非對稱變高度連續(xù)鋼桁梁橋受力性能研究

戴新安 郭子會 張謝東 董宇航

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (內蒙古伊泰準東鐵路有限責任公司2) 鄂爾多斯 010300)

0 引 言

鋼桁梁橋是以鋼桁架作為上部結構，結構整體上主要承受彎矩和剪力的橋梁結構.鋼桁梁橋具有剛度大、通透性好、用鋼量少、制造運輸及拼裝方便等特點，所以越來越廣泛地應用于公路橋及鐵路橋建設中.在實際工程中，鋼桁梁橋的連接部位較多，它們可靠與否直接影響到整個橋梁結構的安全使用，是鋼桁梁橋設計的核心所在，對其應重點關注.隨著橋梁日益大型化，橋梁的連接構造形式變得更為復雜，鋼桁梁橋的受力狀態(tài)也變得更加復雜.近幾年來，有不少學者對鋼桁梁橋受力性能方面進行了相關的研究.李佳璐[1]以南屏大橋為研究對象，運用大型有限元軟件建立鋼桁梁柔性拱橋有限元模型，進行了整體靜力性能、動力特性分析研究；鄧蓉[2]以鐵路鋼桁梁橋的實驗數(shù)據(jù)為基礎，對鐵路鋼桁梁橋結構的校驗系數(shù)進行研究, 提出利用實測的應力、撓度和結構校驗系數(shù)定量評價橋梁強度和剛度的方法；徐新利[3]以下承式鐵路鋼桁梁為研究對象，采用理論分析與現(xiàn)場試驗相結合的方法，對重載列車作用下連續(xù)下承式鋼桁梁各桿件的力學特性進行分析；李運生等[4]以長東黃河大橋四跨鐵路連續(xù)鋼桁梁為工程背景，采用midas Civil軟件建立了有限元模型，對其整體受力性能和桿件局部受力性能在30 t重載列車下的適應性進行了分析；張凡[5]對雙層鋼桁梁橋整體節(jié)點受力性能進行了研究，針對節(jié)點的部分構造細節(jié)進行優(yōu)化設計.綜上所述，目前對于鋼桁梁橋的研究主要集中在主桁對稱、等高度形式的鋼桁梁研究上[6-8].非對稱變高度連續(xù)鋼桁梁橋在結構形式及受力狀況上更為復雜，目前對于此類鋼桁梁橋的研究較少.本文某非對稱變高度連續(xù)鋼桁梁橋為實際工程背景，結合有限元分析軟件midas Civil 及相關設計規(guī)范，對該橋上部結構中不同結構形式進行成橋狀態(tài)分析，通過多種荷載工況作用下結構的位移變形及應力水平研究此類橋的受力特點，為實際工程設計與施工提供相關參考.

1 工程概況

依托的工程背景為某120 m+82 m非對稱下承式連續(xù)變高度鐵路鋼桁梁橋，本橋為雙主桁鋼桁梁橋，其中主桁間距10 m，支座中心距梁端0.8 m；橋面系為正交異性鋼橋面，上鋪設180 mm混凝土道砟板.主桁節(jié)點采用整體節(jié)點形式，上、下弦桿在節(jié)點外拼接，斜腹桿采用對接形式與整體節(jié)點拼接，其腹板接頭板焊于節(jié)點板上.上、下弦桿及斜腹桿均采用全截面拼接.端支座處主桁桁高13 m，中支點處桁高25 m，上弦桿線性采用二次拋物線，120 m側共設置10個節(jié)間，節(jié)間間距分別為4×11 m+2×12 m+4×13 m；82 m側設置八個節(jié)間，節(jié)間距分別為2×12 m+4×10 m+2×9 m.上弦桿與下弦桿均采用箱形截面，斜腹桿為工字形和箱形截面，中直腹桿為箱形截面，直腹桿采用工字形截面.

2 有限元模型的建立

利用midas Civil有限元軟件建立鋼桁梁橋全橋成橋模型，全橋共建1 360個節(jié)點，1 605個單元，其中1 026個梁單元，579個板單元，見圖1，橋面系為正交異性鋼橋面，上鋪設180 mm混凝土道砟板.由于在實際中桁架是高強螺栓連接，節(jié)點板很厚，節(jié)點的剛度很大，所以在有限元主桁、橫梁、上平聯(lián)及橫聯(lián)均為梁單元，橋面板、U形肋和橋門架均為板單元，U形肋與橫梁之間的連接采用彈性連接中的剛性連接.根據(jù)結構位置，全橋共定義三種材料，考慮到模型未模擬拼接板、高強螺栓等及其造成的增大系數(shù)，故建模時對各個結構的材料容重進行了調整，具體參數(shù)見表1.

