CN106991254A - 一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法，该方法包括：应用模拟软件建立公铁两用大桥整桥模型、公路桥局部模型和铺装层细部模型，进行静力学仿真计算，然后对钢桥面铺装的各项设计参数：铺装材料基本力学参数、钢筋网、剪力钉进行模拟仿真，以得到对钢桥面铺装层的影响情况。本发明填补了现行设计和施工方法中的空白，针对公铁两用大桥这一特殊桥型，将公路荷载和铁路荷载对公路桥桥面铺装层的影响得以模拟计算出来，模型各项参数均可以按照实际设计参数和现场实测数据取值，细部构造例如钢筋网和剪力钉的设计参数也可以通过细部模型，得到有效的设计参考值，解决了设计和维修加固中所面临的部分技术难题。
Description
技术领域
本发明属于桥梁结构工程领域，特别涉及一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法。
背景技术
公铁两用大桥以其独特的结构特点，允许公路和铁路共同运行，既节省了资源，又获得了极大的经济效益，在桥梁建设中极为常见。然而现行的桥梁建设规范中，并没有针对公铁两用大桥这一特殊桥型的具体规范。在对公铁两用大桥的设计及维修加固中，公铁两用大桥的公路桥和铁路桥往往是分开设计的，缺少整体性的考虑。公路桥桥面铺装层作为最易遭到损坏的部位之一，受到公路荷载的直接作用，由于公路桥和铁路桥之间的连接，铁路荷载对桥面铺装层的间接作用同样不容忽视，而现行的规范和施工方法中，并没有确切的应对方法。
公铁两用大桥公路桥桥面铺装层的剪力钉、钢筋网等细部构件的设计参数，往往是从一般公路桥梁的应用中推广得出的，缺少对铁路桥的影响考虑，而铁路荷载对公路桥面铺装层的冲击震荡等间接作用，也会极大的损坏剪力钉、钢筋网等细部构件的服役寿命。因此，一种能够综合考虑铁路桥和公路桥的荷载耦合作用的公铁两用大桥钢桥面铺装的设计方法是非常必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法，建立公铁两用大桥多尺度模型，包括整桥模型、局部模型和细部模型。考虑公路荷载和铁路荷载的耦合作用，针对不同的结构设计参数和影响因素进行了计算与分析，对相关设计提出了有益的补充。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法，其特征在于：该方法包括：应用模拟软件(ANSYS)建立公铁两用大桥整桥模型、公路桥局部模型和铺装层细部模型，进行静力学仿真计算，然后对钢桥面铺装的各项设计参数：铺装材料基本力学参数、钢筋网、剪力钉进行模拟仿真，以得到对钢桥面铺装层的影响情况。
本发明考虑了公路荷载和铁路荷载的耦合作用对公铁两用大桥钢桥面铺装的影响，通过整桥模型、公路桥局部模型和桥面铺装细部模型的等效力学传递，分析并设计公铁两用大桥钢桥面铺装的结构设计参数；具体针对公路-铁路荷载效应、各尺度模型的几何尺寸、桥面铺装材料的刚度匹配、钢筋网间距、钢筋直径、剪力钉间距和剪力钉直径等因素进行了力学响应分析，得到了各因素对公铁两用大桥钢桥面铺装受力与变形的影响大小。
所述公铁两用大桥整桥模型的建立具体包括如下步骤：
(1)通过等效抗弯刚度方法，将各桥面铺装层等效为一整块正交异性钢桥面板；
(2)正交异性钢桥面板及公路纵梁用Shell63单元模拟，桁架杆件及三角形托架用Beam188单元模拟；
(3)不同单元之间通过共节点方法连接；
(4)根据实际情况于桥墩、桥台处约束自由度；
(5)根据《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》对车辆简化的要求，将简化车辆静荷载满布于公铁两用大桥的公路桥部分；
(6)根据《铁路桥涵设计基本规范TB10002.1 2005》中对铁路列车竖向静活载的规定，将“中-活载”加载于铁轨纵梁之上；
(7)分析公铁两用大桥公路桥桥面铺装层在公路荷载和铁路荷载的耦合作用下的应力和应变大小，以此作为设计和维修加固的参考依据。
所述公铁两用大桥局部模型的建立具体包括如下步骤：
(1)将正交异性钢桥面板、公路纵梁以及三角托架铆接钢板用Shell63单元模拟，将三角托架用Beam188单元模拟，将桥面铺装层用Solid65单元进行模拟；
