敞口式鋼管混凝土桁梁橋選型及參數(shù)分析

摘 要：文章介紹了鋼管混凝土敞口桁梁橋橋型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程，提出高跨比、寬跨比的合理范圍，對(duì)全橋主要構(gòu)件（主桁桿件、橋面系）進(jìn)行選型，擬定了鋼管混凝土敞口桁梁橋結(jié)構(gòu)尺寸，建立全橋有限元模型，運(yùn)用參數(shù)對(duì)比方法，分析該類型橋梁在不同桿件尺寸、寬跨比、高跨比的情況下，全橋強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：桿件尺寸的變化對(duì)全橋靜力性能有一定影響，上弦桿尺寸變化影響較大；高跨比的增大對(duì)豎向剛度有所提升，但全橋整體穩(wěn)定性能有所下降；寬跨比的增大降低了全橋的豎向剛度與橫向剛度，會(huì)導(dǎo)致全橋整體穩(wěn)定性的下降。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；敞口式桁梁橋；鋼管混凝土；結(jié)構(gòu)選型；參數(shù)分析

中圖分類號(hào)：U448.21+1

0 引言

目前，敞口鋼桁梁橋在公路交通中應(yīng)用較少，且跨徑范圍通常為20～40 m［1-4］，現(xiàn)有敞口式桁梁橋主桁弦桿以空鋼管截面為主（圖1），腹桿以空鋼管或工字形截面為主。敞口式桁梁橋上弦桿受壓，由于上弦桿無(wú)側(cè)向支承，空鋼管截面上弦桿易發(fā)生面外失穩(wěn)破壞從而導(dǎo)致全橋破壞，且全橋橫向剛度也存在不足，阻礙了敞口式桁梁橋跨徑的發(fā)展［5-7］。空鋼管內(nèi)填混凝土后形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土具有壓彎性能優(yōu)良的特點(diǎn)，敞口式桁梁橋上弦桿采用鋼管混凝土截面可有效提高整體穩(wěn)定性能及全橋橫向剛度［8］。鋼管混凝土敞口式桁梁橋應(yīng)用實(shí)例較少，且研究多集中于空鋼管敞口式桁梁橋上弦桿面外穩(wěn)定以及特有工程的設(shè)計(jì)及施工方法探討［9-10］，研究對(duì)象多為港口鋁合金跨堤引橋以及鐵路舊橋改造等，缺乏針對(duì)橋型裝配化、工業(yè)化快速建造的設(shè)計(jì)研究。本文從結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)參數(shù)分析對(duì)鋼管混凝土敞口桁梁橋進(jìn)行研究，為公路鋼管混凝土敞口桁梁橋設(shè)計(jì)提供參考。

1 鋼管混凝土敞口桁梁橋結(jié)構(gòu)選型

鋼管混凝土敞口桁梁橋可視為開(kāi)口框架結(jié)構(gòu)，其上弦桿面外穩(wěn)定性能是該結(jié)構(gòu)承載能力大小的控制性因素，基于上弦桿可視為多點(diǎn)彈性支承連續(xù)梁的假定，上弦桿和腹桿的面外剛度、橫梁面內(nèi)剛度以及下弦桿節(jié)點(diǎn)處的連接方式?jīng)Q定了上弦桿面外穩(wěn)定性能，因此有必要對(duì)上弦桿、下弦桿、腹桿以及橋面系進(jìn)行選型研究。鋼管混凝土敞口桁梁橋主桁弦桿主要構(gòu)件為鋼管混凝土，按照構(gòu)件截面可分為圓形鋼管混凝土截面與矩形鋼管混凝土截面；主桁腹桿一般采用空鋼管截面，截面形式通常與弦桿匹配，也可采用主方支圓的組合形式（即弦桿為矩形截面、腹桿為圓形截面）；橋面系包括縱橫梁梁格體系，單橫梁體系以及新型板桁組合體系。本文基于預(yù)制裝配設(shè)計(jì)思想，從總體布置、主桁、桿件、節(jié)點(diǎn)以及橋面系等方面闡述鋼管混凝土敞口桁梁橋設(shè)計(jì)選型。

