非對(duì)稱變高度連續(xù)鋼桁梁橋受力性能研究

戴新安 郭子會(huì) 張謝東 董宇航

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)蒙古伊泰準(zhǔn)東鐵路有限責(zé)任公司2) 鄂爾多斯 010300)

0 引 言

鋼桁梁橋是以鋼桁架作為上部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體上主要承受彎矩和剪力的橋梁結(jié)構(gòu).鋼桁梁橋具有剛度大、通透性好、用鋼量少、制造運(yùn)輸及拼裝方便等特點(diǎn)，所以越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于公路橋及鐵路橋建設(shè)中.在實(shí)際工程中，鋼桁梁橋的連接部位較多，它們可靠與否直接影響到整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全使用，是鋼桁梁橋設(shè)計(jì)的核心所在，對(duì)其應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注.隨著橋梁日益大型化，橋梁的連接構(gòu)造形式變得更為復(fù)雜，鋼桁梁橋的受力狀態(tài)也變得更加復(fù)雜.近幾年來(lái)，有不少學(xué)者對(duì)鋼桁梁橋受力性能方面進(jìn)行了相關(guān)的研究.李佳璐[1]以南屏大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用大型有限元軟件建立鋼桁梁柔性拱橋有限元模型，進(jìn)行了整體靜力性能、動(dòng)力特性分析研究；鄧蓉[2]以鐵路鋼桁梁橋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)鐵路鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)的校驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行研究, 提出利用實(shí)測(cè)的應(yīng)力、撓度和結(jié)構(gòu)校驗(yàn)系數(shù)定量評(píng)價(jià)橋梁強(qiáng)度和剛度的方法；徐新利[3]以下承式鐵路鋼桁梁為研究對(duì)象，采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)重載列車作用下連續(xù)下承式鋼桁梁各桿件的力學(xué)特性進(jìn)行分析；李運(yùn)生等[4]以長(zhǎng)東黃河大橋四跨鐵路連續(xù)鋼桁梁為工程背景，采用midas Civil軟件建立了有限元模型，對(duì)其整體受力性能和桿件局部受力性能在30 t重載列車下的適應(yīng)性進(jìn)行了分析；張凡[5]對(duì)雙層鋼桁梁橋整體節(jié)點(diǎn)受力性能進(jìn)行了研究，針對(duì)節(jié)點(diǎn)的部分構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).綜上所述，目前對(duì)于鋼桁梁橋的研究主要集中在主桁對(duì)稱、等高度形式的鋼桁梁研究上[6-8].非對(duì)稱變高度連續(xù)鋼桁梁橋在結(jié)構(gòu)形式及受力狀況上更為復(fù)雜，目前對(duì)于此類鋼桁梁橋的研究較少.本文某非對(duì)稱變高度連續(xù)鋼桁梁橋?yàn)閷?shí)際工程背景，結(jié)合有限元分析軟件midas Civil 及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)該橋上部結(jié)構(gòu)中不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行成橋狀態(tài)分析，通過(guò)多種荷載工況作用下結(jié)構(gòu)的位移變形及應(yīng)力水平研究此類橋的受力特點(diǎn)，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)與施工提供相關(guān)參考.

1 工程概況

依托的工程背景為某120 m+82 m非對(duì)稱下承式連續(xù)變高度鐵路鋼桁梁橋，本橋?yàn)殡p主桁鋼桁梁橋，其中主桁間距10 m，支座中心距梁端0.8 m；橋面系為正交異性鋼橋面，上鋪設(shè)180 mm混凝土道砟板.主桁節(jié)點(diǎn)采用整體節(jié)點(diǎn)形式，上、下弦桿在節(jié)點(diǎn)外拼接，斜腹桿采用對(duì)接形式與整體節(jié)點(diǎn)拼接，其腹板接頭板焊于節(jié)點(diǎn)板上.上、下弦桿及斜腹桿均采用全截面拼接.端支座處主桁桁高13 m，中支點(diǎn)處桁高25 m，上弦桿線性采用二次拋物線，120 m側(cè)共設(shè)置10個(gè)節(jié)間，節(jié)間間距分別為4×11 m+2×12 m+4×13 m；82 m側(cè)設(shè)置八個(gè)節(jié)間，節(jié)間距分別為2×12 m+4×10 m+2×9 m.上弦桿與下弦桿均采用箱形截面，斜腹桿為工字形和箱形截面，中直腹桿為箱形截面，直腹桿采用工字形截面.

