公路縱橫梁組合橋面和密橫梁組合橋面下承鋼桁梁橋的計算對比

楊一維，鄭凱鋒，張 銳

(西南交通大學，四川成都610031)

下承式鋼桁梁橋具有跨越能力強，且建筑高度低、施工快捷方便［1］的特點，在目前的工程項目中應用廣泛，特別常見于橋梁跨度較大和建筑高度受限的立體斜交跨越中。下承式鋼桁梁的橋面系參與主桁整體受力，對結構整體剛度、下弦桿的應力均有較大影響。在國內(nèi)外鋼桁梁設計中，用得較多的是“縱橫梁混凝土橋面”和“密橫梁混凝土橋面”［2］。臺灣高速鐵路鋼桁結合梁設計中采用了縱橫梁結合梁橋面；我國已建成的京津城際改京山跨二環(huán)線96 m鋼桁結合梁亦采用了縱橫梁結合梁橋面；法國高速鐵路鋼拱橋和福廈線64 m、80 m鋼桁結合梁采用的是密布橫梁結合梁橋面［3］。組合橋面中混凝土橋面板應力受橋面形式影響較大，混凝土橋面板通過剪力釘與縱橫梁相連，橋面板承受的荷載一部分直接傳到橫梁，另一部分先傳到縱梁再由縱梁傳遞給橫梁，兩種組合橋面形式具有明顯不同的傳力特點，但目前并沒有規(guī)范說明兩種橋面形式的更優(yōu)適用范圍。所以研究不同組合橋面形式的鋼桁組合梁橋的力學行為對實際工程設計工作中比選橋面形式有重要意義。

本文以90 m跨度公路下承式組合橋面簡支鋼桁梁橋為研究對象，采用Midas/Civil有限元分析軟件按縱橫梁組合橋面和密橫梁組合橋面分別建立有限元模型，計算結構的受力情況，為公路下承式鋼桁組合梁橋選擇合理橋面系構造提供參考。

1 主桁和橋面系構造

為便于比較，除橋面系采用兩種方案外，鋼桁梁橋采用相同的材料、桿件截面形式和橋面板厚度。鋼桁梁橋鋼結構采用Q345qD鋼材，橋面板采用C50混凝土。鋼桁梁橋采用兩片主桁，計算跨度90 m，節(jié)間長度10 m，主桁高12 m，主桁中心距18 m混凝土橋面板厚度25 cm。上弦桿均采用箱型截面，除端腹桿采用箱型截面外，其余腹桿均采用工字型截面。主桁立面布置見圖1。

圖1 主桁立面布置(單位：mm)

橋面系采用縱橫梁組合橋面和密橫梁組合橋面兩種方案。

縱橫梁組合橋面即混凝土橋面板與縱橫梁通過剪力釘相連，橋面板不與主桁下弦桿相連，橋面荷載通過縱橫梁傳至主桁下弦桿?？v橫梁橋面在2個端節(jié)點處設2片端橫梁；8個中節(jié)點處設8片中橫梁；設5片縱梁，縱梁間距3.5 m?？v橫梁橋面構造見圖2和圖3。

圖2 縱橫梁橋面平面(單位：m)

圖3 縱橫梁橋面橫斷面(單位：mm)

密橫梁組合橋面減少縱梁，加密橫梁，混凝土橋面板與縱橫梁通過剪力釘相連。橋面板不與主桁下弦桿相連，橋面荷載主要通過橫梁傳遞到主桁上［4］。密橫梁體系在2個端節(jié)點處設2片端橫梁；8個中節(jié)點處設8片中橫梁；在每個節(jié)間3等分點位置各設2片次橫梁，共計18片次橫梁；設2片縱梁，縱梁間距6 m。橋面寬18 m，共設5個車道。密橫梁橋面構造見圖4和圖5。

圖4 密橫梁橋面平面(單位：m)

圖5 密橫梁橋面橫斷面(單位：mm)

2 有限元模型建立和加載

利用Midas/Civil有限元數(shù)值模擬軟件分別建立縱橫梁組合橋面和密橫梁組合橋面兩種橋面形式的全橋空間有限元模型。橋面板采用板單元，其余構件均采用梁單元。主桁桿件之間、橫梁和下弦桿、橫梁與縱梁、平聯(lián)之間、平聯(lián)與上弦桿、橋面板與縱橫梁均采用剛性連接，且不考慮偏心和滑移。施工階段依次為鋼結構架設、混凝土橋面板安裝、二期鋪設和成橋運營。整體有限元模型如圖6和圖7。

圖6 縱橫梁整體計算模型(橋面板未示)

圖7 密橫梁整體計算模型(橋面板未示)