1.1 高跨比

高跨比是橋梁設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，高跨比通常與桁梁橋的用鋼量密切相關(guān)，隨著高跨比的增大，保持桿件應(yīng)力不變的情況下，桁梁總用鋼量將會(huì)有所降低，且敞口式桁梁橋建筑高度與桁高無(wú)關(guān)，橋下凈空要求較小，因此可通過(guò)不斷加大桁高實(shí)現(xiàn)跨徑的增大。但是由于上弦桿缺少側(cè)向支承，在高跨比較大的情況下，過(guò)高的桁高導(dǎo)致腹桿線剛度較小，對(duì)上弦桿的側(cè)向約束減弱，易發(fā)生上弦桿面外失穩(wěn)破壞。如下頁(yè)圖 2所示，敞口式桁梁橋高跨比一般應(yīng)為0.06～0.12，鋼管混凝土敞口桁梁橋高跨比通常在0.09左右，桿件選型研究對(duì)象擬定橋跨為70 m，桁高為6 m，高跨比為0.086。

1.2 寬跨比

寬跨比是敞口式桁梁橋總體布置的另一個(gè)重要參數(shù)，由于敞口式桁梁橋無(wú)上平聯(lián)，因此該結(jié)構(gòu)可等效為采用開(kāi)口U形截面的單梁結(jié)構(gòu)，主桁中心距增大即U形截

面寬度增大勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致全橋橫向剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度發(fā)生變化，這兩種剛度共同決定了全橋的穩(wěn)定性。如圖3所示，敞口式桁梁橋?qū)捒绫茸兓秶鸀?.1～0.3，基于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)考慮，公路敞口桁梁橋橋面寬度應(yīng)為12.5 m或12.75 m，桿件選型研究對(duì)象擬定橋跨為70 m，擬定主桁中心距為14 m，寬跨比為0.2。

敞口式鋼管混凝土桁梁橋選型及參數(shù)分析/李寶地

1.3 主桁及橋面布置

對(duì)于桁梁橋而言，常用的主桁腹桿布置有華倫型腹桿桁架、單斜式腹桿桁架、菱形腹桿桁架和K形腹桿桁架等，如圖4所示。相比較而言，華倫型腹桿具有以下優(yōu)勢(shì)：腹桿數(shù)量較少，桿件安裝工作量??；在承受恒載時(shí)，腹桿軸向拉、壓力最為接近，截面材料強(qiáng)度利用效率最高；桿件布設(shè)形式更有韻律感，景觀效果更佳。

敞口桁梁橋橋面系常采用縱橫梁體系，在橋?qū)挷淮髸r(shí)，可以不設(shè)置縱梁，僅在下弦桿節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置單橫梁，橫梁上方布置剪力釘。橋面采用預(yù)制橋面板，預(yù)制單元之間采用濕接縫連接。預(yù)制橋面板可以有效減小后期混凝土收縮、徐變而導(dǎo)致的橋面板與鋼梁的剪切滑移，進(jìn)而減小混凝土橋面板的拉應(yīng)力。

1.4 桿件選型

目前鋼管混凝土結(jié)構(gòu)仍以圓形截面為主，圓形鋼管混凝土的套箍作用在于環(huán)向受拉的鋼管對(duì)管內(nèi)混凝土提供均勻的壓應(yīng)力，使管內(nèi)混凝土均處于三向受力狀態(tài)，從而提高抗壓強(qiáng)度。但是圓形鋼管的存放、運(yùn)輸以及放樣安裝均存在困難，且圓管節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)通常采用相貫焊接的方式，質(zhì)量難以保證，疲勞問(wèn)題突出。矩形鋼管混凝土相比圓形鋼管混凝土，其套箍作用有所減弱，但在施工方面，矩形鋼管存放、運(yùn)輸方便，其節(jié)點(diǎn)處的連接構(gòu)造簡(jiǎn)單，支座安裝更為便捷。敞口式桁梁橋上弦桿易發(fā)生面外失穩(wěn)，桿件選型重點(diǎn)考慮上弦桿截面選型，腹桿采用與上弦桿對(duì)應(yīng)截面的空鋼管，下弦桿采用矩形鋼管混凝土截面更符合裝配化施工的要求。

