大跨度鐵路鋼桁梁斜拉橋帶水平K撐橋面系受力特性研究

施 洲， 黃 榮， 夏正春， 蒲黔輝

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031; 2. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 橋梁設(shè)計研究院，湖北 武漢 430063)

鋼桁梁斜拉橋因其跨越能力強(qiáng)和整體剛度大等優(yōu)點，在大跨度高速鐵路橋梁中應(yīng)用廣泛[1]。該橋型的橋面結(jié)構(gòu)既參與了主梁受力又直接承擔(dān)高速列車荷載，在橫橋向及縱橋向(橫梁的面內(nèi)及面外)受力與變形情況復(fù)雜，是鋼桁梁斜拉橋的關(guān)鍵組成部分之一。目前，大跨度鋼桁梁斜拉橋橋面的主要形式有縱橫梁橋面系、密肋橫梁橋面系和正交異性板橋面系，國內(nèi)外學(xué)者曾對鋼桁梁不同橋面系進(jìn)行了深入研究。Li[2]通過有限元分析方法對一座設(shè)置連續(xù)縱梁的鋼桁架橋進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明采用連續(xù)縱梁, 增強(qiáng)了整體鋼梁對橋面系的影響，但同時也會導(dǎo)致橫梁的面外彎矩增大，橫向撓度增大。Masamichi等[3]為了改善現(xiàn)有鐵路橋梁橋面結(jié)構(gòu)的性能，提出了一種在原橋上安裝混凝土橋面板的新型連接方式，并討論了這種方式適用的跨度范圍和橋面系應(yīng)力減少的幅度，還通過加載試驗與理論分析對比研究。Wojciech[4]通過對現(xiàn)有的幾座鐵路桁架梁橋進(jìn)行數(shù)值分析，認(rèn)為改變橫梁水平布置的風(fēng)撐以及改變橋面板和主梁的聯(lián)合作用可以減小橫梁的應(yīng)力水平，這種方法適用于現(xiàn)有的鋼混組合橋面鐵路桁梁橋。在國內(nèi)，張曄芝等[5]針對大跨度高速鐵路鋼桁梁橋鋼-混凝土結(jié)合橋面，系統(tǒng)研究橫梁面外彎曲問題，并認(rèn)為橋面系的連續(xù)長度、下弦桿的軸向變形、下弦桿結(jié)點對于橫梁的約束是橫梁產(chǎn)生面外彎矩和彎曲應(yīng)力的主要影響因素。為了避免橫梁的面外彎曲過大，減小主桁與橫梁的共同作用，崔鑫等[6]提出應(yīng)在鋼桁梁達(dá)到適當(dāng)跨度時設(shè)置伸縮縱梁，而鄭紀(jì)研等[7]也建議設(shè)置縱梁或永久斷縫、采用正交異性鋼橋面。關(guān)于橋面系與主桁結(jié)構(gòu)的共同作用，陳佳等[8]通過對密肋橫梁橋面系開展受力分析研究，提出了橋面結(jié)構(gòu)參與主桁受力的解析解和簡化公式，并提出了橋面系第二系統(tǒng)受力的解析解。除此之外，也有不少學(xué)者結(jié)合現(xiàn)有鋼桁梁進(jìn)行有限元分析和試驗研究。如郭子煜[9]針對某重載鐵路線路上的大跨度簡支鋼桁梁橋，對比分析了密肋橫梁混凝土橋面板和鋼橋面板的結(jié)構(gòu)受力情況，并認(rèn)為大跨度鋼桁梁橋適宜采用鋼橋面。梁炯[10]則針對四線客運專線鋼桁梁斜拉橋橋面結(jié)構(gòu)、橋梁整體剛度開展了仿真計算與模型試驗研究。葉梅新等[11]和戴勝勇等[12]針對帶豎向K撐的鋼桁連續(xù)梁開展受力分析研究，認(rèn)為豎向K撐的設(shè)置能夠降低主桁豎桿桿端的面外彎矩并改善橫梁梁端和橋面板的應(yīng)力分布。