圖1 全橋有限元模型

結構名稱彈性模量/MPa泊松比調整后容重/(kN·m-3)主桁 2.10×1050.3117.8正交異性板2.10×1050.381.5聯(lián)結系 2.10×1050.382.42

3 成橋狀態(tài)靜力計算分析

下承式鋼桁梁橋的主要受力結構為主桁，橋面將外部荷載傳遞給縱梁，再由縱梁傳遞給橫梁，最后外部荷載作用傳遞給主桁，主桁由上、下弦桿和腹桿三部分組成.本文通過鋼桁梁橋在不同荷載組合作用下，計算分析主桁結構中上、下弦桿、斜腹桿和直腹桿的受力及變形狀態(tài).用于橋梁分析計算的主要荷載組合有：組合一，恒載(自重、二恒、支座沉降)+活載(列車豎向活載(考慮沖擊系數(shù))+橫向搖擺力+離心力)；組合二，組合一+橫向風力；組合三，組合一+溫度荷載包絡；組合四，組合一+橫向風力+溫度荷載包絡

3.1 荷載組合作用下位移分析

在外力作用下，主桁各結構產生變形，通過上弦桿和下弦桿產生的豎向、橫向及縱向位移，研究分析上弦桿和下弦桿在不同荷載組合作用下的變形狀況.在有限元模型中限制中支點的橫向和縱向位移，釋放兩端支點的橫向及縱向約束.為方便描述桿件位置，將下弦桿最左端作為位置基準點，從左到右進行編號，上弦桿位置范圍為11～193 m, 下弦桿的位置范圍為0～202 m.各位置的位移值均取為最大值.

3.1.1豎向位移分析

在四種不同荷載組合作用下的上、下弦桿的豎向位移見圖2.

圖2 荷載組合下的豎向位移

由圖2可知:①在四種不同的荷載組合作用下，上弦桿均在在44 m處豎向位移值達到最大，最大值出現(xiàn)在荷載組合一，為-80.35 mm；下弦桿均在56 m處豎向位移值達到最大,最大值出現(xiàn)在荷載組合一，為-81.04 mm；②在四種不同的荷載組合作用下，上弦桿與下弦桿的各位置的豎向位移變化趨勢相同，且豎向位移在數(shù)值上都比較接近，說明整個主桁結構在四種荷載組合作用下豎向位移呈整體上升或下移狀態(tài)；③120 m側的上弦桿和下弦桿的豎向位移變化較為劇烈，82 m側則相對平緩.由于下弦桿120 m處支座的存在，使得在120 m附近區(qū)域的上、下弦桿的豎向位移為正，即該部分結構的變形呈上撓狀態(tài).對比圖2a)和圖2d)，上、下弦桿的豎向位移主要是由恒載與活載作用產生，溫度及橫向風力作用影響較小.

梁式橋結構由于列車豎向靜活載所引起的豎向撓度不應超過容許值[7].本橋為120 m+82 m連續(xù)鋼桁梁橋，邊跨撓度容許值為L/900，主桁的豎向位移及撓跨比見表2.由表2可知，該橋兩跨豎向撓跨比均在規(guī)范容許值以內，豎向剛度滿足設計要求.

表2 主桁撓度及撓跨比

3.1.2橫向位移分析

在四種不同荷載組合作用下的上、下弦桿的橫向位移見圖3.

圖3 荷載組合下的橫向位移

由圖3可知：①上弦桿除在荷載組合三作用下橫向位移最大值出現(xiàn)在44 m處，其它荷載組合下橫向位移值出現(xiàn)于68 m處，最大值出現(xiàn)在荷載組合四，為23.33 mm；下弦桿除在荷載組合一作用下橫向位移最大值出現(xiàn)在56 m處，其他荷載組合下橫向位移值出現(xiàn)于44 m處，最大值出現(xiàn)在荷載組合四，為19.42 mm；②相比于下弦桿，橫向風力對上弦桿的橫向位移較大.除荷載組合三外，在其它荷載組合作用下，上弦桿的橫向位移在絕大部分位置上大于下弦桿的橫向位移，說明上弦桿在橫向上的受力變形較為敏感，在研究主桁結構的橫向位移時，對上弦桿的橫向位移應當著重關注.

主桁在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度的作用下，梁體的水平撓度不大于1/4 000.主桁的最大橫向位移見表3.由表3可知，該橋兩跨橫向撓跨比均在規(guī)范容許值以內，橫向剛度滿足設計要求.

表3 主桁橫向位移

3.1.3縱向位移分析

在四種不同荷載組合作用下的上、下弦桿的縱向位移見圖4.

