基于改進梁板結合模型的鋼桁架橋設計

秦寰宇(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢　430063)Steel Truss Bridge Design base on Improved Beam-Board Combined ModelQIN Huanyu

基于改進梁板結合模型的鋼桁架橋設計

秦寰宇(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢430063)Steel Truss Bridge Design base on Improved Beam-Board Combined ModelQIN Huanyu

摘要以蒙華煤運鐵路三門峽至荊門段72 m簡支下承式鋼桁架梁橋為背景，指出傳統梁板結合有限元模型采用剛臂方式連接虛梁和橋面系所產生的問題，并對其進行改進，提出改進梁板結合有限元模型。將兩種模型在靜活載作用下的桿件應力與真實情況進行對比。結果表明：傳統梁板結合有限元模型的約束形式使橋面系剛度大于真實情況，造成計算出的桿件應力偏小，而改進后的梁板結合有限元模型沒有增大橋面系剛度，計算出的桿件應力也與真實值吻合。

關鍵詞鋼桁架橋改進梁板結合模型有限元設計

鋼桁架橋主要由桁架桿件組成，用稀疏的腹桿代替整體的腹板，每根桁架桿件主要承受軸向拉壓力，從而有較輕的自重和較好的跨越能力。另外，鋼桁架橋由多個鋼部件拼接而成，適合工廠制造，便于運輸、檢修與更換[1]。由于鋼桁架橋的諸多優點，其在鐵路橋梁方面已經得到了廣泛的應用。以蒙華煤運通道72 m簡支下承式鋼桁架橋為背景，針對傳統的梁板結合模型提出改進意見，對鋼桁架橋進行設計計算。

1工程概況

1.1　項目背景

蒙華煤運專線是國內最大的煤運專線，北起內蒙古浩勒報吉站，南至江西省吉安站，全長1 817 km，規劃設計輸送能力為2億噸/年。該橋位于三門峽至荊門段，跨越南水北調水渠[2]。

1.2　設計參數

該橋采用雙線有砟軌道，荷載采用ZH荷載(z=1.2)[3]，設計車速120 km/h，橋面寬13.6 m，線路中心線距離4 m。主橋全長74 m，主跨72 m，梁端距支座中心1.0 m。

鋼桁架橋由主桁架、水平縱向聯結系、橋門架和中間橫撐架以及橋面系組成[4]。

該橋主桁采用三角桁式，桁架高度采用12 m，節間距采用12 m。斜腹桿傾角63.4°，主桁示意如圖1所示。

通過平面模型試算，初步確定主桁尺寸，如表1所示。

該橋上弦設縱向平聯，采用交叉形布置。每個節間設置一道橫向聯系，其中邊支座及橋面以上的第一個節間處為斜向橋門架，其他位置為橫聯，橋門架及橫聯均采用板式結構。

該橋采用正交異性板整體橋面系[5，6]，鋼橋面由橋面板、橫梁及橫肋、縱肋四個部分組成，其中鋼橋面板全橋縱、橫向連續，縱向與下弦頂板伸出肢焊接，橫向分段焊接。橋梁橫斷面如圖2所示。

2梁板結合模型

對于鋼桁架簡支梁橋的計算，之前多采用梁格模型[7，8]，但由于荷載分布的不均勻性，橋面板分配到每根橫縱梁上的面積不同，對于同一根橫(縱)梁的不同位置，橋面板分配的面積也可能不同，而梁格法假定同一根橫(縱)梁的截面不變，所以使用梁格法會產生一定的誤差。

隨著計算機速度的提高，現在對鋼桁架橋的設計多采用梁板結合模型[9]，即將橋面板以板單元形式考慮，橋面板與橫縱梁上端共節點，將荷載直接施加于橋面板上，不再將橋面板人為地分配到每個橫縱梁，而是作為一個整體考慮，這樣會使計算結果更加精確。鋼桁架橋梁板結合三維模型如圖3所示。

2.1　傳統梁板結合模型及其存在的問題

傳統的梁板結合模型用虛梁來代替軌道，通過在其上施加車道荷載來計算列車活載影響線最不利加載。為不影響橋面剛度，虛梁采用足夠小的剛度。虛梁與橋面板上荷載擴散寬度內的節點采用剛性連接。虛梁荷載擴散寬度，按照實際軌道板外緣以45°角[10]擴散到橋面板上的寬度選取。

傳統的梁板結合模型采用剛臂的方式連接虛梁和橋面板，主要是為了傳遞軌道上的列車活載，但卻無形中將荷載分布范圍內的橫縱梁以及橋面板剛性化，從而增加了橋梁的剛度，導致計算結果出現偏差。

