寬幅鋼桁梁橋面系構(gòu)造特點(diǎn)及受力性能研究

陶重民

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前鋼桁梁以其優(yōu)異的剛度性能及可雙層布置交通的特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于各類橋梁結(jié)構(gòu)中,除了梁橋,斜拉橋、懸索橋和拱橋的橋面系也大量采用了鋼桁梁橋面系,因此,對于鋼桁梁橋面系的結(jié)構(gòu)體系有必要做深入的研究。采用鋼橋面的鋼桁梁橋面系目前常用的結(jié)構(gòu)體系主要有縱橫梁體系和密橫梁體系?？v橫梁體系主要在桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)置一道主橫梁,主橫梁間距隨節(jié)間距變化在15 m左右,而在節(jié)間則僅設(shè)置剛度比主橫梁減弱很多的橫肋,部分橫肋底板甚至在與主桁下弦相連的部位斷開,以進(jìn)一步削弱橫肋的受力,將荷載更多由主橫梁承擔(dān);在兩道主橫梁之間設(shè)置多道縱梁,其橋面系傳力特點(diǎn)是:通過橋面板和縱梁將橋面荷載傳遞給主橫梁,由主橫梁將荷載傳遞給下弦桿節(jié)點(diǎn),此時(shí)桁梁以承受節(jié)點(diǎn)荷載為主,少部分荷載通過橫肋傳遞到下弦節(jié)間。采用這種體系的代表性橋梁有閔浦大橋[1-3]、三官堂大橋[4-6]和西洪大橋。

密橫梁體系則不僅在桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)置大橫梁,在節(jié)間也設(shè)置剛度較大的橫梁,橫梁間距較密,通常為2.5～3.5 m,密布的大橫梁使得縱梁的作用相對于縱橫梁體系削弱很多,甚至可以取消縱梁,完全通過鋼橋面板將橋面荷載就近傳遞給附近的橫梁,由橫梁將荷載傳遞給下弦桿。由于橫梁較密且受力比較均衡,下弦桿也承受了一部分節(jié)間荷載,對于橫梁高度不大且對橫向剛度要求較高的情況,這種體系使用較多。采用這種體系的代表性橋梁有引江濟(jì)淮繁華大道橋、銅陵長江公鐵兩用大橋[7,8]和楊泗港長江大橋[9]。

對于縱橫梁體系的橋面系,主橫梁的受力是整個(gè)體系的核心和關(guān)鍵,其主要影響因素是主橫梁間距,即主桁節(jié)間長度,縱梁高度以及橫肋高度。主桁節(jié)間長度直接影響了分配到主橫梁的橋面荷載,而縱梁高度則影響到橋面荷載向主橫梁的傳遞,橫肋的高度影響到主橫梁承重的比例,橫肋高度增加到一定程度時(shí),縱橫梁體系受力即類似于密橫梁體系,即橫肋大幅分擔(dān)了主橫梁的受力。本文將通過對這三個(gè)參數(shù)的敏感性分析來研究其對主橫梁受力的影響。同時(shí),牛腿端橫梁的受力也很關(guān)鍵,其截面并非對稱,在豎向荷載作用下,產(chǎn)生了斜向彎曲作用,導(dǎo)致頂?shù)装鍣M向受力不均勻,幾道腹板剪應(yīng)力也不均勻,故本文還研究相應(yīng)的放大系數(shù)乘以桿系模型的結(jié)果,以考慮這種不均勻性。

本文以某寬幅鋼桁梁橋?yàn)槔?在ANSYS軟件中建立全橋精細(xì)化有限元模型,橋面系采用板殼單元,上弦桿和腹桿采用梁單元,調(diào)整主桁節(jié)間長度、縱梁高度和橫肋高度來研究其對節(jié)點(diǎn)主橫梁受力的影響;通過精細(xì)化板殼模型和桿系有限元模型的對比,研究牛腿端橫梁的不均勻受力性能。