恒載和活載如下：

一期恒載：鋼結構和混凝土橋面板自重，自重系數(shù)取1.15。

二期恒載：欄桿和鋪裝等，取70 kN/m。

活載：公路Ⅰ級加載。

一期恒載由鋼結構承受，二期恒載和活載由組合結構承受。

3 橋梁變形計算比較

不同組合橋面桁架梁橋豎向撓度見表1。

表1 桁架梁橋豎向撓度 cm

由表1可以看出，不同橋面體系下的桁架梁橋的撓跨比均小于規(guī)范1/500的限值?？v橫梁體系橋梁與密橫梁體系橋梁的恒載撓度差別不大，采用縱橫梁可減小1.6%的橋梁恒載撓度，但采用密橫梁體系可以在一定程度上減小橋梁活載撓度，減小約7.5%。

4 主桁桿件正應力計算比較

恒載+活載作用下主桁各類桿件在兩種橋面體系中的最大正應力見表2。

表2 主桁桿件最大正應力 MPa

由表2可以看出，主桁各桿件最大正應力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。從組合應力來看，密橫梁體系較縱橫梁體系對下弦桿組合應力有較明顯的減小，減小了約19.4%，但不同橋面系類型對上弦桿和腹桿組合應力無太大影響。對下弦桿詳細應力分析可知，兩種橋面體系對下弦桿軸向應力和豎平面彎曲應力影響不大，密橫梁體系的下弦桿軸向應力和豎平面彎曲應力有輕微的增大；密橫梁體系較縱橫梁體系的下弦桿水平面彎曲應力有較明顯的減小，減小了約34%。

5 橫梁和縱梁正應力計算比較

恒載+活載作用下桁架橋橫梁和縱梁在兩種橋面體系中的最大正應力見表3。

由表3可以看出，橫梁和縱梁的最大正應力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。從組合應力來看，兩種橋面體系對縱梁組合應力無太大影響；密橫梁體系較縱橫梁體系對橫梁組合應力有較明顯的減小，減小了約19.8%。對橫梁詳細應力分析可知，兩種橋面體系對橫梁豎平面彎曲應力無太大影響，密橫梁體系較縱橫梁體系對橫梁軸向應力和水平面彎曲應力均有較大程度的減小，軸向應力減小約41.2%，水平面彎曲應力減小約49.2%。

表3 橫梁和縱梁最大正應力 MPa

6 橋面板應力和位置計算比較

恒載作用下的兩種組合橋面混凝土板最大縱向應力位置見圖8和圖9，最大縱向應力見表4。

圖8 縱橫梁體系混凝土板最大縱向正應力位置

圖9 密橫梁體系混凝土板最大縱向正應力位置

表4 混凝土板最大縱向正應力 MPa

由表4可知，縱橫梁體系混凝土橋面板最大縱向拉應力為1.0 MPa，密橫梁體系混凝土橋面板最大縱向應力為1.6 MPa。因此，密橫梁體系混凝土橋面板表現(xiàn)縱向受力相對不利。

由于混凝土橋面板與主桁架之間的共同作用，縱梁的存在在一定程度上限制了下弦桿的縱向伸長，從而限制了混凝土橋面板的縱向位移。所以，從混凝土橋面板縱向抗拉的角度考慮，縱橫梁橋面較密橫梁橋面有利。

恒載作用下的兩種組合橋面混凝土板最大橫向應力位置見圖10和圖11，最大橫向應力見表5。

圖10 縱橫梁體系混凝土板最大橫向正應力位置

圖11 密橫梁體系混凝土板最大橫向正應力位置

表5 混凝土板最大橫向正應力 MPa

由表5可知，縱橫梁體系混凝土橋面板最大橫向應力為0.7 MPa，密橫梁體系混凝土橋面板最大橫向應力為0.9 MPa。因此，密橫梁體系混凝土橋面板表現(xiàn)橫向受力相對不利。

由于橋面板與橫梁、縱梁通過剪力釘連接，密橫梁體系較縱橫梁體系增加了橋面系與橋面板的橫向連接，因此增大了橋面板的橫向剛度，所以，密橫梁體系橋面板有較大的橫向拉應力。

7 橋面系用鋼量比較

表6統(tǒng)計了兩種橋面系的詳細用鋼量。

表6 橋面系用鋼量

由表6可以看出，縱橫梁體系橋梁較密橫梁體系橋梁用鋼量少，經(jīng)濟性較好。

8 結論

(1)縱橫梁體系橋梁與密橫梁體系橋梁的恒載撓度差別不大，但采用密橫梁體系可以在一定程度上減小橋梁活載撓度，減小約7.5%。

(2)密橫梁體系較縱橫梁體系對下弦桿和橫梁組合正應力有較明顯的減小，分別減小了約19.4%和19.8%，其中主要是水平面彎曲正應力的減小。

(3)縱橫梁體系橋面板最大縱向拉應力為1.0 MPa，密橫梁體系橋面板最大縱向拉應力為1.6 MPa；縱橫梁體系橋面板最大橫向拉應力為0.7 MPa，密橫梁體系橋面板最大橫向拉應力為0.9 MPa。密橫梁體系橋面板表現(xiàn)縱向和橫向受力均相對不利。

(4)縱橫梁體系橋梁較密橫梁體系橋梁用鋼量少，經(jīng)濟性較好。