2.2　改進的梁板結合模型

為了克服傳統的梁板結合模型使橋梁剛度增大的問題，需要對虛梁與橋面板的連接進行重新定義，達到只傳遞力而不產生約束的效果。

改進的梁板結合模型在虛梁上建立了若干個與橋面板平行的輔助剛性橫梁，用于分配虛梁上的車道荷載。剛性橫梁的長度與活載在橋面板上的分布寬度相同，節點位置與橋面板上節點位置相對應，如圖4所示。

剛性橫梁上的節點與橋面板上對應節點采用彈性連接和剛性連接相結合的方式。

(1)橫向和豎向連接采用較小剛度的彈性連接，這樣可以避免剛性橫梁對橋面板水平和豎向的約束作用。

(2)順橋向采用剛性連接，可以減少自由度，減小計算消耗。因為縱向虛梁剛度很小，所以此處采用剛性連接不會對橋面板產生約束作用。

2.3　兩種模型對比分析

實際設計時，一般采用車道荷載，通過計算影響線來確定每個桿件的最不利受力情況。為了方便對比驗證，此處選取靜活載[3]作用在跨中時的情況，采用傳統和改進的梁板結合模型，對蒙華煤運通道72 m簡支下承式鋼桁架橋進行分析，并與真實的傳力情況進行對比。靜活載作用在跨中時的加載如圖5所示。

此情況下，可采用手動分配的方法來模擬軌道真實傳遞到橋面板的力。假設單線鐵路橫橋向荷載分布寬度為b，將線均布荷載轉換為(102/b)kN/m2的面荷載，將集中荷載轉換為(300/b)kN/m的線荷載，分別加載在對應的荷載分布范圍內，即是橋面板受力的真實情況。將兩種模型的主桁應力計算結果與主桁真實應力情況進行對比，如表2所示。

由表2可以看出，傳統梁板結合模型與手動分配的結果有一定差距，特別是最大拉應力，比真實情況減小了1/6～1/7，這將導致結構設計時偏于不安全。而改進梁板結合模型的計算結果與真實情況幾乎無差距，證明了改進梁板結合模型的正確性。

3桿件優化設計

通過改進梁板結合模型對各個桿件的尺寸進行調整，使各個桿件的應力既滿足要求又不產生大量富余。對于受拉桿件，需采用凈截面進行驗算，而有限元模型沒有考慮螺栓孔等截面削弱，均采用毛截面計算，造成其計算結果相比實際偏小。因此，對于受拉桿件，需用程序提取出內力之后，采用凈截面進行重新驗算。此外，對于節點板，還需要驗算抗撕破強度[11]。最后，根據驗算結果對不滿足條件的截面再次進行調整，以確定各個桿件的最終尺寸。

4結論

以蒙華煤運通道72 m簡支下承式鋼桁架橋為背景，對傳統的梁板結合模型進行改進，可得出以下幾條結論：

(1)傳統梁板結合模型采用剛臂連接橋面板和虛梁，使橋面系剛度增大，桿件應力減小，從而使計算結果偏于不安全。

(2)改進梁板結合模型能夠將活載正確傳遞到橋面板而不改變橋梁本身的性質，能夠正確計算各個桿件的真實內力，為今后簡支鋼桁架橋的設計提供了參考。

參考文獻

[1]王朝華.下承式鋼桁梁橋在城市橋梁中的應用及結構設計[J].山西建筑，2014，40(1):185-186

[2]中鐵第四勘察設計院集團有限公司.蒙華鐵路三荊段橋梁施工圖設計說明書[R].武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2014

[3]趙博.重載鐵路48 m下承式鋼桁梁結構形式優化研究[J].鐵道勘察，2015(2):103-106

[4]TB10002.2—2005鐵路橋梁鋼結構設計規范[S]

[5]榮振環，張玉玲，劉曉光.蘇通大橋正交異性板模型計算分析[J].鐵道建筑，2008(1):1-4

[6]彭嵐平，徐升橋，高靜青.鋼桁梁有砟橋面結構設計研究[J].鐵道勘察，2007(增刊):14-19

[7]徐少平.成昆線正交異性板鋼桁橋性能計算評估[J].四川建筑，2011，31(1):121-125

[8]王富萬，楊文兵.梁格法在橋梁上部結構分析中的應用[J].華中科技大學學報，2006，23(1):80-90

[9]彭敏.64 m曲線鋼桁梁設計[J].城市道橋與防洪，2012，3(3):70-72

[10]TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S]

[11]吳沖.現代鋼橋[M].北京:人民交通出版社，2005

中圖分類號：U448.21+1； U442.5

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)06-0069-03

作者簡介：秦寰宇，男，2015年畢業于華中科技大學橋梁工程專業，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-09-07