尺寸（图1）。桥梁跨度31.5 m，桥面板横向总宽度11.6 m。2 有限元模型建立 2.1整体现浇桥面板模型桥面板采用双板单元模型，上层为现浇混凝土单元，下层为钢主梁顶板单元，混凝土桥面板位于腹板间，厚0.4 m。两侧悬臂部分按照实际厚度进行定义，悬臂端混凝土截面厚0.2 m，材料为C50混凝土。钢梁顶板厚0.024 m。混凝土桥面板与钢梁顶板对应节点采用刚性连接，一侧钢梁顶板约束桥面板的y向（横向）及z向（竖向）位移，另一侧顶板只约束z向位移。按照桥面板实际受力添加相应荷载进行计算分析。2.2预制装配桥面板模型预制装配桥面板建模方式与整体现浇桥面板一致。混凝土桥面板与钢梁顶板对应节点采用刚性连接，一侧钢梁顶板约束桥面板的y向及z向位移，另一侧顶板只约束z向位移。预制装配式桥面板装配化施表1荷载组合工况主力主力+附加力组合形式自重+二期恒载+收缩徐变+单线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力1自重+二期恒载+收缩徐变+双线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力1自重+二期恒载+收缩徐变+人行道荷载自重+二期恒载+收缩徐变+单线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力2+升温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+单线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力2+降温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+双线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力2+升温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+双线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力2+降温荷载续表1工况主力+附加力主力+特殊荷载组合形式自重+二期恒载+收缩徐变+单线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力3+升温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+单线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力3+降温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+双线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力3+升温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+双线列车活载+横向摇摆力+离心力+声屏障横向力3+降温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+人行道荷载+升温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+人行道荷载+降温荷载自重+二期恒载+收缩徐变+脱轨荷载（情况1）自重+二期恒载+收缩徐变+脱轨荷载（情况2）自重+运梁车荷载自重+运梁车荷载+升温荷载自重+运梁车荷载+降温荷载图1钢混梁结构横截面（单位：mm）64第 7 期李旺旺等：铁路钢混梁装配式桥面板受力特征计算分析工中需将主梁间横梁顶板与预制板底面平齐，作为预制板后浇带的底模，中间横梁约束桥面板的 z 向位移。3 桥面板受力特征计算结果及分析 3.1整体现浇桥面板主力+附加力工况下，10种组合荷载作用下整体现浇桥面板计算结果见图2。分析主力、主力+附加力、主力+特殊荷载工况下整体现浇桥面板内力，每种工况各荷载组合形式下最大值见表2。可知，整体现浇桥面板横桥向内力最大工况为主力+特殊荷载，横桥向内力最大位置位于梁端；纵桥向内力最大工况是主力+附加力，纵桥向内力最大位置位于翼缘板横向端部。3.2预制装配式桥面板主力+附加力工况下，10种组合荷载作用下预制装配式桥面板计算结果见图3。分析主力、主力+附加力、主力+特殊荷载工况下预制装配式桥面板内力，每种工况各荷载组合形式下最大值见表3。可知，预制装配式桥面板横桥向、纵桥向内力最大工况均为主力+附加力，横桥向内力最大位置位于纵横梁交接处，而非集中于梁端。对比表2可知，装配式施工方法对纵桥向正弯矩、负弯矩影响较小，但可显著减小横桥向 正 弯 矩 和 负 弯 矩，横 桥 向 正 弯 矩 最 大 值 减 小49.97%，负弯矩最大值减小56.88%。4 预制装配式桥面板内力影响因素 以跨度32 m简支钢混梁装配式桥面板为对象，采用客货共线铁路有砟荷载，对预制板结构的长度、宽度、厚度，主梁横向间距进行参数化分析，计算时考虑主力、主力+附加力、主力+特殊荷载工况及其各工况下每种荷载组合。4.1预制板长度根据32 m梁的跨度特点和预制混凝土板在工程中的应用情况，将预制板纵向长度分为4、6、8 m。不同预制板纵向长度下桥面板内力结果最大值见表4。可知：随着预制板纵向长度的增加，预制板横桥向正弯矩、负弯矩绝对值增大，其中正弯矩最大增加5.0%，负弯矩最大增加14.7%；随着预制板纵向长度的增加，纵桥向负弯矩绝对值增大，最大增加30.4%。4.2预制板宽度以桥面板纵向预制长度6.0 m为基础分析预制板横向宽度变化对桥面板受力的影响。