下承式鋼桁結(jié)合梁在豎向?qū)ΨQ荷載作用下的受力性能分析

席國政

（山東省交通科學(xué)研究院， 山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

下承式鋼桁結(jié)合梁橋是混凝土橋面板與鋼桁架結(jié)合而共同受力的一種新型組合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有抗彎剛度大、抗扭剛度大、建筑高度低、行車噪聲小、舒適度高等優(yōu)點(diǎn)。本文運(yùn)用有限元軟件分析了下承式鋼桁結(jié)合梁橋在豎向?qū)ΨQ荷載作用下的受力性能。

1 橋梁概況

圖1 為由某鐵路設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的一座96 米簡支下承式鋼桁結(jié)合梁橋，該橋?yàn)闊o豎桿平行弦桁架的結(jié)構(gòu)、縱橫梁板式的橋面系。橋梁跨度96 米、桁高12.3 米、主桁中心距11.2 米、共8 個(gè)節(jié)間其長度均為12 米。該橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：旅客列車設(shè)計(jì)行車速度200km/h，貨物列車設(shè)計(jì)行車速度120km/h，雙線且線間距5.0 米。

2 計(jì)算模型

2.1 材料特性

表1 鋼桁結(jié)合梁橋材料特性

2.2 計(jì)算工況

① 一期恒載：鋼結(jié)構(gòu)128.5KN/m，混凝土橋面板81.5KN/m。

② 二期恒載：包括人行道、擋碴墻、線路設(shè)備和管線，活動(dòng)檢查車軌道等橋面二期恒載其重按161.5KN/m。

(2) 中-活載：計(jì)算時(shí)順橋向采用普通活載，橫橋向取特種活載。

計(jì)算工況：一期恒載+二期恒載+雙線對稱活載，假設(shè)施工時(shí)不設(shè)臨時(shí)支撐，則一期恒載由鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)，而二期恒載和活載則由整個(gè)組合結(jié)構(gòu)承受。

2.3 模型建立

采用梁單元模擬主桁及縱、橫梁，且建模均在其中面上，每個(gè)主桁節(jié)間劃分為12 個(gè)梁單元，斜腹桿及上平聯(lián)均化為1 個(gè)梁單元；利用板殼單元進(jìn)行混凝土橋面板模擬，縱、橫梁與橋面板通過剪力釘結(jié)合起來，剪力釘縱、橫向間距均為200mm。等效的箱型梁由主桁腹桿的剪切變形等效構(gòu)成其腹板、由上弦桿及上平聯(lián)按縱向拉伸應(yīng)變能等效構(gòu)成其上翼緣。為簡化分析，引入如下假定：

①結(jié)構(gòu)變形后，仍滿足平截面假定并相互平行；③栓釘在結(jié)合面上連續(xù)分布；

②在縱梁的軸向抗拉剛度中考慮橫梁面外彎曲剛度的等效；④考慮相對滑移；

⑤主桁截面周邊不考慮在橫截面內(nèi)投影形狀的改變。

3 主要計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 結(jié)構(gòu)的位移分析

結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路線：荷載的施加→橋面板→縱梁→橫梁→主桁，該路線中前者均彈性支承在后者上，因此，任意一點(diǎn)橋面板上的位移均可用下式表示：

其中： δx—下弦桿的位移;δhx—相對位移(橫梁與主桁下弦桿間);

δzh—相對位移(縱梁與橫梁間);δbz—相對位移(混凝土板與縱梁間)。

圖2 為工況作用時(shí)橫梁豎向位移，最大豎向位移發(fā)生在跨中橫梁處，其變化趨勢由跨中橫梁向端橫梁遞減，最大值為98.5mm，最小值在端橫梁處基本為零。

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由表2 可知，混凝土板與縱、橫梁的平截面假定等能夠得到很好的滿足，且存在縱向滑移力位于縱梁頂及混凝土板底。

3.2 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析

(1) 整體受力特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)的整體受力特點(diǎn)：①取橋面系作為研究體系Ⅰ。混凝土板在豎向荷載作用下通過剪力連接件將荷載傳至縱橫梁，使橫梁與下弦桿交接處產(chǎn)生豎向剪力。②取主桁作為研究體系Ⅱ，主桁在橫梁所傳的豎向力作用下產(chǎn)生豎 向彎曲，使上、下弦桿受壓、拉。

(2) 結(jié)構(gòu)各桿件的內(nèi)力

① 主桁：上、下弦桿主要承受軸向力。上、下弦桿受壓、拉，其值均為從兩端向跨中遞增。由于均為節(jié)點(diǎn)荷載作用在上、下弦桿上，其面內(nèi)外彎矩均很小。

② 斜腹桿

斜腹桿以受剪為主，上、下弦桿以承受軸力為主。上、下弦桿的荷載通過腹桿進(jìn)行傳遞。豎向集中荷載作用在下弦桿節(jié)點(diǎn)，下弦桿產(chǎn)生下?lián)希⑼ㄟ^斜腹桿傳至上弦桿，上弦桿產(chǎn)生下?lián)?，下弦桿兩端節(jié)點(diǎn)豎向位移被限制，使兩邊斜桿受壓。因此一般斜腹桿的受力形態(tài)由兩邊向中間為受壓、受拉、受壓，交替變換。

③ 縱梁

縱梁為彎拉構(gòu)件，彎矩表現(xiàn)為在每個(gè)節(jié)間跨中處及節(jié)間端處為底面受拉、頂面受壓。由圖4.a、b 可知，縱梁以受彎為主、受軸力為輔；下弦桿則與之相反。

④ 橫梁

橫梁受面內(nèi)外彎矩的作用，并將作用于橋面板上的荷載傳至下弦桿。將橫梁x=0、12、24、36、48m 處分別對應(yīng)于橫梁0-4 等。端橫梁承受最大的豎向荷載。由圖4.c 可知，橫梁受縱梁的彈性支承作用，其限制兩縱梁間面內(nèi)彎矩的增加，此處存在負(fù)彎矩，若采用剛性支承則其值將為正。由圖4.d可知，橫梁的面外彎矩小于面內(nèi)彎矩，且面外彎矩由橫梁1 到橫梁3 逐漸減小，而橫梁4 基本為零。

4 結(jié)語

本文對下承式鋼桁結(jié)合梁橋運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行建模，詳盡分析了結(jié)構(gòu)在豎向?qū)ΨQ荷載作用下的受力特點(diǎn)。分析結(jié)果表明，橫梁豎向位移變化趨勢為由跨中向兩端遞減，存在縱向滑移力位于縱梁頂及混凝土板底。文中計(jì)算分析及結(jié)論對研究此類結(jié)構(gòu)受力性能具有一定的借鑒意義。