英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
高速铁路钢桥复合桥头的设计方法
侯文崎，叶梅新
摘要：针对两种典型的高速铁路钢桥复合地板系统，通过对不同组合构件的结构、力学特性和荷载传递路线的对比分析，提出了不同组合构件的设计方法。通过对南京大胜关长江大桥复合地板系统的纵向梁和横向梁的设计，提出了简化的计算模型。以336 m主跨度中间面板为例，设计并布置了螺柱。结果表明,在甲板上负载的情况下,复合地板系统的纵向梁拉弯状态,通过钢桥的纵向剪切力的接口是由两个纵向力引起的“第一机械系统”和“第二机械系统”的垂直弯曲,和在顶部的末端钉可以安排与平等的空间范围的剪切力的0.2d(节间长度) 钉。钢纵、横向梁-混凝土板复合甲板的横向梁处于复合弯曲状态，在螺柱设计中必须考虑到平面外弯曲。在正交各向异性整体钢板混凝土板组合甲板上，横向梁的外平面弯曲很小，可以忽略不计，并可根据结构要求对正交各向异性整体钢结构进行螺柱布置。上述设计方法和简化计算模型已应用于NDB的螺柱设计中。
关键词：钢桥，核心筒复合甲板，机械特性，螺柱，设计方法
1引言
高刚度、低建筑高度的优势,低噪音,振动吸收和良好的驾驶舒适性好,通过复合钢桥甲板广泛应用于高速铁路全球。在组合甲板上，混凝土压载板采用钢桥楼板系统，采用双头螺栓。尽管有新的剪切连接器，因为无方向性的压力和方便施工，PBL领导钉仍然是使用最广泛的。尤其在铁路复合桥梁中，螺柱是普遍的首选。
对于高速铁路通过钢桥，复合甲板的结构形式多样。有四种主要的结构形式：1)混凝土板复合，有钢地板系统和主桁架底部的弦；2)仅在节点区域内与底部的弦相结合的混凝土板；3)钢纵向和横向梁-混凝土压载板组合甲板；4)正交各向异性整体钢甲板混凝土压载板。在最近的十年中，大部分铁路通过钢桥建造、建设和设计，类型3和类型4是采用的两种主要的复合材料。不乏超级桥梁,例如，Qresund桥(丹麦),Garde-Adhemar桥(法国TGV),位于武汉天兴洲长江大桥武广客运专线和北京minus;上海高速铁路的南京大胜关长江大桥(NDB)。
通过钢桥的变形，甲板载荷的作用包括两个部分:一个是主桁架的整体变形,另一个是复合地板的变形系统相对于主桁架。主桁架的整体变形主要是竖向弯曲，使得底部的弦在靠近中支承(连续钢桁架)的压力下，大部分区域在拉紧。张力的底部和弦将被拉长，压缩的和弦将被缩短。桥梁整体变形引起的所有效应都被称为“第一个机械系统动作”。复合地板系统的变形对主要桁架的变形影响，包括与主桁架相对于弦节点的竖向弯曲变形，横向梁相对于底部和弦或弦节点，以及相对于横向梁的纵梁，称为“第二机械系统动作”。混凝土板相对于钢梁和纵桁的竖向弯曲是所谓的“第三次机械系统作用”。
钢桥通过采用不同形式的复合桥面，地板系统的构件将会参与到不同层次的上述三个机械系统，从而导致不同的复合构件的变形和应力状态。即使对于同一类型的复合甲板，不同的复合构件在应力状态下也表现出很大的差异，它们中的大多数处于复杂的应力状态。传统的螺柱设计方法已不再适用。文章针对钢纵、横向梁-混凝土板复合甲板和正交各向异性整体钢甲板混凝土板组合板，对不同组合构件的变形和受力状态进行了分析。针对每一种组合甲板，提出了混凝土板与钢纵桁、钢横桁和正交各向异性钢桥面组合的设计方法。通过工程实例验证了该方法的有效性。
2 不同类型复合甲板的结构和力学特性
2.1 钢纵、横向梁-混凝土板复合甲板
钢纵、横向梁-混凝土板复合甲板结构简单。通常情况下，横向梁仅在主桁架节点上布置，称为节点横向梁。混凝土板比主桁架中心距窄，与钢纵桁和横向梁相结合，但与主桁架不一致。甲板荷载首先通过混凝土板和钢纵梁向节点横向梁传递，然后从节点横向梁到主桁架的底部弦节点。天兴洲结合长江大桥和廷斯河140米通过武广客运专线钢箱式拱桥均采用这种复合桥型结构。
在甲板载荷作用下，主桁架一般只承受由“第一次机械系统作用”引起的轴向力，它在主桁架的底部和地板系统中的钢纵桁上产生纵向应变。这样的纵向应变导致横向梁的平面弯曲。同时，由于“二次机械系统作用”，横向梁也相对于主桁架节点产生竖向弯曲。也就是说，钢纵、横桁—混凝土板复合甲板的横向梁处于复合弯曲状态。桥梁跨度越大，横向梁的失平面弯曲越严重，横向梁的力学状态就越不利。因此，解决横向梁的外平面弯曲问题是钢纵、横向梁-混凝土板复合桥面设计中的关键问题。钢纵桁主要承受纵向力和竖向弯曲。前者是由“第一个机械系统动作”的动作所共享的，后者是由甲板载荷引起的。混凝土板在“第一次机械系统动作”中几乎没有参与，因为它与主桁架的底部弦没有组合。