上弦桿截面選型須先擬定圓鋼管混凝土截面尺寸，即直徑D與鋼管厚度t0。定義矩形鋼管混凝土截面高寬比β，將圓形鋼管混凝土截面等效為高寬比分別為1.0、0.75、0.5的三種矩形截面。利用有限元軟件Midas Civil建立全橋計(jì)算模型［11］，模型中結(jié)構(gòu)自重、二期恒載等均按實(shí)際重量進(jìn)行模擬，車道荷載及人群荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2015）［12］進(jìn)行施加。通過(guò)有限元計(jì)算可得出全橋屈曲臨界荷載系數(shù)與桿件內(nèi)力結(jié)果，根據(jù)擬定截面尺寸計(jì)算上弦桿桿件承載力與節(jié)點(diǎn)承載力，得出桿件承載力安全系數(shù)，節(jié)點(diǎn)承載力安全系數(shù)。計(jì)算分析結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，桿件承載力安全系數(shù)隨著高寬比的減小而增大，且四邊形截面承載力均大于圓形截面承載力；節(jié)點(diǎn)承載力安全系數(shù)隨著高寬比的減小而減小，且四邊形截面弦腹桿組合節(jié)點(diǎn)承載力均小于圓形截面弦腹桿組合節(jié)點(diǎn)承載力，其中方形組合與圓形組合節(jié)點(diǎn)承載力安全系數(shù)相差不大；屈曲臨界荷載系數(shù)隨高寬比的減小而增大，說(shuō)明采用扁平形上弦桿能增強(qiáng)全橋的面外穩(wěn)定性能，方形截面臨界荷載系數(shù)小于圓形截面臨界荷載系數(shù)。對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力安全系數(shù)，通過(guò)計(jì)算公式分析可知，受桿件板厚影響較大，而前述三種方案的上弦桿及腹桿板厚均有所下降，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)承載力較低，方形截面組合與原方案（圓形截面組合）相差不大，現(xiàn)考慮板厚不變，對(duì)上弦桿鋼管混凝土截面采用方形（β=1.0）、矩形（β=0.75）、扁平形（β=0.5）三種方案進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算分析結(jié)果如圖6所示。

在上弦桿鋼管板厚保持不變的情況下，上弦桿承載力安全系數(shù)隨高寬比減小而減小，但變化幅度較??；節(jié)點(diǎn)承載力安全系數(shù)仍隨高寬比減小而減小，但均＞1且減小幅度較??；臨界荷載系數(shù)隨高寬比減小而增大，說(shuō)明采用扁平形上弦桿能增強(qiáng)全橋的面外穩(wěn)定性能。在給定高寬比的情況下，保持內(nèi)填混凝土面積不變，則板厚發(fā)生變化，對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力影響較大；保持板厚不變，則內(nèi)填混凝土面積發(fā)生變化，改變了桿件承載力的變化趨勢(shì)，但是影響相對(duì)較小；保持板厚不變，內(nèi)填混凝土面積減小，導(dǎo)致桿件承載力與臨界荷載均降低，但均在安全范圍內(nèi)。