針對大跨度鐵路鋼桁梁斜拉橋橋面系橫梁面內(nèi)和面外的復(fù)雜受力情況，貴廣鐵路思賢窖特大橋采用了帶水平K撐的橋面系。該類型橋面系的橫梁與主桁節(jié)點相連，縱梁平行設(shè)于主桁內(nèi)側(cè)，通過橫梁傳遞豎向荷載，連接于主桁架節(jié)點的水平K撐傳遞縱向荷載，縱梁間布置橫肋。這種新型的橋面布置形式，可顯著降低橫梁的面外彎矩并使主桁桿件傳力明確。但關(guān)于該橋面系的實際受力特性與傳力機(jī)理的研究尚少，在此，以思賢窖特大橋為工程背景，通過有限元計算分析和橋面系節(jié)段縮尺模型試驗，對大跨度鐵路鋼桁梁斜拉橋帶水平K撐橋面系的受力傳力特性進(jìn)行研究。

1 橋面系結(jié)構(gòu)特點分析

1.1 大跨度鋼桁架梁橋面系結(jié)構(gòu)特點

我國普通鐵路鋼桁梁橋多采用縱橫梁橋面系，該橋面系具有結(jié)構(gòu)簡單、傳力明確等優(yōu)點。但隨著跨度的增加，主桁架撓曲變形帶動橫梁縱向變形，由于縱梁的約束作用使得橫梁面外受力越發(fā)顯著，并可能導(dǎo)致橫梁開裂等問題。目前高速鐵路大跨度鋼桁架梁橋的橋面結(jié)構(gòu)中，多采用密肋橫梁體系、鋼混結(jié)合橋面系、正交異性板橋面系等來改進(jìn)橋面結(jié)構(gòu)的受力與變形。其中，密肋橫梁橋面系取消縱梁，并在節(jié)點橫梁之間設(shè)置多道直接連接于下弦桿的橫肋；正交異性板橋面系是指采用正交異性板結(jié)合橫梁作為橋面系與主桁共同受力。以上幾種橋面系結(jié)構(gòu)都具有顯著的優(yōu)點，但仍存在一定的不足之處：密肋橫梁橋面系及鋼混結(jié)合橋面系在改善橫梁面外彎曲的同時，又會顯著增加主桁下弦桿的彎曲受力及結(jié)構(gòu)總體受力的復(fù)雜性；正交異性板橋面系能夠有效改善整體受力但大大增加了橋面結(jié)構(gòu)及其連接的復(fù)雜性，還存在正交異性橋面疲勞開裂等問題。

1.2 帶水平K撐橋面系結(jié)構(gòu)及其特點

貴廣客運專線思賢窖特大橋為雙塔三跨鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為(57.5+109.25+230+109.25+57.5) m，設(shè)計速度250 km/h，設(shè)計荷載為四線中-活載(客貨共線)。鋼桁梁高14 m，主桁中心距24 m，節(jié)點橫梁中心距為11.5 m，采用了帶水平K撐縱橫梁橋面系。該橋面系由橫梁、橫肋、邊縱梁、水平K撐及兩側(cè)邊縱梁之間的混凝土橋面板或正交異性鋼橋面板組成。橫梁與下弦桿在節(jié)點處連接，下弦桿內(nèi)側(cè)共設(shè)2根邊縱梁連接于橫梁，橫梁間設(shè)三道橫肋與邊縱梁相連，通過設(shè)置邊縱梁及橫肋形成獨立于主桁架的密肋橫梁橋面系。橋梁兩側(cè)邊跨及主跨靠近邊跨的四個節(jié)間為混凝土橋面板，其余主跨節(jié)間為正交異性鋼橋面板，其中一個節(jié)間的橋面平面布置見圖1。橋面的豎向荷載大部分由橫肋傳遞至縱梁再傳遞至橫梁，其余則直接傳遞至橫梁，最后由橫梁傳遞至主桁節(jié)點。K撐由上下2根分離的T形截面構(gòu)件組成，其頂、底板分別與橫梁、縱梁的頂、底板栓接，水平K撐主要向主桁節(jié)點傳遞縱橋向軸力。主桁下弦桿同傳統(tǒng)的桁架梁類似，主要承擔(dān)拉壓作用。水平K撐構(gòu)件設(shè)置的目的在于解決傳統(tǒng)縱橫梁橋面系存在的橫梁面外受力、變形顯著的問題，并避免了主桁架承擔(dān)節(jié)間力。為對比分析水平K撐橋面系的受力傳力特性，在其基礎(chǔ)上構(gòu)造出“密肋橫梁橋面系”的對比方案，橫梁、橫肋及下弦桿的結(jié)構(gòu)與布置同原橋，取消邊縱梁及K撐并縮短兩側(cè)主桁間距，混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板布置與原橋一致，相應(yīng)平面布置見圖2。

