大跨度钢构桥功能分离式梁端伸缩器设计研究.pdf

70交通科技与管理工程技术0引言大跨度钢构桥需要配置梁端伸缩器，以确保结构衔接的有效支撑和平顺过渡，并适应温度和载荷等因素引起的梁端变位影响。伸缩器是钢构桥梁的特殊梁端设备，不仅需要适应桥体水平和转角位移等空间变位，还需要具备良好的强度、刚度和功能可靠性。对需要承担较大梁端纵向和横向移位的大跨度钢构桥梁，传统的单一上承式或下承式伸缩器设计都存在局限性。上承式由于刚度不足，难以满足纵向大移位的要求；下承式因为梁端与移位箱直接刚接，难以适应横向移位的要求，而且主要应力部件的职责不明确。针对这些问题，案例工程实施了功能分离式的梁端伸缩器工艺方案。由该装置将上承式和下承式设计有机结合，可实现横、纵向应力部件的分离。在伸缩器的范围内，可以将线路上方视为上承式梁端伸缩器，仅在一定范围内承担横向应力，超出范围后也开始承担纵向应力；线路下方视为下承式梁端伸缩器，仅提供结构的垂向支撑。在一定的变位内，该装置实现横向和垂向应力应对的功能分离，从而实现分离式的梁端伸缩器设计目标。1工程概况 某大跨度钢构路桥总长为 1 428 m，其跨度配置为84 m+84 m+1 092 m+84 m+84 m，采用钢桁梁五跨双塔地锚悬索设计。上层为高速公路，双向 4 车道，设计速度100 km/h。下层为 4 线铁路，设计速度速度 250 km/h，预留 2 线设计速度 200 km/h。加力梁采取板桁结合的钢桁梁结构，横断面采取直主桁带副桁形式。桁高 16 m，桁距 30 m，节间跨度 14 m，公路桥面宽为 46 m，左右索吊点间距为 43 m。主桥采取梁塔分离的半漂浮体系，在两主塔处，钢梁底部每侧各配置4组纵向液体粘滞阻尼器。各个主塔及桥墩处的主桁下均设置了垂向刚性支撑座，具有一定纵向和横向自由度。主塔加力梁上弦和下弦外收稿日期：2023-09-01作者简介：白唐（1995）,男,本科,助理工程师,研究方向：交通安全设计。大跨度钢构桥功能分离式梁端伸缩器设计研究白唐（新疆交通科学研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000）摘要文章围绕大跨度刚构桥中分离式梁段伸缩器的设计展开讨论，首先简要介绍了工程基本概况，而后根据桥梁的基本情况，确定了分离式梁端伸缩器设计方案，并重点介绍分离式梁端伸缩器设计方案及其应力应变模拟分析结果。研究表明，该分离式梁端伸缩器，能够较好提供横向支撑和垂向支撑，并适应一定程度的横向位移量，满足应力应变安全需求，具有工程适用性。关键词公铁两用路桥；大跨度钢构；梁端伸缩器；功能分离式；设计研究中图分类号U441文献标识码A文章编号2096-8949（2023）21-0070-03表 1分离式梁端伸缩器部件名称一览表编号部件名称编号部件名称1#固定钢枕15#垂向支撑梁2#横向支撑梁16#承压支撑座3#固定端的连接扣板17#固定端的移位箱调节钢板4#六角螺栓18#活动钢枕5#弹簧垫圈19#调节垫片6#平垫圈20#活动端的连接扣板7#开口销21#导轨垫板8#导轨垫板22#磁力承压支撑座9#连杆构件23#支撑座连接栓10#固定钢枕的横向限位槽24#活动端移位箱11#橡胶磁力垫板25#活动端限位块12#压紧支撑座26#活动端移位箱调节钢板13#固定端连接杆27#支座连接栓14#固定端移位箱2023 年第 4 卷第 21 期侧，横向配置抗风支撑座，辅助墩和边墩处，主桁下方均在两侧配置横向抗风支撑座。边墩抗风横向支撑座的抗压刚度为 3 100 km/cm，预压力为 1 600 kN，允许弹性形变为 0.5 cm。由于梁端变位较大，与小跨度桥梁相比，简易伸缩器无法满足梁端变位适应要求。因此需要进行优化设计，为此工程采取了适合大跨度钢构桥使用的伸缩器设计方案。2分离式梁端伸缩器设计方案该梁端伸缩器的设计方案如图 1 所示，部件名称如表 1 所示。其左侧为引桥侧，右侧为主桥侧。纵向伸缩时，主桥的梁端会发生纵向移位，通过混凝土枕与道砟带动横向支撑梁实现纵向移位，固定端移位箱与主桥梁端会同时伸缩，构成上、下支撑梁同步抽拉状态。