李良

（中铁十九局集团第二工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 154800）

连续梁桥力学特性与优化设计研究

李良

（中铁十九局集团第二工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 154800）

以客运专线连续梁（40+2x56+40）上部结构为例，采用有限元方法分析结构关键界面力学特性，并对连续梁桥进行优化设计，运用双控及多控法判断不同工况下结构是否可行，减少优化计算时的迭代次数。

连续梁桥；力学特性；优化设计

确定桥梁结构力学特性，一般是通过弹性力学理论求解边界条件下的静力微分方程以求出目标值。从众多方案中通过目标优选方案，将用到近几年的工程实践中运用较多优化理论。其基本思想为约束条件范围内反复迭代，寻求若干相应目标值为极值的方法，基本表达方式为：

约束条件为：ω≦［ω］；σ≦［σ］；L/ω≦［L/ω］。表达式中ω为挠度，σ为应力，m为质量，L/u为长跨比等等。优化理论发展前景较好，但不足在于受因素集的影响较大，有时会无法得出结论。如若某一个因素集的影响导致整体优化失效，将延长寻求最优解的优化时间，为此优化理论必须首先保证单因素集的可行性，才能减少判断优化理论的迭代次数［1］。

1 算例介绍

本文选取线路最小曲线半径R=5000m的双线铁路桥，本桥设计速度为300km/h，线间距为4.8m，连续梁部分桥跨分布为40m+56m+56m+ 40m。其中跨支座处于桥墩固结，限制纵桥向水平位移和竖向位移，其余支点仅允许竖向位移。

1.1 梁体

梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁，梁体全长193.3m。支墩处梁高4.6m，跨中及边跨梁端处梁高2.7m。梁体下缘除中跨中部10m梁段、主墩处6m梁段和边跨端部20.65m梁段为等高直线段外，其余为二次抛物线，抛物线方程为y=1.9x2/202+2.7（m）（x=0～20m）。顶板宽1220m，箱宽670cm，主墩墩顶处，顶板厚由35cm渐变至50㎝，其余梁段顶板厚35cm。底板厚42～70cm，腹板厚40～70㎝.梁体混凝土强度等级为C55。

1.2 预应力钢束、钢筋布置

梁体按三向预应力设计，纵向、横向、竖向均设预应力筋抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=195GPa。竖向预应力筋均为精轧螺纹钢筋，其抗拉强度标准值fpk=830MPa、弹性模量Ep=200GPa。

1.3 计算荷载

荷载计算按照参考文献［2］中的要求取值。活载采用ZK活载，二期恒载结合本桥实际情况计算，取值为131KN/m。列车竖向活载纵向计算采用ZK标准活载。列车竖向活载桥面横向计算采用ZK特种活载［2］。

2 力学特性判定方法实例运用

2.1 双控法运用

以分析不同荷载工况的主梁竖向应力为例，主梁顶板及底板最大、最小正应力影响结构承载能力，故设计人员一般通过分析主梁在各种荷载工况下其应力，以观察两者最值正应力是否在规定范围内。众多可能的计算工序中，那些工况对结构的应力影响最大，需要设计人员对比分析。为此，本文以5种工况进行计算分析各工况对主梁顶板、底板应力的影响，其计算结果详见图1、图2，其中两图中各工况分别表现为：自重+二恒；工况二：自重+二恒+支座沉降；工况3：自重+二恒+列车；工况4：自重+二恒+支座沉降+列车；工况5：自重+二恒+支座沉+列车+附加力。

图1 工况计算情况

图2 顶板和底板最小正应力值

由图2可知，随着连续桥上的荷载工况增多，顶板及底板最大正应力均呈增大趋势。由图1可知随着荷载工况增多，顶板最小正应力数值不变，其处于边跨边支点附近，而底板最小正应力呈减小趋势，其最大变化弧度为2.7MPa，其所处位置由边跨跨中1/8附近变化至边跨跨中附近。可见工况分析中，连续梁的应力控制分别为：边跨1/2左右，跨中1/8左右端部及0号块处。其控制主要组合为：自重+二恒+支座沉降+列车+附加力正应力，此工况条件下应满足规范中关于应力要求。

2.2 多控法运用

多控法可以运用于几个相关或不相关因素集的可行性判定中。以Φ1，Φ2，Φ3为例。

（1）Φ1—进活载下梁体跨中位移分析：计算桥梁结构在运营阶段静活载作用下的梁体竖向挠度与转角，根据结构力学弯矩剪力图在整个桥梁结构上的分布形式看，只要分析结构的关键截面即可，如挠度一般研究结构跨中截面最大值即可，考虑梁端转角转角限制均需满足规范容许挠跨比及容许转角。选取边跨、中跨跨中截面计算挠度。计算结果表明梁体竖向最大度与转角两因素均满足规范要求，故其结果能作为设计可行值。

（2）Φ2—运营荷载作用下箱梁强度计算：有结构力学相关知识可知，对于连续桥梁支座负弯矩受边界条件影响，本桥中边跨支座17#节点仅承受桥墩竖向及横向约束作用，中跨支座37#节点与桥墩形成固结。边跨跨中与中跨跨中的正、斜截面抗弯强度计算结果详见表3。

表3 跨中正、斜截面抗弯强度计算值与规范限值N/mm2

由表3可知，同一跨中节点处，斜截面抗弯强度均大于相应正截面相应强度值，且差值在1.7～2.1N/mm2之间，且主加附工况下同一截面均小与主力工况下相应抗弯强度，可见，跨中正截面抗弯强度的大小决定结构的整体抗弯刚度。

（3）Φ3—主力和主+附荷载作用下箱梁应力计算：在运营阶段，主力和主+附荷载作用下，梁体控制应力、正、斜截面截面上、下缘最大、最小应力极值结果详见表4。

表4 运营阶段控制应力计算值与规范限值 MPa

由表4可知，在主力和主+附荷载作用下，箱梁顶板、底板正应力及最大主拉压应力均在规范限值范围内。

3 结束语

（1）在优化结构力学特性之前，必须进行可行性判断。按照本文可行性判断准则，可方便减少优化理论迭代寻求最优解的时间。

（2）进行可行性判断时，一定范围内，结构力学特性中单因素集成立的数量越大，得出的力学特性可行性特性理论越全面。

（3）对于桥梁结构设计，随着软件智能化的完善，目前的桥梁设计软件尚不具备优化功能，有待于此方面做进一步完善。

［1］徐芝纶.弹性力学简学教程［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［2］中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005，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，2005.

Mechanical properties of continuous beam bridge computing and determine feasibility study

LI Liang
（China Railway 19TH bureau group 2nd CO.，LTD，Harbin Heilongjiang 154800）

For passenger dedicated line continuous beam（40+2 x56+40）upper structure as an example，the key structure with finite element method analysis interface mechanical properties，and carries on the optimization design of continuous girder bridge，using the method of double control and multiple control under different working conditions，to judge whether it is feasible to structure，reduce the optimization calculation of the number of iterations.

Continuous beam bridge；mechanical properties；feasibility

U442

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.04.003

1672-7304（2015）04-0005-02

（责任编辑：黄 密）

李良（1986-），男，辽宁铁岭人，研究方向：铁路桥梁。