2 水平K撐構(gòu)件受力特性分析

2.1 水平K撐受力與縱向傳力分析

為系統(tǒng)分析帶水平K撐橋面結(jié)構(gòu)的受力特性，首先采用Midas Civil建立了全橋有限元模型，計算其在鐵路列車荷載下的受力狀況，并與密肋橫梁橋面系方案進(jìn)行對比。通過對各荷載組合作用下水平K撐的內(nèi)力結(jié)果對比分析，可知水平K撐以承擔(dān)軸力為主，承擔(dān)的彎矩和剪力均相對較小，在橋梁邊跨輔助墩頂E5節(jié)點處及邊跨側(cè)第一節(jié)間(E4-E5 節(jié)間)受力最為不利。該節(jié)間K撐編號如下：E5節(jié)點邊跨側(cè)上、下K撐分別為E5-1、E5-2，E5節(jié)點中跨側(cè)上、下K撐分別為E5-3、E5-4；E4節(jié)點兩側(cè)K撐編號方式同E5。主力組合作用(恒載+中-活載)下，最大軸拉力為1 470.86 kN，對應(yīng)E4-3號K撐；最大軸壓力為-1 378.80 kN，對應(yīng)E5-2號K撐；主力+附加力工況下，最大軸拉力為1 540.02 kN，對應(yīng)E4-3號K撐；最大軸向壓力為-1 697.31 kN，對應(yīng)E5-2號K撐。其中主力組合作用下，水平K撐受力最不利節(jié)間內(nèi)軸力、水平面及豎平面彎矩引起的正應(yīng)力結(jié)果見表1。兩個方向彎矩引起的正應(yīng)力結(jié)果與軸力引起的正應(yīng)力結(jié)果相比小一個數(shù)量級，說明K撐構(gòu)件以傳遞軸向力為主。各組合工況下應(yīng)力結(jié)果表明K撐具有良好的強(qiáng)度；穩(wěn)定計算顯示K撐在各組合工況下最小穩(wěn)定系數(shù)為6.2，表明K撐具有良好的穩(wěn)定性。

表1 主力組合作用下E4-E5節(jié)間水平K撐應(yīng)力結(jié)果 MPa

2.2 水平 K撐結(jié)構(gòu)參數(shù)對受力的影響分析

為進(jìn)一步探討關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對水平K撐力學(xué)特性的影響規(guī)律，在全橋模型中分別改變K撐的截面形式和截面剛度，通過計算結(jié)果分析在不同設(shè)計參數(shù)下水平K撐受力的變化情況。

(1) 水平K撐截面形式影響規(guī)律分析：為了解水平K撐構(gòu)件截面形式對結(jié)構(gòu)受力的影響，在原構(gòu)件T形截面的基礎(chǔ)上，保持用鋼量不變(截面面積不變)，增加倒T形及十字形截面方案，分別計算不同截面形式的水平K撐在軸拉工況(主力+制動力2+系統(tǒng)降溫)和軸壓工況(主力+有車橫風(fēng)+系統(tǒng)升溫)下的應(yīng)力分布狀態(tài)，重點關(guān)注受力最不利的E4-E5節(jié)間。軸拉工況下，三種截面形式的水平K撐在E4-E5節(jié)間最大軸拉應(yīng)力分別為78.00、79.20、80.20 MPa，均位于桿件E4-3的頂板。軸壓工況下，三種截面形式的水平K撐在E4-E5節(jié)間K撐最大軸壓應(yīng)力分別為86.80、90.80、92.00 MPa，均位于桿件E5-2的腹板。截面形式對結(jié)構(gòu)受力有影響，但并不顯著，在三種截面形式中實橋采用的T形截面應(yīng)力最小，這說明該橋采用的K撐截面形式是合理的。