客货共线32 m简支梁桥面横向总宽11.6 m，当采用多纵向主梁形式时桥面板可采用横向切分的分块式预制桥面板，对应图2整体现浇桥面板计算结果（单位：kNm）表2整体现浇桥面板内力最大值kNm工况主力主力+附加力主力+特殊荷载横桥向最大正弯矩103.9106.0154.1横桥向最大负弯矩-178.4-180.6-228.9纵桥向最大正弯矩44.9108.844.7纵桥向最大负弯矩-30.9-65.7-41.5图3预制装配式桥面板计算结果（单位：kNm）表3预制装配式桥面板内力最大值kNm工况主力主力+附加力主力+特殊荷载横桥向最大正弯矩72.477.171.0横桥向最大负弯矩-77.6-98.7-90.8纵桥向最大正弯矩44.8108.858.4纵桥向最大负弯矩-67.7-70.5-91.7表4不同预制板纵向长度下桥面板内力最大值 纵向长度/m468正弯矩/(kNm)横桥向79.980.183.9纵桥向108.7108.8108.8负弯矩/(kNm)横桥向-98.2-98.7-112.6纵桥向-74.3-91.7-96.965铁道建筑第 63 卷不同主梁数量预制板横向宽度发生变化。分析参数如下：双主梁形式预制板横向宽度为（2.65+6.30+2.65）m；三主梁形式预制板横向宽度为（2.65+3.15+3.15+2.65）m；四主梁形式预制板横向宽度为（2.05+2.50+2.50+2.50+2.05）m。不同预制板宽度下桥面板内力最大值见表5。可知，随着预制板横向宽度的增加，预制板横桥向正弯矩、负弯矩，以及纵桥向负弯矩绝对值均增大。其中，横桥向正弯矩最大增大124.8%，负弯矩最大增大35.6%。纵桥向负弯矩绝对值最大增大39.2%。4.3预制板厚度以桥面板纵向预制长度6.0 m为基础分析预制板厚度变化对桥面板受力的影响，计算结果见表6。可知，随着预制板厚度的增加，预制板横桥向负弯矩、纵桥向负弯矩绝对值均增大，纵桥向正弯矩减小。其中，横桥向负弯矩最大增大25.0%，纵桥向负弯矩最大增加18.0%，纵桥向正弯矩最大减小13.5%。4.4主梁横向间距不同主梁横向间距下桥面板内力最大值见表7。可知，随着主梁横向间距的增加，预制板横桥向正弯矩增加，横桥向负弯矩绝对值减小，纵桥向负弯矩绝对值增加。其中，横桥向正弯矩最大增加 45.5%，负弯矩最大减小43.6%。纵桥向负弯矩最大增加53.2%。4.5预制板影响因素分析装配式桥面板各影响参数增大时内力提高的百分比见表8。表中数据为各影响参数取最大值时的内力结果与影响参数取最小值时的内力之差除以影响参数取最小值时的内力，其中正值代表增大百分比，负值代表减小百分比。由于预制板各结构参数改变对结构内力产生不同程度影响，表中平均值是结构参数改变后对结构各内力提高百分比的算术平均值。可知，预制板宽度对桥面板内力影响最大，预制板厚度对桥面板内力影响最小，各影响因素影响程度依次为：预制板宽度 主梁横向间距 预制板长度 预制板厚度。综上，建议桥面板各结构参数取值如下：预制板长度为4.0 m，宽度为2.5 m，厚度为0.2 m；主梁横向间距为6.3 m。5 结论 1）装配式施工方法在装配式桥面板间增加了主梁之间的横梁支撑，可显著减小桥面板横向内力，横桥向正弯矩最大值减小 49.97%，负弯矩最大值减小56.88%。2）预制装配式钢混梁桥面板宽度、长度、厚度和主梁横向间距影响因素中，预制板宽度对桥面板内力影响最大，预制板厚度对桥面板内力影响最小。各影响因素影响程度依次为：预制板宽度 主梁横向间距 预制板长度 预制板厚度。3）通过钢混梁装配式桥面板内力分析得到桥面板各结构参数建议取值：预制板长度取4.0 m，宽度取2.5 m，厚度取0.2 m；主梁横向间距取6.3 m。参考文献1 熊嘉阳，沈志云.中国高速铁路的崛起和今后的发展 J.交通运输工程学报，2021，21（5）：6-29.2 LI L，MA Z，GRIFFERY M，OESTERLE R.Improved Longitudinal Joint Details in Decked Bulb Tees for Accelerated Bridge Construction：Concept DevelopmentJ.Journal of Bridge Engineering，2009，15（3）：327-336.3 聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁 M.北京：人民交通出表7不同主梁横向间距下桥面板内力最大值kNm主梁横向间距/m5.05.56.36.9正弯矩横桥向45.947.556.866.8纵桥向108.8108.7108.7108.7负弯矩横桥向-184.6-122.7-100.3-104.2纵桥向-65.2-65.5-66.9-99.9表5不同预制板宽度下桥面板内力最大值横向宽度最大值/m2.5（四主梁）3.2（三主梁）6.3（双主梁）正弯矩/(kNm)横桥向34.358.477.1纵桥向108.7108.7108.8负弯矩/(kNm)横桥向-72.8-97.6-98.7纵桥向-65.9-67.1-91.7表6不同预制板厚度下桥面板内力最大值板厚/m0.20.30.40.6正弯矩/(kNm)横桥向76.378.877.169.2纵桥向118.4113.3108.8102.4负弯矩/(kNm)横桥向-87.7-93.4-98.7-109.6纵桥向-85.5-87.5-91.7-100.9表8装配式桥面板各影响参数增大时内力提高百分比%影响参数预制板长度预制板宽度预制板厚度主梁横向间距横桥向最大正弯矩5.0124.89.345.5横桥向最大负弯矩14.735.625.0-43.6纵桥向最大正弯矩00-13.50纵桥向最大负弯矩30.439.218.053.2平均值16.766.59.718.466第 7 期李旺旺等：铁路钢混梁装配式桥面板受力特征计算分析版社，2011.4 聂建国，陶慕轩，吴丽丽，等.钢-混凝土组合结构桥梁研究新进展 J.土木工程学报，2012，45（6）：110-122.5 樊健生，聂建国.钢-混凝土组合桥梁研究及应用新进展J.建筑钢结构进展，2006（5）：35-39.6 杨勇，祝刚，周丕健，等.钢板-混凝土组合桥面板受力性能与 设 计 方 法 研 究J.土 木 工 程 学 报，2009，42（12）：135-141.7 国家铁路局.铁路桥涵设计规范：TB 100922017 S.北京：中国铁道出版社，2017.8 中华人民共和国铁道部.铁路结合梁设计规定：TBJ 241989 S.