1 主橫梁受力的參數(shù)敏感性研究

通過主桁節(jié)間長度(即主橫梁間距)、縱梁高度、橫肋高度等方面的參數(shù)變化,對節(jié)點(diǎn)橫梁的受力進(jìn)行詳盡的對比研究。

1.1 主桁節(jié)間長度

從力學(xué)概念上來看,主桁架節(jié)間長度,也就是主橫梁的間距,對主橫梁的受力影響是比較大的。主橫梁間距很大時(shí)節(jié)間傳遞到主橫梁的荷載也較多,設(shè)置主桁節(jié)間長度分別為10 m、12.5 m和15 m三組變量,保持桁架高跨比不變,節(jié)間數(shù)和外形保持不變,橫梁截面也保持不變,橫肋間距和截面也不變,考慮橫向六輛車加載,在基本組合作用下不同主橫梁間距時(shí)主橫梁底板最大橫向應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的對比見表1。

表1 不同主橫梁間距時(shí)橫梁最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力對比

分析上述結(jié)果可知,主橫梁主要承擔(dān)了一個(gè)節(jié)間內(nèi)的橫向荷載,主桁節(jié)間長度越大,主橫梁間距越大,橫梁受力越不利,幾乎是線性相關(guān)的關(guān)系。在設(shè)計(jì)中如果主桁節(jié)間長度較大,則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)主橫梁的截面或板厚。

1.2 縱梁高度

縱梁高度越大,主橫梁之間的聯(lián)系越緊密,在節(jié)間荷載的作用下,主橫梁的受力也會(huì)受到影響。為此,設(shè)置了四組變量,縱梁高度分別為0.4 m,0.8 m,1.2 m和1.6 m,研究主橫梁受力情況。其中縱梁高度僅為0.4 m只是一種理想工況,因?yàn)榇藭r(shí)縱梁僅僅變成了一道加勁,對于荷載的傳力和分配大大削弱,節(jié)間橋面系的受力變得非常不利。實(shí)際上對于這種主要傳遞節(jié)點(diǎn)荷載的縱橫梁體系來說,一定剛度的縱梁是必要的?？v梁將節(jié)間的荷載傳遞給相近的節(jié)點(diǎn)橫梁,以保證桁架以節(jié)點(diǎn)受力為主?？紤]橫向六輛車加載,在基本組合作用下,不同縱梁高度時(shí)主橫梁底板最大橫向應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的對比見表2。

表2 不同縱梁高度時(shí)橫梁最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力對比

分析結(jié)果表明,隨著縱梁高度的增加,橫梁的受力有所改善。故保證一定剛度的縱梁是很有必要的,但縱梁剛度也不宜過大,一方面浪費(fèi)材料,另一方面會(huì)增加橋面系的抗彎剛度,增加橋面系局部抗彎承擔(dān)荷載的作用,而削弱桁架本身所承擔(dān)的荷載。

2.3 橫肋高度

橋面系的受力是按照剛度來分配的,節(jié)點(diǎn)橫梁剛度較大,所以多數(shù)荷載都傳遞到節(jié)點(diǎn)橫梁上來。而隨著橫肋高度的增加,橫肋也逐漸承擔(dān)起更多的橫向荷載,與此同時(shí),節(jié)點(diǎn)橫梁的受力逐漸減少。設(shè)置了五組橫肋高度的變量,分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m和1.6 m,考慮橫向六輛車加載,在基本組合作用下,不同橫肋高度時(shí)主橫梁底板最大橫向應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的對比見表3。

表3 不同橫肋高度時(shí)橫梁最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力對比

分析結(jié)果表明,隨著橫肋高度的增加,節(jié)點(diǎn)橫梁的受力逐漸減少。這是因?yàn)殡S著橫肋高度增加,整個(gè)結(jié)構(gòu)體系慢慢接近多橫梁體系,更多的荷載傳遞給了橫肋從而傳遞給下弦節(jié)間。