(2) 水平K撐的剛度影響規(guī)律分析：為討論K撐剛度的影響，在既有K撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，保持截面面積不變，改變T型截面翼緣板與腹板的長度、厚度等尺寸進(jìn)而改變水平K撐的抗彎剛度。原K撐的抗彎剛度為141.91 cm4，增加兩種抗彎剛度分別為163.45 cm4和118.36 cm4的K撐截面，分別計算不同抗彎慣性矩的水平K撐在軸拉工況和軸壓工況下的應(yīng)力分布狀態(tài)，重點關(guān)注受力最不利的E4-E5節(jié)間。軸拉工況下，三種不同抗彎慣性矩的水平K撐在E4-E5節(jié)間最大軸拉應(yīng)力分別為79.00(163.45 cm4)、78.00(141.91 cm4)、76.40 MPa(118.36 cm4)，均位于桿件E4-3，水平K撐的剛度越大，軸拉應(yīng)力略有增大。軸壓工況下，三種不同抗彎慣性矩的水平K撐在E4-E5節(jié)間最大軸壓應(yīng)力分別為-86.9、-86.8、-87.1 MPa，均位于桿件E5-2，水平K撐的剛度對最大軸壓力的影響有限。

(3) 在原橋的K撐構(gòu)件設(shè)計中，為減少K撐剪力與彎矩的傳遞，使其以傳遞軸力為主，每一側(cè)K撐采用了上下2根腹板相對的T形截面構(gòu)件，其一端翼緣板分別與邊縱梁頂?shù)装逅ń?，另一端與下弦桿頂?shù)装逅ń印，F(xiàn)將上下2根T形截面構(gòu)件相對的腹板延伸并連為整體，得到與邊縱梁等高的工字形截面，并與原方案進(jìn)行對比。由計算結(jié)果可知，工字形截面K撐軸向應(yīng)力略有降低，彎曲應(yīng)力變化不大，拉彎組合應(yīng)力降低20 MPa左右，但剪切應(yīng)力增加20 MPa，因此增加腹板材料有助拉壓受力，但增加的剛度會加大剪力和彎矩的傳遞，并增大剪應(yīng)力。

2.3 帶水平K撐橋面結(jié)構(gòu)豎向傳力機(jī)理分析

橋面系結(jié)構(gòu)豎向傳力機(jī)理可采用傳力比R來描述，即橋面系沿某特定傳力路徑傳遞的橋面荷載與該節(jié)間橋面總荷載的比值[13]。帶水平K撐橋面系結(jié)構(gòu)傳遞橋面荷載的傳力路徑包含如下3條：路徑R1，橋面板→橫梁→主桁下弦節(jié)點；路徑R2g，橋面板→橫肋→兩側(cè)邊縱梁→橫梁(R2g)→主桁下弦節(jié)點；路徑R2k，橋面板→橫肋→兩側(cè)邊縱梁→水平K撐(R2k)→主桁下弦節(jié)點。密肋橫梁橋面系方案節(jié)間內(nèi)橋面荷載的傳力路徑主要有2條：路徑R1，橋面板→橫梁→主桁下弦節(jié)點；路徑R2，橋面板→橫肋→下弦桿→主桁下弦節(jié)點。在橋面系的傳力分析中，分別討論二期恒載(均布荷載)以及設(shè)計的中-活載在橋面系中的傳遞情況，設(shè)計的中-活載以布滿主跨的等效均布荷載沿實際四線軌道位置布置，各個節(jié)間的荷載布置相同。傳力比的計算參考文獻(xiàn) [14]中相關(guān)推導(dǎo)公式求解，具體計算中根據(jù)有限元模型中橫梁、橫肋、縱梁、K撐傳遞剪力量值計算。帶水平K撐橋面系以及密肋橫梁橋面系兩種方案中，邊跨及輔助跨9個節(jié)間混凝土橋面的內(nèi)傳力比R1和R2的計算結(jié)果見表2。