北京：中国铁道出版社，1989.9 中华人民共和国城乡建设部.钢-混凝土组合桥梁设计规范：GB 509172013 S.北京：中国计划出版社，2013.Calculation and Analysis of Mechanical Characteristics of Assembled Bridge Deck of Railway SteelConcrete GirderLI Wangwang1，2，BAN Xinlin1，2，SU Yonghua1，2，WANG Haoyu31.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China；2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China；3.General Contracting Department of Constructional Engineering，Beijing Urban Construction Group Co.Ltd.，Beijing 100088，ChinaAbstract In order to explore the mechanical performance of railway steel-concrete girder assembled bridge deck，the finite element model of assembled steel-concrete girder bridge deck was established to analyze and compare the mechanical characteristics of integral cast-in-place and prefabricated bridge deck under railway load，and analyze the influence of factors such as length，width，thickness and girder transvers spacing of assembled bridge deck on the mechanical characteristics of bridge deck.The results show that the positive and negative bending moments in the longitudinal direction of the assembled steel-concrete girder bridge deck change little，but the positive and negative bending moments in the transverse direction decrease significantly.With the increase of prefabricated slab length，the absolute value of transverse positive bending moment and negative bending moment of prefabricated slab increases，and the longitudinal negative bending moment increases.With the increase of prefabricated slab width，the transverse positive bending moment，negative bending moment and longitudinal negative bending moment increase.With the increase of the prefabricated slab thickness，the negative bending moment in the transverse direction and the negative bending moment in the longitudinal direction increase，and the positive bending moment in the longitudinal direction decreases.With the increase of main girder transverse spacing，the positive bending moment in the transverse direction increases，the negative bending moment in the transverse direction decreases，and the negative bending moment in the longitudinal direction increases.The influence degree of each factor is prefabricated slab width main girder transverse spacing prefabricated slab length prefabricated slab thickness.Key words railway bridge；assembled steel-concrete girder；numerical simulation；prefabricated bridge deck；mechanical characteristicCitation format：LI Wangwang，BAN Xinlin，SU Yonghua，et al.Calculation and Analysis of Mechanical Characteristics of Assembled Bridge Deck of Railway SteelConcrete Girder J.Railway Engineering，2023，63（7）：6367.（编辑：郑冰 校对：李付军）67