2.2 正交各向异性整体钢甲板混凝土板组合甲板
正交各向异性整体钢甲板具有良好的完整性，其中钢甲板与主桁架的底弦焊接。钢桥面支护系统可以是纵向和横向梁系统，也可以是密集的横向梁系统，除了节点横向梁外，还有许多细长的横向梁。因为更合理的力学行为,密集横向梁系统有多个应用程序。混凝土板主要用于承载压舱物，采用整体钢地板系统而不是主桁架组合。正交的积分钢桥面混凝土复合甲板应用于瑞森德公铁两用桥,NDB和郑州黄河公铁两用桥。
在正交各向异性整体钢甲板结构中，整体钢甲板及其支撑系统都参与了主桁架的整体变形。甲板荷载主要通过两条途径传递到主桁架节点：
途径1（R1）：
横向梁节点
纵向
钢架板
纵向肋条
纵梁
节点上下弦杆
横向
途径2（R2）：
下弦
横向
钢架板
横向梁面板
纵向
节点上下弦杆
根据R2，在甲板荷载的横向传输中，随着钢甲板和面板横向梁的参与，节点横向的竖向弯曲减小。另一方面，由于复合甲板的良好整体性，由“第一次机械系统作用”引起的横向梁的面外弯曲也大大减少。与钢纵、横向梁-混凝土板复合桥面相比，在正交各向异性整体钢甲板混凝土板组合甲板上横向梁的受力状态得到了极大的改善，并变得更加合理。
特别地，通过钢甲板和面板横向梁横向传送的荷载产生垂直弯曲的主桁架底部和弦。也就是说，底弦承受轴向力和竖向弯曲的联合作用，其应力状态比钢纵、横向梁-混凝土板复合甲板的应力状态更大。因此，正交各向异性整体钢甲板混凝土板组合甲板的主桁架底弦通常是用强截面设计的。
由于钢制地板系统的纵向和横向梁的排列紧密，钢梁之间的距离相当小，无论是纵向的还是横向的。因此，钢甲板在“第二机械系统动作”和“第三机械系统动作”中几乎没有作用。
3 钢纵、横向梁-混凝土板复合甲板的螺柱设计方法
3.1 纵向梁的螺柱设计方法
根据上述对钢纵、横桁-混凝土板组合甲板的分析，应认识到钢纵桁与混凝土板之间存在着甲板荷载作用下的纵向剪切力Ql:
Ql = Ql1 Ql2 (1)
在Ql1钢纵梁之间的剪切力和纵向力引起的混凝土板Nf复合地板系统共享从“第一机械系统行动”,这是传播从钢纵梁混凝土板完全由界面上的钉;Ql2是在垂直甲板荷载作用下，由“第二机械系统作用”引起的钢纵桁与混凝土板之间的剪切力。
3.1.1 Ql1和螺柱排列的计算
对于钢纵、横向梁-混凝土板组合甲板，纵桁可视为在横向梁上简单支承。在面板长度d的范围内，钢纵桁支撑的轴向力沿梁长度方向保持一致。然而，在梁端边界条件的影响下，Nl在梁端附近0.2d的范围内呈现出明显的曲线，然后随着过渡到中间部分均匀分布(见图1)。
图1 在d范围内钢梁和板坯界面上Ql1的分布
Nl的变化率在每个梁端附近的0.2d，dNl /dx反映为混凝土板和钢梁的界面上的纵向剪切力Ql1，由0.2d扇形的螺柱承担。因此，在每个梁端附近的0.2d范围内，单螺杆Ql1的剪切力为
在(2)中，nl1是在0.2d扇区中纵向梁的顶部法兰上的螺柱的总和。在中间部分，Ql1为零，并且应该按照要求安排。
3.1.2 Ql2和螺柱排列的计算。
Ql2在界面上的分布与纵向梁的垂直剪切力相似(见图2)。在d范围内，根据Ql2的分布，在界面上计算单个螺柱的剪切力。根据剪切力互易定理，有
其中Qv为钢纵桁-混凝土板组合梁的竖向剪力，并取各分段的最大值;Sl为转换后的混凝土面积(转化为钢)到组合梁的中性轴的面积矩;L1是转化后的复合梁的惯性矩;Ll我的长度是每个剪切力部门,应该不低于0.1d附近的梁结束。
图2 d中钢梁与板坯交界面Ql2的分布情况
在li的范围内，可以按等距排列。单个螺柱的剪切力是
其中nl2是在li的长度中排列的螺柱的和。在面板的纵梁两端的螺柱，有
ql = ql1 ql2 lt;[q]
或
∆q1 =∆ql1 ∆ql2 lt;[∆q] (5)
[q]为单个螺柱的设计承载力; [∆q]是一个螺栓的疲劳设计承载力;∆ql是一个螺栓的剪切力振幅的接口两端的活载下的纵向梁。
3.2横梁的设计方法
