部分填充混凝土組合鋼桁梁橋靜力分析

周葉飛，李曉坤，李延強

（1.中鐵十五局集團有限公司，河南洛陽471000；2.石家莊鐵道大學工程力學系，河北石家莊050043）

部分填充混凝土組合鋼桁梁橋靜力分析

周葉飛1，李曉坤1，李延強2

（1.中鐵十五局集團有限公司，河南洛陽471000；2.石家莊鐵道大學工程力學系，河北石家莊050043）

部分填充混凝土鋼管結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，在大跨度組合鋼桁梁橋中得到了實際應(yīng)用。本文以天津海河部分填充混凝土組合鋼桁梁橋為研究對象，采用Ansys有限元軟件，建立了橋梁結(jié)構(gòu)的空間有限元模型，討論了恒載情況下部分填充混凝土對組合鋼桁梁橋靜力性能的影響。結(jié)果表明:部分填充混凝土之后鋼桁梁橋整體剛度得以提高，靜態(tài)位移明顯減小；這種結(jié)構(gòu)形式能有效減小填充區(qū)域受壓桿件的應(yīng)力，且對受拉桿件的影響較小，能大幅提高橋梁的承載力。

鋼桁梁；部分填充混凝土；靜力特性；有限元分析

近年來，國外一些學者提出部分填充混凝土鋼管結(jié)構(gòu)橋梁的概念，并率先在斜拉橋中使用填充混凝土的鋼管和鋼筋混凝土橋面的組合梁作為主梁［1-2］。國內(nèi)對部分填充混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的研究主要集中在鋼管混凝土拱橋方面。張貝［3］通過對鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性分析，提出部分灌注鋼管混凝土拱橋的構(gòu)想，并用有限元方法計算分析了部分灌注鋼管混凝土拱橋的面內(nèi)穩(wěn)定性和使用階段的位移變形，說明了部分灌注鋼管混凝土拱橋自重輕，穩(wěn)定性好，并論述了部分灌注鋼管混凝土拱橋施工的方便可行性。潘橋文［4］以衡陽湘江特大橋——雙層橋面鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋為研究對象，采用Ansys建立了有限元分析模型，對橋梁的動力特性進行了分析討論。葉卓棋等［5］分析了部分填充混凝土鋼管結(jié)構(gòu)的類型和工程應(yīng)用。程斌等［6］對部分填充混凝土的鋼桁梁焊接整體節(jié)點進行了試驗研究，分析了弦桿內(nèi)填充混凝土長度對節(jié)點剛度、應(yīng)力應(yīng)變分析、極限承載力、破壞模態(tài)等性能指標的影響。

部分填充混凝土鋼管橋梁結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，在大跨度組合鋼桁梁橋中也得到了實際的應(yīng)用，但針對這類橋梁的力學行為分析研究相對較少。本文以天津濱海新區(qū)西外環(huán)高速公路海河特大橋為研究對象，利用Ansys有限元分析軟件，建立其空間有限元分析模型，對部分填充混凝土組合鋼桁梁橋的靜力性能進行分析，為同類工程的設(shè)計、施工提供參考。

1　工程概況

天津海河特大橋為三跨變截面連續(xù)鋼桁組合桁架橋，橋梁跨徑布置為（95+140+95）m，主桁中墩處梁高12m，跨中截面高3.5m，邊跨連接墩處高3.0m，橋面寬度43m、橫向布置為0.5m（防撞欄桿）+ 19.75m（機動車道）+0.5m（防撞欄桿）+1.5m（鏤空段）+0.5m（防撞欄桿）+19.75m（機動車道）+ 0.5m（防撞欄桿）。主橋立面布置如圖1所示。

圖1　主橋立面布置（單位：m）

主橋桁架結(jié)構(gòu)分為上下游2幅，每幅橫向由6榀桁架組成，桁架橫向中心間距為3.56m，一榀桁架由上弦桿、下弦桿和腹桿組成，上弦桿線形隨道路縱斷面線形變化，下弦桿線形為懸鏈線，腹桿分為豎桿和斜桿，腹桿節(jié)點之間的間距隨梁高變化。上弦桿、下弦桿為箱形截面，上弦桿為等高度，下弦桿為變高度箱形截面，截面普通段采用厚24mm的鋼板，下弦桿在中墩局部區(qū)域采用厚30mm的鋼板。在中墩中心線兩側(cè)各17m范圍內(nèi)，下弦桿內(nèi)灌注混凝土，并通過焊釘進行連接。主橋橫向聯(lián)結(jié)系分為上橫撐、下橫撐和下平縱聯(lián)。上弦桿之間采用上橫撐進行連接，上橫撐為等截面工字形，截面高度80cm，與上弦桿高度相同，位置在腹桿交點位置，間距與豎桿相同。下弦桿之間除了間隔布置變截面工字形鋼橫撐連接以外，在部分桁架區(qū)間內(nèi)設(shè)置工字形截面平縱聯(lián)，保證橋梁的橫向穩(wěn)定性。中墩支點處斷面如圖2所示。