表2 9個節(jié)間混凝土橋面?zhèn)髁Ρ葘Ρ?%

由表2可見，二期恒載與設(shè)計的中-活載作用下兩種橋面系的傳力比較為接近；帶水平K撐橋面系傳力路徑R1介于30.08%～38.60%，密肋橫梁橋面系傳力路徑R1介于37.81%～48.12%；密肋橫梁系傳力路徑R1比帶水平K撐橋面系傳力路徑R1大5%左右，說明帶水平K撐橋面系中橫肋和邊縱梁分擔(dān)了更多的橋面豎向荷載，并將其傳遞至主桁下弦桿節(jié)點。在帶水平K撐橋面系傳力路徑中，從邊縱梁經(jīng)由K撐傳遞至主桁下弦節(jié)點的傳力比R2k介于0.58%～0.78%，從邊縱梁經(jīng)由橫梁至主桁下弦節(jié)點的傳力比R2g介于60.63%～69.22%，表明節(jié)間荷載主要通過邊縱梁經(jīng)由橫梁傳遞至主桁下弦節(jié)點，也說明水平K撐對橋面豎向荷載的傳遞貢獻(xiàn)非常小，這與K撐結(jié)構(gòu)主要傳遞軸力而承擔(dān)剪力、彎矩很小的受力特點是相符的。

進(jìn)一步的參數(shù)分析表明，水平K撐橋面系方案中R1、R2g、R2k三條路徑傳力比的大小與橫梁、邊縱梁及K撐的剛度有關(guān)，還同邊縱梁至主桁的間距有關(guān)。影響密肋橫梁橋面系方案傳力比R1、R2的主要因素包括：橫梁與橫肋的豎向剛度比，橫梁與橋面板的豎向剛度比等。

3 水平K撐對橋面系受力與變形的影響分析

3.1 水平K撐對橋面其他構(gòu)件受力影響分析

(1) 下弦桿的受力：中-活載作用下兩種橋面系方案下弦桿的軸力包絡(luò)圖與彎矩包絡(luò)圖見圖3，圖中橫坐標(biāo)表示縱橋向距中跨跨中的距離，負(fù)號表示位于中跨左側(cè)。

由圖3可知：兩種橋面系方案中下弦桿的內(nèi)力分布規(guī)律相近，K撐方案下弦桿的軸力與密肋橫梁方案基本相近但彎矩普遍小于密肋橫梁方案，其主要原因是密肋橫梁方案下弦桿承受節(jié)間橫肋傳遞的豎向荷載而受彎。兩種橋面系中下弦桿的最大拉、壓軸力分別位于主跨跨中(橋軸向坐標(biāo)0 m)及橋塔附近(橋軸向坐標(biāo)-115 m)，最大的正負(fù)彎矩均位于橋塔附近(橋軸向坐標(biāo)-115 m)。

(2) 橫梁：中-活載作用下，兩種橋面系橫梁的面內(nèi)、面外最不利彎矩分布見圖4。圖中橫坐標(biāo)表示縱橋向距中跨跨中的距離，負(fù)號表示位于中跨左側(cè)。計算結(jié)果表明，兩種橋面系橫梁的面內(nèi)彎矩量值以及沿縱橋向的分布規(guī)律基本相同。對于橫梁的面外彎矩，兩種橋面系沿著縱橋向分布規(guī)律相近，在梁端至邊跨大部分范圍內(nèi)(橋軸向坐標(biāo)-300～-180 m)相差極??；但在主跨及邊跨靠近橋塔處K撐方案的橫梁面外彎矩顯著小于密肋橫梁方案。K撐方案最大面外彎矩為615.76 kN·m，相比密肋橫梁方案最大面外彎矩2 098.59 kN·m，降低了70.7%。其主要原因在于K撐的設(shè)置可將縱向力由縱梁傳遞至主桁節(jié)點，有效改善了橫梁的面外彎曲情況。