该方案的主桥侧的固定钢枕、混凝土枕均通过扣板与横向支撑梁固结；活动钢枕通过扣板与横向支撑梁连接，扣板和横向支撑梁纵向自由，横向约束，垂向空隙 5 m，活动钢枕垂向 5 mm 形变时，横向支撑71交通科技与管理工程技术图 1梁端伸缩器结构剖面图为伸缩器提供横向刚度。模拟条件为，简化横向支撑梁为连续钢梁，支点间距设为固定钢枕的中心距，伸缩器最大伸长工况下，水平横向荷载作用于跨中最不利加载工况。考虑梁跨较短，横向摇摆力可视为水平集中力，2 个支撑梁各承受横向水平力 50 kN。模拟结果显示，单根横向支撑梁承受载荷 50 kN 工况下，其最大应力23.43 MPa，横向最大移位 1.31 mm，达到要求。在模拟横向支撑梁时，未考虑梁缝区的应力及传力作用，为安全起见，建议还是以装置整体的模拟结果为准。（4）连杆模拟分析。连杆是纵向伸缩器中主要承应力的伸缩杆件，其应力情况与伸缩时涉及的滑动面数、各滑动面的压力、摩擦系数、扣件以及压力等因素相关。研究显示，分配到单组连杆上的伸缩阻力不应超过 50 kN。因此，该模拟按照 50 kN 的标准考虑单侧杆件的应力情况。模拟工况为，假设中部活动钢枕在纵向载荷 50 kN影响下受到阻碍，计算连杆纵向应力状态。计算结果结果显示，模拟工况下，最大应力发生在长连杆中部，最梁不承担垂向应力；固定钢枕和引桥侧混凝土枕通过扣板与横向支撑梁连接，纵向自由，同步限制横向和垂向移位；线上部分以横向支撑梁为骨架，构成轨排，维护活动钢枕的横向稳定；其余钢枕都与横向支撑梁构成垂向和横向约束，主桥侧的钢枕与横向支撑梁构成纵向约束。为避免在纵向拉力下两侧混凝土枕开裂，均采取刚性骨架混凝土枕1。在移位箱范围内，移位箱和固定钢枕还要赋予一定的横向刚度约束，缺少这个约束，横向支撑梁的支点跨度会变得过大，发生横向摇摆时，梁端横向移位就会被扩大，从而导致不稳定。但横向刚度也不能太大，一般应以不超过道砟对混凝土枕形成的横向约束刚度为宜，这样可以降低移位箱对梁端横向移位的传导，活动钢枕在横向和垂向均获得稳定约束。3梁端伸缩器应力应变模拟分析3.1主要部件的静力应力应变分析（1）钢枕应力应变分析。活动钢枕与固定轨枕在 2根支撑梁和两侧移位箱上分别配置，位移箱、支撑梁之间配置枕下垫板，2 根支撑梁的中心距 150 cm。应力情况：列车载荷作用于钢轨，借助轨下垫板和扣件向钢枕将传力，钢枕实体承压，应力与支撑条件良好。为把握钢枕应力应变状态，采用工程有限元模拟软件对钢枕进行模拟分析。结果显示，轴载 350 kN（每侧等效 175 kN）静活载集中影响下，考虑 2 倍的局域动力放大系数，钢枕最大应力 45.63 MPa，最大形变0.26 mm，应力应变具有足够安全储备，符合安全设计要求2。（2）垂向支撑梁应力分析。支撑梁是整个伸缩器应力的核心部件。该设计共设置了 3 根活动钢枕。支撑梁长度 3.47 m，其与移位箱间配置了承压支撑座。当伸缩器处于最大伸长功效时，支点间距 3.16 m，相当于跨度 3.16 m 的简支梁。每套伸缩器共设置两根支撑梁，为考虑伸缩器的垂向传力特性，两根支撑梁的横向中心距为 1.50 m。列车载荷在 2 根支撑梁上视为均匀分布。有限元模拟结果显示，单根支撑梁垂向施加荷载 175 kN 时，支撑梁最大应力 25.96 MPa，应力水平较低，储备较大。跨中的最大挠度 0.94 mm，挠度较小，符合安全设计要求。（3）横向支撑梁应力分析。横向支撑梁用于承受横向摇摆力，并72交通科技与管理工程技术大应力在 126 MPa，低于材料的 210 MPa 容许应力值，满足连杆应力要求。须指出，连杆并不可以均按照 50 kN限值设计，而且还要综合考虑连杆匹配以及伸缩器纵向伸缩阻力状态，才能充分满足结构安全需要。3.2装置整体的静力应力应变分析根据分离式梁端伸缩器设计方案，采用 ABAQUS有限元模拟软件建立模型，开展模拟计算。在模拟中对伸缩器给予部分简化处理，比如不考虑两侧刚性骨架混凝土枕，对横向支撑梁和轨道端部给予移位约束，以利于保持线路线型和支撑梁应力影响较小。因为移位箱断面和整体刚度比较大，为提高模拟计算速度，采用实体C3D8R 单元，按刚体模拟计算，非关键应力构件按常规处理，关键应力构件提升网格密度。以实体模型模拟压紧支撑座、承压支撑座等弹性垫板。部件间接触按照伸缩器实际工作状态进行面面接触、摩擦、绑定以及铰旋转等模拟。