綜上，簡(jiǎn)支敞口桁梁橋上弦桿在進(jìn)行試設(shè)計(jì)時(shí)，可初擬為圓形鋼管混凝土截面，即確定直徑D與板厚t，即可進(jìn)行試算。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，通常保持板厚不變，根據(jù)等效截面計(jì)算公式換算為矩形截面，即選取高寬比。由前述分析可知，高寬比減小，在保證板厚不發(fā)生變化的情況下，內(nèi)填混凝土面積不斷減小，導(dǎo)致上弦桿桿件承載力與全橋臨界荷載系數(shù)均有所下降，高寬比取值在0.75左右為宜。

2 鋼管混凝土敞口桁梁橋參數(shù)敏感性分析

采用前述鋼管混凝土敞口桁梁橋結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)方法，以70 m跨徑為例初步擬定原始方案：桁高6 m，高跨比為1/11.6；主桁中心距為14 m，寬跨比為0.2；節(jié)點(diǎn)間距分為7 m與8 m兩種，主桁立面布置如圖7所示；橋面系采用單橫梁體系，橫梁間距與節(jié)點(diǎn)間距保持一致；橋面板采用預(yù)制橋面板，橫橋向分三塊，縱橋向在橫梁處分割；上弦桿截面高寬比取0.75，各構(gòu)件截面尺寸如表1所示。

2.1 高跨比影響

為研究高跨比對(duì)鋼管混凝土敞口式桁梁橋強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的影響，調(diào)整桁高從4 m至8 m，每個(gè)方案桁高相差1 m，高跨比從1/17.5變化至1/8.75。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3計(jì)算結(jié)果可知，隨著桁高的不斷增大，在活載作用下，豎向撓度最大減小幅度為14.8%，豎向剛度大幅提升；橫向剛度最大增大幅度為22.3%，橫向剛度大幅降低。在最不利荷載作用下，各桿件最大應(yīng)力均有所降低，其中上弦桿最大壓應(yīng)力降低幅度可達(dá)20.2%，下弦桿最大應(yīng)力降低幅度可達(dá)21.2%，腹桿最大應(yīng)力降低幅度為7.1%，橫梁最大應(yīng)力降低幅度為13.3%。全橋整體穩(wěn)定系數(shù)降低5.8%。綜上所述，高跨比的增大可以提升全橋豎向剛度，但橫向剛度降低幅度更大，最終導(dǎo)致全橋整體穩(wěn)定性下降。高跨比增大后，各桿件應(yīng)力水平均有所下降，上下弦桿應(yīng)力下降幅度最大。

2.2 寬跨比影響

為研究寬跨比對(duì)鋼管混凝土敞口式桁梁橋強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的影響，調(diào)整桁高從14 m至22 m，每個(gè)方案桁高相差2 m，寬跨比從0.200變化至0.314。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4計(jì)算結(jié)果可知，隨著桁間距的不斷增大，在活載作用下，豎向撓度最大增大幅度為14.4%，豎向剛度大幅減弱；橫向撓度最大增大為16.1%，橫向剛度大幅降低。在最不利荷載作用下，各桿件最大應(yīng)力均有所增大，其中上弦桿最大壓應(yīng)力增大幅度為0.7%，下弦桿最大應(yīng)力增大幅度可達(dá)3.8%，腹桿最大應(yīng)力增大幅度為1.5%，橫梁最大應(yīng)力增大幅度為7.2%。全橋整體穩(wěn)定系數(shù)降低0.8%。綜上所述，寬跨比增大后，全橋豎向、橫向剛度均大幅降低，但全橋整體穩(wěn)定性下降幅度不大。主桁間距增大后，各桿件應(yīng)力水平均有所上升，橫梁應(yīng)力水平受寬跨比影響最大。

