板桁結合斜拉橋支承體系受力行為研究

徐升，蔡杰

（湖南華罡規劃設計研究院有限公司，湖南　長沙　410076）

板桁結合斜拉橋支承體系受力行為研究

徐升，蔡杰

（湖南華罡規劃設計研究院有限公司，湖南長沙410076）

闡述了板桁結合梁橋在中國的發展與建設及板桁體系計算理論的應用現狀，闡明了研究鋼桁梁斜拉橋板桁支承體系受力行為的現實意義；介紹了鋼板桁斜拉橋有限元分析模型的建立方法，采用關鍵因素輪換法分析了板桁連接系各主要構件截面剛度對其整體受力行為的影響。

橋梁；板桁結合梁；傳力特性；有限元；關鍵因素輪換法

1　板桁結合梁橋在中國的發展與建設

中國由于傳統經濟與技術研究等方面的原因，在板桁結合梁橋的設計和建造方面較為落后。但改革開放以來，在建造和設計各種大跨徑板桁結合梁斜拉橋、懸索橋等方面取得了舉世矚目的成就。

由林元培擔任主設計師，于1988年12月15日動工，1991年11月建成通車的上海南浦大橋是中國第一座鋼-混結合梁斜拉橋。2000年建成的安徽蕪湖長江大橋為公鐵兩用橋，作為跨世紀的一座橋梁，該橋采用了新型的板桁組合結構，集中國當代橋梁建設新結構、新工藝、新材料、新技術于一身。

到了20世紀，板桁組合結構橋梁的建設方案被越來越多的設計師所采納。如2008年建成通車的武漢天興洲長江大橋。該橋同樣為公鐵兩用板桁結合斜拉橋，主跨504 m，是20世紀初世界上最大跨度的公鐵兩用板桁結合斜拉橋。

此前，國內建造的板桁結合斜拉橋大多數為公鐵兩用及一小部分的鐵路橋。直到2010年，新疆果子溝大橋建成通車，板桁結合斜拉橋才獨立地成為中國公路橋梁中的一份子。該橋的建設，對中國公路鋼橋的發展起到積極的推進作用，也為未來的橋梁建設提供了參考案例。

上述板桁結合斜拉橋的成功，展示出中國在板桁組合結構橋梁設計與施工上已達到世界領先水平，也昭示著板桁結合體系橋梁正在被越來越多的設計師所采用，這是一種充滿生命活力的結構。

2　板桁體系計算理論

到目前為止，各國對橋面板體系的研究已是碩果累累，從鋼橋面到砼橋面再到鋼混橋面組合體系，越來越多的設計師被正交異性鋼橋面板與鋼桁梁相結合的橋面支承體系的優越性能所吸引，而中國尚未頒布針對這個領域的相關技術規范。因此，對正交異性鋼橋面板的研究是當下的重點領域之一。

采用正交異性鋼橋面板的橋梁，其橋面系參與主梁的縱向受力，特別是在斜拉橋上，其對主梁縱向剛度的貢獻不可忽略。根據不同的橋型，正交異性鋼橋面的構造形式也有所不同，如普通梁橋可采用密布橫梁搭配縱向加勁梁的形式布置橋面板，但對于斜拉橋，密布橫梁的利用率較低，更適合采用密布縱梁，同時搭配橫向加勁梁的形式進行橋面板布置。縱橫梁之間的連接構造及各構件的力學行為都較復雜，在進行橋梁設計時，一般采用以下兩種簡化的方法進行計算：

（1）將橋面系作為主梁的上翼緣參與整體分析，同時考慮主桁梁與橋面系的耦合關系，稱為整體計算法。

（2）將正交異性鋼橋面板的受力按前面所述的方法分為3個體系進行計算，第一體系，將正交異性鋼橋面板［主要是蓋（頂）板和U肋、小縱梁]看成橋梁主梁的一個組成部分，參與橋梁整體受力；第二體系即小縱梁、次橫梁和蓋（頂）板組成的結構系，蓋（頂）板被看成小縱梁、次橫梁上翼緣的一部分；第三體系即把設置在小縱梁與次橫梁上的蓋（頂）板看成各向同性的連續板，該板直接承受作用于小縱梁與次橫梁中間的車輪荷載，同時把車輪荷載傳遞到附近的支撐體系上。最后，把三體系的計算結果進行組合疊加，稱為疊加計算法。

3　有限元分析模型的建立

鋼橋面板桁組合斜拉橋的結構復雜，桿件較多，數值分析中工作量較大，合理的分析方法不僅能得到較為精確的結果，而且可縮短工作周期。這里主要采用整體分析方法對正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋進行數值分析，即針對正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋建立空間有限元模型，對橋梁進行運營階段的受力分析，了解多種車道荷載組合作用下不同板桁支撐體系的力學行為及橋梁主體結構的強度、剛度和穩定性，對于連接節點的構造細節不作深究。

正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋由索塔、輔助墩、斜拉索、主桁桿件、板桁支承系、帶U肋橋面板等結構組成。其中，索塔采用梁單元模擬，輔助墩通過帶邊界的彈性連接進行模擬，斜拉索則采用僅受拉桁架單元進行模擬（見圖1）。