(2)不同单元之间通过共节点方法连接；
(3)根据所选局部模型在整桥模型中的位置，设置相应的边界条件；
(4)根据《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》对车辆简化的要求，将简化车辆静荷载满布于公铁两用大桥的公路桥部分；
(5)根据《铁路桥涵设计基本规范TB10002.1 2005》中对铁路列车竖向静活载的规定，将“中-活载”加载于铁轨纵梁之上；
(6)通过建立不同尺寸的局部模型，选取得到收敛计算结果的尺寸模型；
(7)分析公路荷载和铁路荷载作用下，铺装层混凝土的受力大小，以确定采用适合的混凝土种类、等级和厚度等相关参数。
所述公铁两用大桥细部模型的建立具体包括如下步骤：
(1)将桥面铺装用Solid65单元进行模拟，钢筋网采用杆单元Link8单元模拟，剪力钉用Beam188单元模拟，并将混凝土铺装下层与剪力钉对应位置的节点自由度耦合；
(2)不同单元之间通过共节点方法连接；
(3)根据细部模型在整桥模型中的位置，设置相应的边界条件；
(4)建立钢筋网模型，通过不同钢筋间距、钢筋直径下的混凝土应力应变大小，以确定最佳间距和直径；
(5)建立剪力钉模型，通过不同剪力钉直径、间距和高度对铺装层混凝土应力应变大小的影响，以确定剪力钉的最佳直径、间距和高度。
本发明具有如下优点：
(1)建立公铁两用大桥的整桥模型，通过施加公路荷载和铁路荷载，可以得到公路荷载和铁路荷载的共同作用下，公铁两用大桥公路桥钢桥面铺装结构的应力应变影响大小，以此作为设计和维修加固的参考依据；
(2)建立公铁两用大桥局部模型，准确的模拟铺装层的承载状态，铺装层混凝土采用Solid65单元进行模拟，正交异性钢板、公路纵梁和三角托架铆接钢板采用Shell63单元模拟，三角托架采用Beam188单元模拟，通过建立不同尺寸的局部模型，选取得到收敛计算结果的尺寸模型，以此分析公路荷载和铁路荷载作用下，铺装层混凝土的受力大小，以确定采用适合的混凝土种类、等级和厚度等相关参数；
(3)建立公铁两用大桥细部模型，包括钢筋网模型和剪力钉模型，通过对细部模型的受力状态分析，以及周围混凝土的应力应变大小，以确定最优的钢筋网间距、钢筋直径、剪力钉间距和剪力钉直径等设计参数。
本发明填补了现行设计和施工方法中的空白，针对公铁两用大桥这一特殊桥型，将公路荷载和铁路荷载对公路桥桥面铺装层的影响得以模拟计算出来，模型各项参数均可以按照实际设计参数和现场实测数据取值，细部构造例如钢筋网和剪力钉的设计参数也可以通过细部模型，得到有效的设计参考值，解决了设计和维修加固中所面临的部分技术难题。
本发明可以弥补公铁两用大桥钢桥面铺装设计方法的不足，有助于形成我国公铁两用大桥钢桥面铺装设计方法的技术方案，完善我国公铁两用大桥设计体系，研究成果可直接应用于公铁两用大桥的设计和维修加固中，具有重要的理论和实用意义。
附图说明
图1为公铁两用大桥钢桥面铺装图；
图2为公铁两用大桥整桥模型图；
图3为公铁两用大桥公路桥施加公路荷载图；
图4为公铁两用大桥公路桥局部模型；
图5为公铁两用大桥公路桥桥面铺装细部模型；
图6为钢筋网模型图；
图7为剪力钉模型图；
图8为不同荷载作用下公铁两用大桥铺装层的应变响应。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-8所示，一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法，应用ANSYS软件建立公铁两用大桥整桥有限元模型，如图2所示，具体步骤如下：
(1)通过等效抗弯刚度方法，将各桥面铺装层等效为一整块正交异性钢桥面板；
(2)正交异性钢桥面板及公路纵梁用Shell63单元模拟；桁架杆件及三角形托架用Beam188单元模拟；
(3)不同单元之间通过共节点方法连接；
(4)根据实际情况于桥墩、桥台处约束自由度；
(5)根据《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》对车辆简化的要求，将简化车辆静荷载满布于公铁两用大桥的公路桥部分，施加公路荷载模型如图2所示；