3 牛腿端橫梁受力性能研究

牛腿端橫梁不僅需要承受主橋上方的車輛荷載,通過牛腿還要承受引橋小箱梁的恒載和活載,所以其受力較為復(fù)雜,用MIDAS Civil建立全橋桿系有限元模型,考慮梁單元的第七自由度以充分考慮扭轉(zhuǎn)作用,橫向加載車輛輪載,施加荷載與ANSYS全橋精細(xì)化有限元模型相同,對比分析兩種模型的計(jì)算結(jié)果,如圖1所示。

圖1 端橫梁整體橫橋向正應(yīng)力分布

在ANSYS精細(xì)化有限元模型中,端橫梁頂板在跨中靠近牛腿側(cè)應(yīng)力最大,端橫梁底板在跨中遠(yuǎn)離牛腿側(cè)應(yīng)力最大,在豎向荷載作用下,牛腿橫梁呈現(xiàn)出斜彎曲受力效應(yīng),這是由于牛腿截面本身并非對稱截面,形心主軸也為傾斜的緣故,如圖2所示。

圖2 端橫梁底板橫橋向正應(yīng)力分布

牛腿端橫梁的三道高腹板(非牛腿內(nèi)的低腹板)受力也不均勻,靠近牛腿的腹板受力較大,依次向外呈遞減趨勢,如圖3所示。

圖3 端橫梁腹板剪應(yīng)力分布

在MIDAS桿系模型中,無法考慮上述效應(yīng),故所得應(yīng)力均比ANSYS結(jié)果低,對比見表4。

表4 ANSYS與MIDAS模型牛腿端橫梁最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力對比

對比分析兩種計(jì)算模型的差異可知,采用ANSYS板殼模型考慮了牛腿端橫梁的斜彎曲效應(yīng),頂?shù)装搴透拱迨芰Σ⒉痪鶆?頂?shù)装迨菞U系模型結(jié)果的1.35～1.4倍,腹板是桿系模型結(jié)果的1.25～1.3倍,設(shè)計(jì)中對于此類端橫梁,應(yīng)考慮到這種不均勻受力效應(yīng)。

4 結(jié) 論

本文對縱橫梁體系的鋼桁梁橋面系進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析,得到兩點(diǎn)結(jié)論如下:

(1) 主橫梁主要承擔(dān)了一個(gè)節(jié)間內(nèi)的橫向荷載,主桁節(jié)間長度越大,主橫梁間距越大,橫梁受力越不利,幾乎是線性相關(guān)的關(guān)系;一定剛度的縱梁對于縱橫梁體系的鋼桁梁橋面系很有必要,縱梁可以將橋面荷載傳遞到相近的節(jié)點(diǎn)橫梁,保證桁架以節(jié)點(diǎn)受力為主;隨著橫肋高度的增加,節(jié)點(diǎn)橫梁的受力逐漸減少。這是因?yàn)殡S著橫肋高度增加,整個(gè)結(jié)構(gòu)體系慢慢接近多橫梁體系,更多的荷載傳遞給了橫肋從而傳遞給下弦節(jié)間。

(2) 牛腿端橫梁截面本身并非對稱截面,形心主軸也為傾斜,其在主橋、引橋的豎向荷載作用下呈斜彎曲效應(yīng)。端橫梁頂板在跨中靠近牛腿側(cè)應(yīng)力最大,端橫梁底板在跨中遠(yuǎn)離牛腿側(cè)應(yīng)力最大;牛腿端橫梁的三道高腹板(非牛腿內(nèi)的低腹板)受力也不均勻,靠近牛腿的腹板受力較大,依次向外呈遞減趨勢。ANSYS板殼模型考慮了牛腿端橫梁的斜彎曲效應(yīng),頂?shù)装迨菞U系模型結(jié)果的1.35～1.4倍,腹板是桿系模型結(jié)果的1.25～1.3倍,設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

本文對縱橫梁體系的鋼桁梁橋面系的受力特點(diǎn)的分析可為類似橋梁的設(shè)計(jì)提供參考,而對于其他橋型的牛腿端橫梁設(shè)計(jì),也應(yīng)考慮到該處受力的復(fù)雜性和特殊性。