板桁結合梁的傳力規律與應用

胡洪亮,易克勤

(湖南華罡規劃設計研究院有限公司,湖南長沙 410076)

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板桁結合梁的傳力規律與應用

胡洪亮,易克勤

(湖南華罡規劃設計研究院有限公司,湖南長沙 410076)

摘要:闡述了中國山區高速公路的建設特點及鋼板桁結合梁橋在山區高速公路建設中的重要地位,闡明對鋼桁梁斜拉橋板桁構造受力規律進行研究具有重要現實意義;總結了板桁結合梁橋的起源及其發展歷程,介紹了鋼板桁斜拉橋有限元分析模型的建立方法;分析了板桁結合斜拉橋中桁架上弦、中縱梁、小縱梁、橋面板的軸力分配情況,并對正交異性橋面系的有限元模型優化方法及板桁傳力規律進行了歸納總結。

關鍵詞:橋梁;鋼板桁結合梁;受力分析;有限元

山區高速公路中橋隧長度占線路的比例大,尤其在中國西部地區,有的高速公路上橋隧長度占比高達70%。據不完全統計,山區高速公路特殊橋梁(單跨超過150 m的特大橋,不含跨徑總長超過1 000 m的多跨特大橋)占橋梁總數的10%～15%。山區修建公路時常會采用大跨度橋梁建設方案,特別是鋼板桁結合梁橋,由于其具有作業面少、施工效率高、操作簡單、合龍工序少、施工安全等優點,在新建山區大跨度橋梁中被越來越多地采納。對鋼板桁結合梁橋,特別是適用情況較廣的鋼桁梁斜拉橋板桁構造的受力規律進行研究具有重要現實意義。

1 板桁結合梁橋的起源及發展

德國于1962年建成的富爾達塔爾橋是歷史上首座鋼板桁結構公路橋,該橋為七跨上承式板桁結合連續梁橋,跨徑為(79.2+91.2+107.8+143.2+ 107.8+91.2+79.2)m。自此以后,板桁結合梁橋就以其獨特的優勢,在荷蘭、德國及日本等國家和地區的多種橋梁形式中得到使用,如荷蘭的加浪特橋、德國的克萊沃艾默里奇橋、日本的巖黑島大橋和柜石島大橋等均采用板桁結合結構。

表1 世界上大跨度板桁組合斜拉橋概況

19世紀初,世界各國新建的大跨度懸索橋與大跨度斜拉橋結構基本上采用鋼結構,之后隨著砼材料力學性能的提高,特別是高標號砼材料的出現,砼梁橋、斜拉橋等相繼出現且日益增多。組合結構興起后,其發展幾乎日趨趕上鋼結構,且在一定領域內能代替鋼結構及砼結構。其中板桁結合梁橋更是得到迅速發展,其憑借正交異性板擁有的較輕自重與建筑高度、較強的跨越能力、較大的極限承載力、較長的使用年限、各構件易于開展標準化加工制造與安裝及在進行橋梁檢修時不用中斷交通等優點得到快速推廣應用。表1為世界上大跨度板桁組合斜拉橋概況,它昭示著板桁結合體系橋梁正在被越來越多地采用,這是一種充滿生命活力的結構。

2 正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋有限元分析模型的建立

正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋由于預制構件較多,實體模型的建模工作量非常龐大,工作效率較低,雖然能得到精度較高的數值分析結果,但考慮到該文重在了解結構整體受力狀況,對連接節點的構造細節不作探討,不需精確到每一個構造細節的精確分析結果,采取折中的方法,對全橋建立空間桿系模型進行分析。該研究重在了解運營階段正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋在多車道荷載組合下不同板桁支撐體系的力學行為及橋梁主體結構的強度、剛度及穩定性,分析模型分別對塔、墩、梁、索、板進行建模。其中,索塔采用梁單元進行模擬,輔助墩通過帶邊界的彈性連接進行模擬,斜拉索采用僅受拉桁架單元進行模擬。理論上,全橋在整體分析中可采用薄板單元對主桁桿件及板桁支承系進行模擬,但由于該建模方法所產生的計算自由度太多,計算工作量太大,所得計算結果無法直觀體現桿件的整體受力情況,且會增加分析過程中對模型進行修改的工作量,故采用空間梁單元模擬主桁桿件,U肋及其上的橋面板則通過換算等效截面的薄板單元進行模擬,板梁之間采用彈性連接(見圖1、圖2)。

圖1 半幅橋有限元分析模型

圖2 局部放大有限元分析模型

3 板桁傳力規律及計算方法

為了在準確分析正交異性板受力情況的前提下減少計算工作量,對正交異性板的模擬進行優化。為此,需先了解恒載成橋工況下板桁結合斜拉橋中桁架上弦、中縱梁、小縱梁、橋面板的軸力分配情況和相關比例關系。

通過全橋模型分析可知,在恒載成橋工況下,橋面板傳遞8.2%～9.5%縱向力,小縱梁傳遞12.5% ～14.1%縱向力,中縱梁傳遞10.9%～13.5%縱向力,上弦桿傳遞58.9%～67.4%縱向力,上橫梁傳遞0.5%～0.8%縱向力。由此可得:

(1)正交異性鋼橋面系承受每個梁截面32.5%左右的縱向荷載,約為上弦桿所承受縱向荷載的1/2,故在板桁組合斜拉橋中,其正交異性鋼橋面系對主梁的縱向剛度貢獻不可忽略,必須考慮兩者間的共同作用。

(2)在正交異性鋼橋面系中,橋面板所傳遞縱向荷載僅占全橋縱向荷載的8.2%～9.5%,比重較小,為了減少整體模型的單元數量,提高計算效率,在整體計算過程中可將橋面板作為橋面系中縱梁與小縱梁的上翼緣,將其剛度換算到縱梁中。

(3)設計初期擬定板桁結合梁各構造尺寸時,可按照板桁結合梁各構件所承擔內力的比例初步擬定,這樣得出的初步構造尺寸其材料利用率將更高效。在沒有試驗數據的條件下,則可參照橋面板截面尺寸∶小縱梁截面尺寸∶中縱梁截面尺寸∶上弦桿截面尺寸≈8∶14∶13∶67的比例進行構造尺寸擬定。

對于橋面系中縱梁與小縱梁的上翼緣有效寬度,參考《公路鋼結構橋梁設計規范》征求意見稿第8.2.5條進行計算。

式中:λ為中縱梁與小縱梁的單側有效寬度;l為等效跨度,取0.6L;b為縱肋或橫肋間的距離(如圖3)。

圖3 縱肋計算示意圖

4 結語

板桁結合梁的應用推廣,特別是鋼板桁斜拉橋的應用,將極大地促進中國山區高速公路的建設與發展。高效、便捷的結構初步設計方法將大大提高這類橋梁設計的效率。充分利用結構內部傳力規律,對橋梁結構的設計與科研都大有幫助。

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收稿日期:2015-10-05

中圖分類號:U441

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0162-02