(6)根据《铁路桥涵设计基本规范TB10002.1 2005》中对铁路列车竖向静活载的规定，将“中-活载”加载于铁轨纵梁之上；
(7)分析公铁两用大桥公路桥桥面铺装层在公路荷载和铁路荷载的耦合作用下的应力和应变大小，以此作为设计和维修加固的参考依据。
根据本发明所建立的公铁两用大桥整桥有限元模型，考虑施加的公路荷载和铁路荷载的耦合作用，可以计算得到在公铁两用大桥承受最不利荷载时，钢桥面铺装层的应变及应力值，具体计算结果见实施例所示。
应用ANSYS软件建立公铁两用大桥局部模型，如图4所示，具体如下：
(1)正交异性钢桥面板、公路纵梁以及三角托架铆接钢板用Shell63单元模拟；三角托架用Beam188单元模拟；桥面铺装层用Solid65单元进行模拟；
(2)不同单元之间通过共节点方法连接；
(3)根据所选局部模型在整桥模型中的位置，设置相应的边界条件；
(4)根据《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》对车辆简化的要求，将简化车辆静荷载满布于公铁两用大桥的公路桥部分；
(5)根据《铁路桥涵设计基本规范TB10002.1 2005》中对铁路列车竖向静活载的规定，将“中-活载”加载于铁轨纵梁之上；
(6)通过建立不同尺寸的局部模型，选取得到收敛计算结果的尺寸模型；
(7)分析公路荷载和铁路荷载作用下，铺装层混凝土的受力大小，以确定采用适合的混凝土种类、等级和厚度等相关参数。
本发明的目的在于，提供基于精细静力仿真的公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法。应用ANSYS软件建立公铁两用大桥细部模型，如图5所示，考虑模型的几何尺寸、桥面铺装材料的刚度匹配、钢筋网间距、钢筋直径、剪力钉间距和剪力钉直径等因素的影响，具体步骤如下：
(1)桥面铺装用Solid65单元进行模拟；钢筋网采用杆单元Link8单元模拟；剪力钉用Beam188单元模拟，并将混凝土铺装下层与剪力钉对应位置的节点自由度耦合；
(2)不同单元之间通过共节点方法连接；
(3)根据细部模型在整桥模型中的位置，设置相应的边界条件；
(4)建立钢筋网模型，通过不同钢筋间距、钢筋直径下的混凝土应力应变大小，确定最佳间距和直径；
(5)建立剪力钉模型，通过不同剪力钉直径、间距和高度对铺装层混凝土应力应变大小的影响，以确定剪力钉的最佳直径、间距和高度。
根据本发明所建立的公铁两用大桥细部模型，可以计算得到不同模型尺寸大小、不同钢筋网直径和间距、不同剪力钉直径和间距对钢桥面铺装层的应变及应力影响，具体计算结果见以下实施例所示。
实施例中选取桥梁参数为：平列式公铁两用大桥，主桥孔跨布置：4×160m+5×128m，北联5孔128m平弦连续钢桁梁，南联为4孔160m在支墩处设下加劲弦的连续钢桁梁，横断面布置：6.95m(公路桥)+10m(铁路桥)+6.95m(公路桥)。
实施例1：
本部分比较公铁两用大桥整桥模型在公路荷载和铁路荷载的耦合作用下，钢桥面铺装层的应变大小。公路荷载的取值参考《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》，铁路荷载的取值参考《铁路桥涵设计基本规范TB10002.1 2005》。
表(1)：公路和铁路耦合荷载作用下钢桥面铺装层的应变值(με)
| 项目 | 列车荷载 | 汽车荷载 | 联合荷载 |
| 最大纵向拉应变 | 92.4 | 68.4 | 152 |
| 最大横向拉应变 | 33.9 | 47.8 | 81.7 |
从表(1)和图8可以看出，公路荷载和铁路荷载对最大纵向拉应变的贡献率分别达到40％和60％，对最大横向拉应变的贡献率则分别为58.5％和41.5％，控制应变为纵向拉应变(顺桥向)。在公铁两用大桥钢桥面铺装结构进行设计时，可以根据荷载贡献率，同时考虑公路荷载和铁路荷载对公路桥桥面铺装结构的影响，以此确定设计安全值。
实施例2：
剪力钉作为抗剪构件广泛应用于钢-混凝土组合结构中，其重要作用是承受混凝土与钢板之间的剪切作用，同时加强钢桥面板和铺装层的整体性。本部分比较分析不同剪力钉直径、间距和高度对钢桥面铺装层的应力影响。