公開資料顯示，黃道龍曾任共青團(tuán)揚州市委秘書，揚州市審計局副局長、局長，揚州市國資委主任等職，2012年退休。黃宇曾任揚州市財政局下屬二十四橋賓館副總經(jīng)理，2016年9月任揚州市資源交易中心政府采購科科長。

3.2 水平K撐對橋面結(jié)構(gòu)變形的影響

(1) 豎向撓度對比：由兩種橋面系方案的主桁下弦桿在中-活載作用下的豎向撓度包絡(luò)曲線可知， K撐方案和密肋橫梁方案的兩條曲線形狀基本相同，在主跨跨中最大撓度分別為196.88、208.03 mm，對應(yīng)撓跨比分別為1/1 168、1/1 106，K撐方案比密肋橫梁方案小5.7%，說明K撐方案橋梁的整體剛度比密肋橫梁方案的略大。

(2) 節(jié)間豎向相對撓度分析：在帶水平K撐橋面系中，2個橫梁在縱橋向組成長11.5 m的節(jié)間內(nèi)橋面與主桁架無聯(lián)系，節(jié)間內(nèi)橋面相對兩側(cè)主桁節(jié)點的局部豎向撓度會影響線路軌道的局部平順性。為分析帶水平K撐橋面系節(jié)間豎向相對撓度的影響，計算兩種橋面系方案下橋塔附近撓度斜率最大處(橋軸向坐標(biāo)-110～-96 m)節(jié)間及主跨跨中撓度最大處(橋軸向坐標(biāo)-6～6 m)節(jié)間的橋面4根軌道在兩側(cè)橫梁1/4、1/2、3/4節(jié)間處相對主桁節(jié)點的豎向相對撓度，自主桁一側(cè)起依次編號軌道1～軌道4(G1～G4)的結(jié)果見圖5，由于主跨跨中撓度最大處兩種橋面系方案的G1與G4以及G2與G3基本重合，因此圖5(b)中僅列出G1和G2的相對位移曲線。

由于橫梁在荷載作用下發(fā)生了豎向撓曲變形，因而軌道G1～G4在兩側(cè)橫梁處的相對主桁節(jié)點位移并不為零，靠近橫梁跨中的G2軌道2、G3軌道3的豎向相對位移明顯大于靠近主桁架節(jié)點的G1、G4。K撐方案軌道1～軌道4在橫梁處的豎向相對撓度大于密肋橫梁方案，其原因在于帶水平K撐橋面系相對后者更寬，從而增大了橫梁的跨徑以及列車荷載下的豎向撓度。而K撐方案軌道1～軌道4在1/4、1/2、3/4節(jié)間處的豎向相對撓度則略小于密肋橫梁方案，這是由于帶水平K撐橋面系具有邊縱梁、K撐等構(gòu)件，增大節(jié)間內(nèi)橋面的整體剛度?？傮w而言，K撐橋面系在節(jié)間的豎向相對撓度比密肋橫梁橋面系更為平順。

4 帶水平K撐橋面結(jié)構(gòu)受力的模型試驗

4.1 模型試驗概況

為驗證帶水平K撐縱橫梁橋面系的受力與傳力特性，經(jīng)仿真分析和計算比選，開展相似比為1∶4的雙K撐模型試驗研究，試驗?zāi)Ｐ推矫鎴D見圖6(a)，模型中K撐結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖見圖6(b)。通過對模型的縱梁、主桁下弦桿施加水平的軸向力以及對混凝土板施加豎向力來模擬K撐橋面系結(jié)構(gòu)受力與傳力。試驗工況中基于應(yīng)力等效的原則分別模擬恒載工況、K撐最不利軸壓工況以及K撐最不利軸拉工況，考察帶水平K撐橋面系的受力與傳力特點?？v梁和下弦桿水平力以及橋面豎向力均使用千斤頂進(jìn)行施加。試驗中詳細(xì)測試下弦桿、橫梁、橫肋、K撐等構(gòu)件在等效荷載作用下的應(yīng)力分布情況，應(yīng)力測點采用粘貼應(yīng)變片進(jìn)行測試，測點布置于各構(gòu)件理論計算最不利位置處。