圖4 荷載組合下的縱向位移

由圖4可知：①在四種不同的荷載組合作用下，上弦桿均在在11 m處縱向位移值達到最大，最大值出現(xiàn)在荷載組合四，為68.56 mm；下弦桿均在0 m處縱向位移值達到最大,最大值出現(xiàn)在荷載組合四，為44 mm;②對比圖4a)和圖4c)，荷載組合一作用下，上、下弦桿縱向位移最大值為21.58 mm, 荷載組合三作用下，上、下弦桿縱向位移最大值為21.58 mm，說明上、下弦桿的縱向位移受溫度影響較大.

由于在中支點處限制了縱向位移，為了盡量減少上、下弦桿產生的縱向位移對主桁結構內力的影響，需在橋梁兩端設置足夠長度的伸縮縫.

3.2 荷載組合作用下應力分析

為準確描述主桁各結構的應力狀況，將主桁按不同結構進行編號，下弦桿為1～18，上弦桿為19～34，斜腹桿為35～52，直腹桿為53～69，見圖5.在midas Civil有限元分析軟件中，通?！?”表示拉應力，“-”表示壓應力.

圖5 主桁桿件編號

3.2.1弦桿應力分析

在四種不同荷載組合作用下的上、下弦桿各桿件的應力見圖6～7.

圖6 四種荷載組合下的下弦桿應力

圖7 四種荷載組合下的上弦桿應力

由圖6可知:①120 m側下弦桿中靠近主桁端部的桿件主要受拉力為主，靠近中支點處的桿件主要受壓力為主，82 m側下弦桿的桿件受拉壓力較為均勻；②下弦桿拉應力最大值出現(xiàn)在荷載組合四下的3號桿，為140.9 MPa；下弦桿壓應力最大值出現(xiàn)在荷載組合四下的11號桿，為-203.8 MPa，滿足強度要求；③82 m側的下弦桿桿件所受拉壓力相對較小，可以適當減少這部分桿件箱型截面的鋼板的厚度，達到減輕結構自重的目的；④9號、10號和11號桿件所受最大壓應力較大，在設計截面時應當著重考慮桿件的抗壓穩(wěn)定性.溫度作用下使得下弦桿最大壓應力增大，橫向風力對下弦桿應力影響較小

由圖7可知:①在中支點附近區(qū)域桿件，即27～30號桿件主要受拉力為主，其他上弦桿的桿件主要受壓力為主；②上弦桿拉應力最大值出現(xiàn)在荷載組合四作用下的28號桿，為149 MPa，上弦桿壓應力最大值出現(xiàn)在荷載組合四作用下的21號桿，為-172.2 MPa；③82 m側的上弦桿桿件所受拉壓力相對較小，可以適當減少這部分桿件箱型截面的鋼板的板厚，達到減輕結構自重的目的.在橫向風力和溫度作用下，上弦桿最大應力無明顯變化.

3.2.2腹桿應力分析

在四種不同荷載組合作用下的腹桿各桿件的應力見圖8～9.

圖8 四種荷載組合下的斜腹桿應力

圖9 四種荷載組合下的直腹桿應力

由圖8～9可知：①斜腹桿拉應力最大值出現(xiàn)在荷載組合四組合作用下的43號桿，為181.1 MPa，斜腹桿壓應力最大值出現(xiàn)在荷載組合四組合作用下的35號桿，為-172.4 MPa，均滿足強度要求；②直腹桿拉應力最大值出現(xiàn)在荷載組合四組合作用下的53號桿，為120 MPa，直腹桿壓應力最大值出現(xiàn)在荷載組合四組合作用下的62號桿，為-145.9 MPa，均滿足強度要求.③橫向風力對中支點附近直腹桿應力影響較大，由于該部分桁高較高，直腹桿長度也較長，橫向風力在該部分應力的影響較為明顯，因此在設計變高度主桁的高度時，需充分考慮橫向風力對直腹桿的影響.

4 結 論

1) 上、下弦桿產生的豎向位移主要受恒載與活載作用影響；上弦桿的橫向變形與下弦桿相比更為敏感；溫度作用對上、下弦桿的縱向位移影響較為明顯.上、下弦桿產生的最大豎向及橫向位移均在規(guī)范允許撓度范圍內，結構設計滿足要求.

2) 上、下弦桿的應力大小主要受恒載與活載影響較大，溫度及橫向風力影響較?。?2 m側上、下弦桿所受應力與120 m側相比較小，可適當減少該部分結構桿件截面鋼板厚度，減輕橋梁自身重量.

3) 中支點附近的直腹桿受橫向風力影響較為明顯，在設計時除了考慮該部位的抗壓穩(wěn)定性外，其橫向穩(wěn)定性也是在結構穩(wěn)定性驗算之內；主桁各結構應力均在材料強度以內，結構設計滿足要求.