表(2)不同剪力钉间距钢桥面铺装层承载状态(MPa)
| 剪力钉间距 | 横向拉应力 | 纵向拉应力 | 横向剪应力 | 纵向剪应力 |
| 300mm×300mm | 0.58 | 0.542 | 0.356 | 0.902 |
| 400mm×400mm | 0.6 | 0.563 | 0.387 | 0.987 |
| 500mm×500mm | 0.679 | 0.684 | 0.499 | 1.176 |
表(3)不同剪力钉直径混凝土铺装下层承载状态(MPa)
| 剪力钉直径 | 横向拉应力 | 纵向拉应力 | 横向剪应力 | 纵向剪应力 |
| 11mm | 0.679 | 0.684 | 0.499 | 1.135 |
| 13mm | 0.65 | 0.652 | 0.467 | 1.095 |
| 15mm | 0.62 | 0.623 | 0.445 | 1.042 |
| 17mm | 0.613 | 0.611 | 0.433 | 1.029 |
表(4)剪力钉高度对沥青面层承载状态的影响(MPa)
| 剪力钉高度 | 横向拉应力 | 纵向拉应力 | 横向剪应力 | 纵向剪应力 |
| 50mm | 0.013 | 0.051 | 0.137 | 0.132 |
| 60mm | 0.012 | 0.051 | 0.137 | 0.132 |
| 70mm | 0.013 | 0.052 | 0.137 | 0.132 |
表(5)剪力钉高度对混凝土铺装下层承载状态的影响(MPa)
| 剪力钉高度 | 横向拉应力 | 纵向拉应力 | 横向剪应力 | 纵向剪应力 |
| 50mm | 0.677 | 0.69 | 0.499 | 1.179 |
| 60mm | 0.58 | 0.564 | 0.372 | 0.928 |
| 70mm | 0.55 | 0.524 | 0.349 | 0.872 |
由表(2)-(5)可以看出，随着剪力钉间距的减小，钢桥面铺装层间的剪应力、拉应力逐渐减小；随着剪力钉直径的增加，钢桥面铺装层的剪应力、拉应力也逐渐减小；随着剪力钉高度的增加，混凝土铺装下层的剪应力、拉应力逐渐减小。在实际的设计和维修加固中，可以根据所需剪力钉提供的拉应力和剪应力大小，以及施工可行性和经济性，来选择最优方案。
实施例3：
本部分比较不同铺装层材料弹性模量对沥青面层的刚度影响。
表(6)沥青面层刚度影响(MPa)
| 弹性模量/MPa | 横向拉应力 | 纵向拉应力 | 横向剪应力 | 纵向剪应力 |
| 400 | 0.03 | 0.032 | 0.131 | 0.128 |
| 800 | 0.028 | 0.031 | 0.129 | 0.125 |
| 1000 | 0.026 | 0.03 | 0.128 | 0.125 |
| 1200 | 0.025 | 0.029 | 0.127 | 0.124 |
| 1400 | 0.025 | 0.029 | 0.127 | 0.124 |
由表(6)可知，随着沥青面层弹性模量增大，沥青面层各项应力指标小幅减小，到达1200MPa之后，各项应力指标不再变化。综合考虑沥青面层混凝土强度、耐久性和经济性，混凝土弹性模量选取1200MPa是比较合理的选择。在进行公铁两用大桥钢桥面铺装结构的设计时，可以通过改变铺装层材料的弹性模量，得到铺装层重要设计指标的应力变化情况，以此作为依据综合考虑应选用的沥青面层弹性模量。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (4)
1.一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法，其特征在于：该方法包括：应用模拟软件建立公铁两用大桥整桥模型、公路桥局部模型和铺装层细部模型，进行静力学仿真计算，然后对钢桥面铺装的各项设计参数：铺装材料基本力学参数、钢筋网、剪力钉进行模拟仿真，以得到对钢桥面铺装层的影响情况。
2.如权利要求1所述的一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法，其特征在于：所述公铁两用大桥整桥模型的建立具体包括如下步骤：