圖2　中墩支點處斷面（單位：cm）

2　有限元模型

采用大型通用有限元軟件Ansys，建立了該鋼桁梁橋的有限元分析模型，弦桿、腹桿均采用Beam189梁單元模擬，單元之間的鉸接通過自由度的耦合實現(xiàn)，全橋有限元模型共13666個節(jié)點，6026個梁單元，有限元模型如圖3所示。利用Ansys的自定義截面功能實現(xiàn)了桿件變截面的定義，其中，部分填充混凝土構(gòu)件截面利用組合截面功能，通過分別定義鋼材和填充混凝土的材料屬性實現(xiàn)，鋼材和混凝土的參數(shù)見表1。并且假設(shè)計算模型滿足小變形、各向同性等條件，邊界約束條件為邊墩施加豎向約束，中墩設(shè)豎向、縱向、橫向三向約束。

圖3　鋼桁梁三維有限元模型

表1　鋼桁梁材料參數(shù)

3　靜力性能影響分析

基于Ansys分析軟件，分別建立了無填充混凝土和部分填充混凝土的鋼桁梁橋模型，重點研究了恒載作用下兩種鋼桁梁橋的靜力學性能，得出主桁的靜態(tài)位移、關(guān)鍵弦桿、腹桿的軸力、應(yīng)力分布，通過對比分析，得出部分填充混凝土對大跨度鋼桁梁橋靜力性能的影響。

3.1位移分析

根據(jù)計算結(jié)果得出主桁靜態(tài)位移的分布，如圖4所示。

圖4　豎向位移對比

從圖4可以看出：恒載作用下，部分填充混凝土鋼桁梁橋與未填充混凝土鋼桁梁橋的靜態(tài)位移變化規(guī)律是一致的，大體呈對稱分布；部分填充混凝土之后，對中跨位移影響較大，邊跨的位移影響可忽略。中跨豎向位移絕對值均有所減小，中墩處位移變化最小，從中墩到中跨跨中位移變化量逐漸增加，中跨跨中位移變化達到最大，較填充混凝土之前減小0.944cm。這說明：部分填充混凝土后，鋼桁梁橋的剛度得到了加強，能有效減小中跨跨中最大豎向位移，提高了鋼桁梁橋的承載力。

3.2受力分析

3.2.1上弦桿受力分析

提取上弦桿的軸力，繪制出軸力圖如圖5所示。

圖5　上弦桿軸力對比

由圖5可知：對于鋼桁梁上弦桿，部分填充混凝土后軸力有所改變，且改變與上弦桿到填充區(qū)的距離和受力狀態(tài)有關(guān)。由于自重增加，填充區(qū)域上弦桿軸力有所增加，增幅在3%左右；處于受拉狀態(tài)的上弦桿軸力增加，且距離填充區(qū)越遠，弦桿軸力增幅越大，幅值從1%遞增到9%；處于受壓狀態(tài)的中跨上弦桿軸力減小，且距離填充區(qū)越遠減幅越小，幅值從24%遞減到7%。這是由于填充混凝土之后鋼桁梁剛度增加，上弦桿受壓區(qū)域相對減小，所以處于受拉狀態(tài)的弦桿軸力增加，處于受壓狀態(tài)的弦桿軸力減小。

3.2.2下弦桿受力分析

對于下弦桿，由于部分填充混凝土的原因（截面面積和慣性矩發(fā)生改變），造成軸力變化和截面應(yīng)力變化幅度不同，因此分別對下弦桿的軸力變化和應(yīng)力變化情況進行討論，下弦桿的軸力分布如圖6所示。限于篇幅，下弦桿應(yīng)力僅列舉了部分桿件，如表2所示，表中距離指與0#臺之距。