4.2 K撐橋面結(jié)構(gòu)在組合工況下的試驗結(jié)果分析

本次試驗?zāi)M了主力+附加力組合下K撐最不利軸拉等工況的各類構(gòu)件的受力情況。在試驗中，為分析橋面系試驗?zāi)Ｐ透鳂?gòu)件隨荷載增加的應(yīng)力變化情況，各工況按照最不利組合作用的0.4、0.6倍等逐級加載至1.0倍，并超載逐級加載至1.8倍。在最不利軸拉工況作用下，水平K撐、橫梁等構(gòu)件測點實測結(jié)果見表3，其中水平K撐、橫梁測點應(yīng)力變化曲線見圖7。

軸拉工況試驗結(jié)果表明，在1.0倍最大軸拉工況下，除K撐頂面達(dá)到82.4 MPa外其余桿件應(yīng)力均在55.0 MPa以下。在1.8倍組合力作用下，K撐實測最大拉應(yīng)力為135.03 MPa，各截面應(yīng)力水平并不高。K撐頂板受拉、腹板存在一定的壓應(yīng)力，表明水平K撐承受了一定的彎矩。在加載至1.6倍工況時，實測應(yīng)力隨加載工況系數(shù)增大近似呈線性趨勢，說明該工況下結(jié)構(gòu)處于線彈性狀態(tài)，設(shè)計有較大的安全余量；加載至1.8倍工況時，截面應(yīng)力增長出現(xiàn)平緩的非線形增長。橫梁頂板受壓，底板受拉，最大壓應(yīng)力為-20.70 MPa，最大拉應(yīng)力為114.03 MPa，應(yīng)力水平相對較低。在加載至1.8倍工況時，橫梁截面應(yīng)力隨加載工況系數(shù)增加仍呈線性趨勢，說明該工況下結(jié)構(gòu)處于線彈性狀態(tài)。其余下弦桿、縱梁、橫肋等構(gòu)件的應(yīng)力相對較小，均在70.35 MPa以下。下弦桿主要以承壓為主，底板的壓應(yīng)力略大于頂板，與模型試驗所選取的節(jié)點位于負(fù)彎矩區(qū)的受力規(guī)律是一致的?？v梁受彎為主，頂板的拉應(yīng)力略大于底板的壓應(yīng)力，說明其承擔(dān)部分軸拉力。橫梁以承擔(dān)面內(nèi)拉彎為主，從實測頂、底板兩側(cè)應(yīng)力偏差可見，橫梁的面外彎矩并不明顯。K撐最不利軸拉工況1.8倍荷載下橋面系各構(gòu)件的實測應(yīng)力結(jié)果及其與理論值的對比見表4，其中理論值1為原橋梁單元模型計算結(jié)果，理論值2為試驗?zāi)Ｐ途?xì)化的板單元ANSYS模型計算結(jié)果。