(1)通过等效抗弯刚度方法，将各桥面铺装层等效为一整块正交异性钢桥面板；
(2)正交异性钢桥面板及公路纵梁用Shell63单元模拟，桁架杆件及三角形托架用Beam188单元模拟；
(3)不同单元之间通过共节点方法连接；
(4)根据实际情况于桥墩、桥台处约束自由度；
(5)根据《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》对车辆简化的要求，将简化车辆静荷载满布于公铁两用大桥的公路桥部分；
(6)根据《铁路桥涵设计基本规范TB10002.1 2005》中对铁路列车竖向静活载的规定，将“中-活载”加载于铁轨纵梁之上；
(7)分析公铁两用大桥公路桥桥面铺装层在公路荷载和铁路荷载的耦合作用下的应力和应变大小，以此作为设计和维修加固的参考依据。
3.如权利要求1所述的一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法，其特征在于：所述公铁两用大桥局部模型的建立具体包括如下步骤：
(1)将正交异性钢桥面板、公路纵梁以及三角托架铆接钢板用Shell63单元模拟，将三角托架用Beam188单元模拟，将桥面铺装层用Solid65单元进行模拟；
(2)不同单元之间通过共节点方法连接；
(3)根据所选局部模型在整桥模型中的位置，设置相应的边界条件；
(4)根据《JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范》对车辆简化的要求，将简化车辆静荷载满布于公铁两用大桥的公路桥部分；
(5)根据《铁路桥涵设计基本规范TB10002.1 2005》中对铁路列车竖向静活载的规定，将“中-活载”加载于铁轨纵梁之上；
(6)通过建立不同尺寸的局部模型，选取得到收敛计算结果的尺寸模型；
(7)分析公路荷载和铁路荷载作用下，铺装层混凝土的受力大小，以确定采用适合的混凝土种类、等级和厚度等相关参数。
4.如权利要求1所述的一种公铁两用大桥钢桥面铺装的多尺度设计方法，其特征在于：所述公铁两用大桥细部模型的建立具体包括如下步骤：
(1)将桥面铺装用Solid65单元进行模拟，钢筋网采用杆单元Link8单元模拟，剪力钉用Beam188单元模拟，并将混凝土铺装下层与剪力钉对应位置的节点自由度耦合；
(2)不同单元之间通过共节点方法连接；
(3)根据细部模型在整桥模型中的位置，设置相应的边界条件；
(4)建立钢筋网模型，通过不同钢筋间距、钢筋直径下的混凝土应力应变大小，以确定最佳间距和直径；
(5)建立剪力钉模型，通过不同剪力钉直径、间距和高度对铺装层混凝土应力应变大小的影响，以确定剪力钉的最佳直径、间距和高度。
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113722794A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-30 | 中交第二航务工程局有限公司 | 一种正交异性钢桥面系板桁组合结构有限元模拟方法 |
| CN113722794B (zh) * | 2021-08-16 | 2023-09-19 | 中交第二航务工程局有限公司 | 一种正交异性钢桥面系板桁组合结构有限元模拟方法 |
| CN114969921A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-08-30 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 一种铁路框架桥结构尺寸的设计方法 |
| CN114969921B (zh) * | 2022-05-25 | 2024-03-12 | 中铁二院工程集团有限责任公司 | 一种铁路框架桥结构尺寸的设计方法 |
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| CN106991254B (zh) | 2020-03-10 |
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