2.3 主要構(gòu)件尺寸變化的影響

為研究主要構(gòu)件尺寸對(duì)鋼管混凝土敞口式桁梁橋強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的影響，在計(jì)算模型中分別考慮上弦桿腹板厚度、下弦桿頂?shù)装搴穸?、腹桿腹板厚度、橫梁頂?shù)装搴穸茸兓?，擬定桿件尺寸變化如表5所示，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8計(jì)算結(jié)果可知，橫梁頂?shù)装搴穸鹊脑黾涌梢杂行Ы档腿珮蜇Q向撓度，降低幅度可達(dá)13.9%，其余構(gòu)件板厚變化對(duì)全橋豎向撓度影響程度較?。粰M梁頂?shù)装搴穸鹊脑黾油瑫r(shí)會(huì)降低全橋的橫向撓度，降低幅度可達(dá)8%，通過(guò)增加下弦桿頂?shù)装搴穸?，全橋橫向撓度可降低3%，其余構(gòu)件板厚變化對(duì)全橋橫向撓度影響程度較??；腹桿腹板與上弦桿腹板板厚的變化對(duì)全橋穩(wěn)定性能影響最為突出，腹桿腹板板厚的增加使全橋臨界荷載值增大幅度為4%，上弦桿腹板板厚的增加使全橋臨界荷載值增大幅度為3%，橫梁及下弦桿頂?shù)装灏搴褡兓瘜?duì)全橋穩(wěn)定性影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以鋼管混凝土敞口式桁梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于預(yù)制裝配設(shè)計(jì)思想，從總體布置、主桁、桿件、節(jié)點(diǎn)以及橋面系等方面闡述鋼管混凝土敞口桁梁橋設(shè)計(jì)選型，并通過(guò)有限元計(jì)算及參數(shù)設(shè)置對(duì)橋梁強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行敏感性分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）敞口式桁梁橋高跨比一般應(yīng)為1/16～1/8，鋼管混凝土敞口桁梁橋高跨比宜取1/11左右。鋼管混凝土敞口桁梁橋高跨比宜取為0.1～0.3。主桁布置采用華倫型腹桿布置最佳，可有效減小腹桿數(shù)量及桿件安裝工作量，增大腹桿截面材料強(qiáng)度利用效率且桿件布設(shè)形式更有韻律感，景觀效果更佳。

（2）鋼管混凝土敞口桁梁橋上弦桿在進(jìn)行試設(shè)計(jì)時(shí)，可初擬為圓形鋼管混凝土截面，即確定直徑D與板厚t，即可進(jìn)行試算。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，通常保持板厚不變，根據(jù)等效截面計(jì)算公式換算為矩形截面，上弦桿截面選型宜采用寬高比為0.75左右的矩形鋼管混凝土截面，腹桿采用與上弦桿對(duì)應(yīng)截面的等寬空鋼管，下弦桿采用矩形鋼管混凝土截面更符合裝配化施工的要求。

（3）桁高的增大可以提升全橋豎向剛度，但橫向剛度降低幅度更大，最終導(dǎo)致全橋整體穩(wěn)定性下降。高跨比增大后，各桿件應(yīng)力水平均有所下降，上下弦桿應(yīng)力下降幅度最大。橋?qū)捲龃蠛?，全橋豎向、橫向剛度均大幅降低，但全橋整體穩(wěn)定性下降幅度不大。主桁間距增大后，各桿件應(yīng)力水平均有所上升，橫梁應(yīng)力水平受寬跨比影響最大。

（4）橫梁頂?shù)装搴穸鹊脑黾涌梢杂行Ы档腿珮蜇Q向撓度，其余構(gòu)件板厚變化對(duì)全橋豎向撓度影響程度較小，橫梁頂?shù)装搴穸鹊脑黾右矔?huì)降低全橋的橫向撓度。增加下弦桿頂?shù)装搴穸瓤捎行Ы档腿珮驒M向撓度，其余構(gòu)件板厚變化對(duì)全橋橫向撓度影響程度較小。腹桿腹板與上弦桿腹板板厚的變化對(duì)全橋穩(wěn)定性能影響最為突出，橫梁及下弦桿頂?shù)装灏搴褡兓瘜?duì)全橋穩(wěn)定性影響不大。

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