圖6　下弦桿軸力對比

表2　部分下弦桿應(yīng)力MPa

從圖6可知：部分填充混凝土后，填充區(qū)下弦桿軸力整體呈增大趨勢，增幅在10%左右；中跨軸力變化與受力狀態(tài)有關(guān)，處于受拉狀態(tài)的下弦桿軸力減小，減幅在6%～13%之間，處于受壓狀態(tài)的下弦桿軸力增加，增幅普遍在3%左右，在受力狀態(tài)改變處（拉壓分界處）幅值突變到最大幅值30%。邊跨軸力改變與到填充區(qū)的距離有關(guān)，填充區(qū)附近軸力有所增加，增幅在2%左右，而遠離填充區(qū)下弦桿軸力有所減小，且距離越遠，變化越不明顯，如邊跨跨中減幅在3%左右，而邊墩附近的下弦桿，軸力基本無變化。

從表2可以看出：由于填充混凝土后，桿件抗壓剛度增大，因此受壓區(qū)下弦桿的應(yīng)力大幅減小，減幅在87%左右，下弦桿的承載能力得到大幅提高。

3.2.3腹桿受力分析

根據(jù)計算結(jié)果列出部分腹桿軸力，如表3所示。由表3可見：部分填充混凝土后，斜桿的軸力基本上沒有變化，大部分豎桿軸力減小，且距離填充區(qū)越遠受影響越小，只有中墩處少數(shù)腹桿軸力變化劇烈，這是由于填充混凝土之后，主桁自重的增加導致填充區(qū)域上部腹桿軸力增加。

表3　腹桿軸力

4　結(jié)論

綜上所述，部分填充混凝土之后鋼桁梁橋整體剛度得到提高，靜態(tài)位移明顯減小；填充區(qū)域的下弦桿應(yīng)力大幅度減小，且對未填充段影響不大；中墩處腹桿軸力變化劇烈，應(yīng)適當予以關(guān)注。說明部分填充混凝土能增加鋼桁梁橋的剛度，減小填充區(qū)下弦桿應(yīng)力水平，提高承載力。這些優(yōu)點決定了部分填充混凝土結(jié)構(gòu)有很好的應(yīng)用前景，但如何合理選擇填充區(qū)域?qū)⑹且粋€新的課題。

［1］NAKAMURA S，MOMIYAMAM Y，HOSAKA T，et al.New Technologies of Steel Concrete Composite Bridges［J］.Journal of Constructional Steel Research，2002，58（1）：99-103.

［2］陳平，李亮，陳念斯.大跨度鋼管加勁梁斜拉橋的設(shè)計［J］.世界橋梁，2003（1）：10-13.

［3］張貝.部分灌注鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定性研究［D］.西安：長安大學，2002.

［4］潘橋文.雙層橋面飛燕式鋼管-鋼管混凝土復(fù)合拱橋動力分析［D］.福州：福州大學，2006.

［5］葉卓棋，楊健，劉永健，等.部分填充混凝土鋼管結(jié)構(gòu)橋梁研究［J］.建筑科學與工程學報，2010，27（2）：96-101.

［6］程斌，錢沁，黃仁鋒.部分內(nèi)填混凝土鋼桁梁焊接整體節(jié)點試驗［J］.中國公路學報，2013，26（3）：117-123.

AbstractAs a new form of structure，partially concrete-filled steel tube structure is used in long span composit steel truss bridge.In this paper，the research object is a partially concrete-filled composite steel truss bridge across Haihe River in T ianjin.W ith Ansys，a 3D finite element model was built.T he effect of partially filled concrete on static performance of steel truss bridge was discussed under dead load.T he results show that，with partially filled concrete，stiffness of the bridge is increased leading to a lower static displacement.T his structure effectively decreases stress of concrete-filled compression members，and has little effect on tension members.T he carrying capacity of bridge is largely increased.

KeywordsSteel T russ；Partially filled concrete；Static characteristic；Finite element analysis

（責任審編孟慶伶）

Static Analysis of Partially Concrete-filled Composite Steel Truss Bridge

ZHOU Yefei1，LI Xiaokun1，LI Yanqiang2
（1.China Railway 15th Bureau Group Co.，Ltd.，Luoyang Henan 471000，China；2.Department of Mechanics Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China）

U448.21+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.03

1003-1995（2016）04-0009-04

2015-11-27；

2016-02-16

周葉飛（1981—），男，工程師。