由于钢纵桁和横桁梁的横向梁在复合弯曲状态下，在混凝土板和钢梁的界面上存在纵向剪切力Qh1和横向剪切力Qh2。其中，Qh1是由“第一个机械系统动作”的横向梁的平面弯曲引起的，而Qh2是由横向梁的垂直弯曲与“第二机械系统作用”引起的。贯通于Qh1和Qh2,单个螺栓的剪切力的计算界面上qh1和qh2是类似于ql2,即截面计算完成按照Qh1和Qh2的分布。由于Q h1和Qh2在水平面上的正交性，存在
4 正交各向异性整体钢甲板混凝土板复合甲板的设计方法
正交各向异性整体钢甲板混凝土板组合甲板的螺柱设计方法如下:
1)在甲板荷载作用下，钢纵梁承受纵向力和竖向弯曲的共同作用。前者是由“第一个机械系统动作”引起的，后者是由甲板载荷引起的。因此，设计和计算界面上的螺柱与3.1节中提出的方法是相似的。
2)由于平面外变形的大改善，横向梁主要受甲板荷载作用下的竖向弯曲，而非平面弯曲可以忽略，尤其是对具有致密横向梁布置的正交各向异性整体钢混凝土板复合甲板。因此，钢横梁和混凝土板界面上的螺柱设计与计算与3.1.2节所述方法相似。
3)正交各向异性整体钢甲板上的螺柱可按要求布置。
5 NDB复合甲板螺栓的设计与计算
5.1 概述的桥
南京大胜关长江长江大桥(NDB)minus;在北京上海高速铁路是一个连续通过三个主要钢桁架桥桁架(拱)和六个铁路。主桥是6跨度连续钢桁架的结构(108 192 336 336 192 108)米,和边在浅水域桥梁是两个连续钢桁架结构的跨度(2times;84)米。甲板的宽度是(5.2 15 15 5.2)米,i类型铁路的两条线宽15米的上游侧,两条线宽15米的高速铁路在下游端,和城市轻轨在每5.2米宽的一面。高速铁路的设计速度为每小时300公里。NDB采用密集排列的横向梁系统支撑的正交各向异性整体钢甲板混凝土板复合桥面。正交各向异性钢甲板与主桁架底弦焊接。在桥上，每个面板上设置了一个节点横向梁和三个面板横向梁。在钢甲板上横向设计了多个u型排骨。每条铁路沿线都有两种逆向t型纵梁(见图3)。C40压载模筑混凝土板设置在正交的钢甲板,合成与钢甲板,纵向梁和横向梁钉(Phi;19毫米times;100毫米)(见图4)。
图3 南京大观音河大桥主桁架和桥面
图4南京大观音河长江大桥压载床标准断面(单位:cm)
5.2螺柱设计与计算要点
5.2.1 纵桁上Ql1的计算
在“第一个机械系统动作”下，地板系统的总轴力和底部的弦是：
N = Nb Nf
其中Nb为底弦的轴向力，Nf为地板系统的轴向力。
一个等效的钢地板系统包括钢纵桁、纵向u型排骨、钢桥面和变形混凝土板(根据钢的弹性模量比，将混凝土板转换成钢)。计算Nf[0]，并按照面积比将其分配给改造后的混凝土板和钢地板系统。
其中为钢地板系统所共有的纵向力，为混凝土压载板所共有的纵向力，c为转换后的混凝土板的面积，s为钢地板系统的面积。
5.2.2 纵向梁上Ql2的简化计算模型
Ql2是由纵向梁的垂直剪切力与甲板载荷作用引起的，可通过以下简化模型计算。
例如，从两条铁路线的一边取一个面板(如图5所示)。如果一个面板的总甲板载荷为Qt，那么将Qt分配给4个纵梁，则每一个纵梁承载的Qt/4的甲板载荷均匀分布。在计算中，两相邻横向梁间d/4的纵梁被认为是简单的支撑梁，而混凝土板则被横向平均分为4个纵梁。对钢桥面进行了忽略，并给出了一种简化的纵桁计算模型，如图6a所示。一般组合梁的计算方法可以得到相应的剪力分布，如图6b所示。
图5 南京大关桥长江大桥单板(双线)
图6 纵梁简化计算模型:(a)简化纵梁;(b)剪切力分布
从图6可以看出，在段li的界面上，纵向剪切力Ql2为
tau;是剪切力段的剪切应力;li是剪切力段的长度;Qv是简化纵梁的竖向剪力，取各节段的最大值;S为变形混凝土板的面积矩，为简化纵梁的中性轴;l是简化纵梁的转换惯性矩。
5.2.3 Qh1在横向梁上的简化计算模型
横向剪切力Qh1存在于混凝土板和横向梁的界面上，因为桥面荷载作用下的竖向弯曲。以图5中的面板为例，在两个主桁架上，可以将每个横向梁、节点或节点间的横向梁视为简单的支撑物。根据1:1的比例，将混凝土板平均分配给相邻的两个横向梁，在横向梁上
全文共8816字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[16395]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