圖1　全橋有限元分析模型

此外，由于主桁桿件截面所采用鋼板面內特征尺寸與厚度之比為8～80，此類鋼板均屬于薄板。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，但由于這種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，且不利于后期對模型的修改。針對上述問題，采用空間梁單元模擬主桁桿件及板桁支承系。對于U肋及其上的橋面板，采用由等效截面得到的薄板單元進行模擬（見圖2）。

圖2　局部放大有限元分析模型

4　板桁結合斜拉橋支承體系受力行為分析

采用關鍵因素輪換法分析板桁連接系各主要構件截面剛度對其整體受力行為的影響。將各縱梁相對于上弦桿的傳力比定義為同一節段內的縱梁內力與上弦桿內力之比，稱為傳力比。

4.1上弦桿截面剛度對整體受力行為的影響

保持上橫梁截面、次橫梁截面、中縱梁截面、小縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同上弦桿截面剛度參數（橫截面積不變），研究上弦桿截面剛度變化對板桁連接系受力行為的影響，結果見圖3。從圖3可以看出：隨著上弦桿截面剛度的增大，板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比呈反比例增長趨勢。

圖3　不同上弦桿截面剛度時傳力比增長趨勢

4.2中縱梁截面剛度對整體受力行為的影響

保持上橫梁截面、次橫梁截面、上弦桿截面、小縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同中縱梁截面剛度參數（橫截面積不變），研究中縱梁截面剛度變化對板桁連接系受力行為的影響，結果見圖4。從圖4可以看出：隨著中縱梁截面剛度的增大，板桁連接系中縱梁與上弦桿的傳力比呈明顯的正比例增長趨勢，而小縱梁與上弦桿的傳力比呈微弱的反比例增長趨勢。

圖4　不同中縱梁截面剛度時傳力比增長趨勢

4.3小縱梁截面剛度對整體受力行為的影響

保持上橫梁截面、次橫梁截面、上弦桿截面、中縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同小縱梁截面剛度參數（橫截面積不變），研究小縱梁截面剛度變化對板桁連接系受力行為的影響，結果見圖5。從圖5可以看出：隨著小縱梁截面剛度的增大，板桁連接系小縱梁與上弦桿的傳力比呈較大幅度正比例增長趨勢，中縱梁與上弦桿的傳力比呈小幅度反比例增長趨勢。

圖5　不同小縱梁截面剛度時傳力比增長趨勢

4.4上橫梁截面剛度對整體受力行為的影響

保持小縱梁截面、次橫梁截面、上弦桿截面、中縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同上橫梁截面剛度參數（橫截面積不變），研究上橫梁截面剛度變化對板桁連接系受力行為的影響，結果見圖6。從圖6可以看出：隨著上橫梁截面剛度的增大，板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比呈正比例增長趨勢，其中中縱梁與上弦桿的傳力比約為小縱梁與上弦桿傳力比的2倍。

圖6　不同上橫梁截面剛度時傳力比增長趨勢

4.5次橫梁截面剛度對整體受力行為的影響

保持小縱梁截面、上橫梁截面、上弦桿截面、中縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同次橫梁截面剛度參數（橫截面積不變），研究次橫梁截面剛度變化對板桁連接系受力行為的影響，結果見圖7。從圖7可以看出：隨著次橫梁截面剛度的增大，板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比呈正比例增長趨勢。對比圖7與圖6，圖7的傳力比增長趨勢出現鋸齒凹陷的位置就是上橫梁所在節間的位置，且兩者變化趨勢基本吻合，但次橫梁的影響力比上橫梁的大。

圖7　不同次橫梁截面剛度時傳力比增長趨勢

4.6橫梁間距對整體受力行為的影響

由次橫梁截面剛度對整體受力行為影響的分析結果可知，上橫梁、橋面板次橫梁對縱梁與上弦桿傳力比的影響趨勢基本一致。因此，在觀察橫梁間距對縱梁與上弦桿傳力比的影響趨勢時，將橫梁與次橫梁視為同類構件，取3與2.6 m間距兩組模型進行對比分析，結果見圖8。從圖8可以看出：隨著橫梁間距的減小，板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比呈增長趨勢，其中中縱梁與上弦桿傳力比增長量約為小縱梁與上弦桿傳力比增長量的2倍，且兩者增長趨勢趨于同步。

圖8　不同橫梁間距時傳力比增長趨勢

5　結論

該文分析了板桁連接系各主要構件截面剛度對其整體受力行為的影響，主要結論如下：板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比主要受上弦桿、中縱梁、小縱梁及上橫梁剛度的影響，隨著中縱梁、小縱梁與上橫梁剛度的增大，中縱梁與上弦桿的傳力比逐步增大，而小縱梁與上弦桿的傳力比逐漸減小；隨著上弦桿剛度的增大，中縱梁與上弦桿的傳力比逐步減小，而小縱梁與上弦桿的傳力比將逐漸增大。

通過對板桁連接系各主要構件截面剛度對其整體受力行為影響的研究，可客觀認識板桁結合梁的傳力特性，充分了解板桁結合體系的傳力特性，對橋梁結構的設計優化與科研工作都大有幫助。

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2015-11-12