表3 各構(gòu)件測點應(yīng)力實測值 MPa

從表4中實測結(jié)果與理論值1的對比可知，帶水平K撐橋面系的試驗結(jié)果與有限元分析總體上吻合較好，但在部分構(gòu)件上還是存在一定的差異，這是由于原橋梁單元模型在模擬構(gòu)件和單元連接時進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，引起了一定的模擬誤差。K撐的實測應(yīng)力結(jié)果表明，K撐構(gòu)件實際受力與原橋梁單元模型理論狀態(tài)相比，承受的軸力偏小并導(dǎo)致軸力下K撐頂面及腹板底的拉應(yīng)力均偏小；實際K撐由于頂板外側(cè)填充墊板后與縱梁翼緣栓接導(dǎo)致偏心傳力而產(chǎn)生的附加彎矩導(dǎo)致頂板受拉及腹板底受壓；實際K撐軸力偏小及附加彎矩的共同作用下導(dǎo)致了“K撐頂面測點實測應(yīng)力與理論計算值比較接近，而腹板中和腹板底實測值與理論值則相差較大”的特點K撐構(gòu)件與縱梁頂板栓接位置與K撐的中心存在一定的偏心，導(dǎo)致偏心拉壓而產(chǎn)生顯著的彎矩。橫梁實測應(yīng)力結(jié)果表明其以面內(nèi)拉彎受力為主，豎向受彎大于原橋理論應(yīng)力結(jié)果，而橫向受彎均很?。幌孪覘U實測應(yīng)力與原橋理論計算相符良好，以軸向受壓為主；縱梁的實測應(yīng)力結(jié)果表明其受壓彎為主，豎向受彎小于理論應(yīng)力結(jié)果，而面外受彎均較小；橫肋實測應(yīng)力與原橋理論計算相符良好，以拉彎受力為主。模型試驗及理論分析可知橋面?zhèn)髁C(jī)理如下：K撐主要承擔(dān)軸力，傳遞橋面縱向力，降低橫梁面外彎矩，實際存在的偏心傳力使其承受一定彎矩；橫梁與橫肋主要傳遞豎向荷載，以承擔(dān)面內(nèi)彎矩與軸力為主，面外彎矩較??；縱梁承擔(dān)部分橋面荷載及橫肋傳遞的豎向荷載，以受彎為主；下弦桿主要承擔(dān)主桁架及橫梁傳遞的拉壓力。實測應(yīng)力結(jié)果與精細(xì)化的板單元有限元模型計算結(jié)果吻合良好，表明K撐構(gòu)件能夠有效傳遞橋面縱向力，但因偏心傳力而承擔(dān)一定的附加彎矩。

表4 K撐最不利軸拉工況下各類構(gòu)件的應(yīng)力理論值與實測值對比

注：表中因測點應(yīng)力方向、量值小等原因?qū)е孪鄬φ`差過大的未給出結(jié)果，以“—”表示。

5 結(jié)論

針對大跨度鋼桁梁斜拉橋帶水平K撐橋面系結(jié)構(gòu)，開展其受力傳力的計算分析與局部試驗研究，得到結(jié)論如下：

(1) 相比密肋橫梁方案，帶水平K撐橋面系結(jié)構(gòu)通過增設(shè)的邊縱梁及K撐構(gòu)件能夠有效降低節(jié)點橫梁的面外彎矩，并避免下弦桿節(jié)間彎矩。

(2) K撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析表明，K撐主要承擔(dān)軸向拉壓力，適合采用T形或十字形截面，且20%以內(nèi)的剛度變化對其結(jié)構(gòu)受力影響并不顯著。

(3) 帶水平K撐橋面系及密肋橫梁橋面的豎向荷載傳遞分析表明兩者傳力途徑相近；K撐結(jié)構(gòu)傳遞橋面豎向荷載僅占0.57～0.78%，說明K撐對橋面豎向荷載的傳遞貢獻(xiàn)非常小，主要傳遞軸力。

(4) K撐的設(shè)置可將縱向力由縱梁傳遞至主桁節(jié)點，有效降低了橫梁的面外受力，橫梁的最大面外彎矩為511.43 kN·m，相比密肋橫梁方案最大面外彎矩為 1 348.10 kN·m，降低了62.1%。K撐橋面豎向整體剛度略大于密肋橫梁橋面，節(jié)間相對撓曲更平順。

(5) 帶水平K撐橋面結(jié)構(gòu)的試驗表明，在1.8倍最大軸拉工況下，除K撐頂面、橫梁底面達(dá)到135.03、114.03 MPa外，其余桿件應(yīng)力均在70.35 MPa以下；實測K撐桿件承擔(dān)軸向拉壓力為主，但因偏心傳力而承擔(dān)一定的附加彎矩；下弦桿以受壓為主，縱梁受彎，橫梁及橫肋主要承擔(dān)面內(nèi)拉彎。