梁端伸缩器在运营时需要承受横向摇摆力和垂向轮载的作用。在进行整体静力模拟分析时，除了分别分析横向摇摆力和垂向载荷外，还需要考虑梁端支撑点移位所产生的附加力的影响，并根据这些不利因素对各荷载进行组合。共确定了 4 种模拟计算工况，具体为：工况 1：伸缩器中部的活动钢枕区域，施加了 350 kN的垂向载荷；工况 2：在工况 1 基础上，活动钢枕增加 100 kN 水平载荷；工况 3：在工况 2 基础上，又在固定端移位箱施加了 1 mm 垂向移位；工况 4：在工况 3 基础上，又在固定端移位箱施加了 1 mm 的横向位移。伸缩器最大伸拉时的整体静力组合应力应变计算结果如表 2 所示3。表 2伸缩器整体静力组合模型计算结果工况1234钢轨的最大垂向位移/cm0.1650.2260.2840.284支撑梁最大垂向位移/cm0.0740.0790.1360.137支撑梁的最大垂向应力/MPa20.380 23.100 23.360 23.590支撑梁的最大横向变形/cm0.0670.0680.136支撑梁的最大横向应力/MPa16.0217.8019.19通过表 2 数据能够看到：（1）在工况 1 模拟计算中，钢轨垂向支撑梁的最大垂向位移为 0.074 cm，最大应力为 20.380 MPa，相比部件模拟的位移为 0.094 cm，最大应力 25.96 MPa，差异度并不大。这表明由于整体结构对荷载的分散作用，部件分析的安全系数更大。在这种情况下，最大垂向位移为0.165 cm，对应的整体垂向刚度 1 060 kN/cm（2）在工况 2 模拟计算中，钢轨横向支撑梁的横向位移 0.067 cm，最大应力 16.02 MPa，相比部件模拟的位移为 0.131 cm，应力 23.43 MPa，差异较为明显。这表明整体分析模型与组件分析模型存在一定程度的差异，但是计算结果均相对较小，处于允许范围内。因此可以认为，横向支撑梁能够提供良好的横向支撑刚度。（3）在工况 3 模拟计算中，钢轨最大垂向位移为0.284 cm，垂向支撑梁最大垂向位移为 0.136 cm，应力为23.36 MPa；横向支撑梁最大横向位移为 0.068 cm，应力17.80 MPa。模拟计算结果均数值比较小，与工况 2 相比，主要是由于垂向支撑梁和钢轨的垂向形变增加，符合实际情况。（4）在工况 4 模拟计算中，钢轨最大垂向位移为0.284 mm，垂向支撑梁垂向最大位移为 0.137 cm，应力23.59 MPa；横向支撑梁的横向最大位移为 0.136 cm，应力 19.19 MPa。模拟结果均数值比较小，与工况 3 相比，主要是由于横向支承梁的横向变形增加，表明位移箱的横向位移可以通过钢枕传递到横向支承梁。通过模拟计算结果可以看出，在四种不同的工况下，装置整体应力水平都较低，说明伸缩器整体的应力应变功效满足设计要求。因此可以得出结论，该功能分离式伸缩器可以在适应一定横向移位的状态下，满足梁端平稳过渡和结构安全需要。4结语该文基于工程应用案例，开展了钢构桥功能分离式梁端伸缩器设计研究。（1）介绍了分离式梁端伸缩器设计方案。该伸缩器由固定钢枕、垂向支承梁、横向支撑梁、承压支撑座等27 种结构部件组成，该伸缩器下部分采用下承式伸缩器设计，仅提供垂向支撑刚度，上部分采用上承式伸缩器设计，仅提供横向刚度。该设计形式可提供良好的横向和垂向支撑，并能胜任适应一定量的横向位移。（2）介绍了该梁端伸缩器应力应变模拟分析结果。分别进行了主要部件的静力应力应变分析和装置整体的静力应力应变分析。分析结果表明，该伸缩器组件安全储备充足，伸缩器整体应力水平都较低，可以在适应一定横向移位的状态下，满足整体的应力应变功效、梁端平稳过渡和结构安全需要，设计方案是合理和可行的。文中分析指出，伸缩器连杆并不可以均按照 50 kN 限值设计，还要综合考虑连杆匹配以及伸缩器纵向伸缩阻力状态，才能充分满足结构安全需要。参考文献1 王统宁.大跨径缆索承重桥梁梁端位移及组合方法研究 D.西安：长安大学,2010.2 曹俊杰.浅谈京广高铁钢轨伸缩调节器的养护与维修J.建筑工程技术与设计,2014(29):493-494.3 黄安宁.大胜关长江大桥钢轨伸缩调节器选型及养护探讨 J.现代交通技术,2014(11):81-84.