2 有限元模型的建立

利用midas Civil有限元軟件建立鋼桁梁橋全橋成橋模型，全橋共建1 360個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 605個(gè)單元，其中1 026個(gè)梁?jiǎn)卧?79個(gè)板單元，見(jiàn)圖1，橋面系為正交異性鋼橋面，上鋪設(shè)180 mm混凝土道砟板.由于在實(shí)際中桁架是高強(qiáng)螺栓連接，節(jié)點(diǎn)板很厚，節(jié)點(diǎn)的剛度很大，所以在有限元主桁、橫梁、上平聯(lián)及橫聯(lián)均為梁?jiǎn)卧瑯蛎姘濉形肋和橋門架均為板單元，U形肋與橫梁之間的連接采用彈性連接中的剛性連接.根據(jù)結(jié)構(gòu)位置，全橋共定義三種材料，考慮到模型未模擬拼接板、高強(qiáng)螺栓等及其造成的增大系數(shù)，故建模時(shí)對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)的材料容重進(jìn)行了調(diào)整，具體參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 全橋有限元模型

結(jié)構(gòu)名稱彈性模量/MPa泊松比調(diào)整后容重/(kN·m-3)主桁 2.10×1050.3117.8正交異性板2.10×1050.381.5聯(lián)結(jié)系 2.10×1050.382.42

3 成橋狀態(tài)靜力計(jì)算分析

下承式鋼桁梁橋的主要受力結(jié)構(gòu)為主桁，橋面將外部荷載傳遞給縱梁，再由縱梁傳遞給橫梁，最后外部荷載作用傳遞給主桁，主桁由上、下弦桿和腹桿三部分組成.本文通過(guò)鋼桁梁橋在不同荷載組合作用下，計(jì)算分析主桁結(jié)構(gòu)中上、下弦桿、斜腹桿和直腹桿的受力及變形狀態(tài).用于橋梁分析計(jì)算的主要荷載組合有：組合一，恒載(自重、二恒、支座沉降)+活載(列車豎向活載(考慮沖擊系數(shù))+橫向搖擺力+離心力)；組合二，組合一+橫向風(fēng)力；組合三，組合一+溫度荷載包絡(luò)；組合四，組合一+橫向風(fēng)力+溫度荷載包絡(luò)

3.1 荷載組合作用下位移分析

在外力作用下，主桁各結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，通過(guò)上弦桿和下弦桿產(chǎn)生的豎向、橫向及縱向位移，研究分析上弦桿和下弦桿在不同荷載組合作用下的變形狀況.在有限元模型中限制中支點(diǎn)的橫向和縱向位移，釋放兩端支點(diǎn)的橫向及縱向約束.為方便描述桿件位置，將下弦桿最左端作為位置基準(zhǔn)點(diǎn)，從左到右進(jìn)行編號(hào)，上弦桿位置范圍為11～193 m, 下弦桿的位置范圍為0～202 m.各位置的位移值均取為最大值.

3.1.1豎向位移分析

在四種不同荷載組合作用下的上、下弦桿的豎向位移見(jiàn)圖2.

圖2 荷載組合下的豎向位移

由圖2可知:①在四種不同的荷載組合作用下，上弦桿均在在44 m處豎向位移值達(dá)到最大，最大值出現(xiàn)在荷載組合一，為-80.35 mm；下弦桿均在56 m處豎向位移值達(dá)到最大,最大值出現(xiàn)在荷載組合一，為-81.04 mm；②在四種不同的荷載組合作用下，上弦桿與下弦桿的各位置的豎向位移變化趨勢(shì)相同，且豎向位移在數(shù)值上都比較接近，說(shuō)明整個(gè)主桁結(jié)構(gòu)在四種荷載組合作用下豎向位移呈整體上升或下移狀態(tài)；③120 m側(cè)的上弦桿和下弦桿的豎向位移變化較為劇烈，82 m側(cè)則相對(duì)平緩.由于下弦桿120 m處支座的存在，使得在120 m附近區(qū)域的上、下弦桿的豎向位移為正，即該部分結(jié)構(gòu)的變形呈上撓狀態(tài).對(duì)比圖2a)和圖2d)，上、下弦桿的豎向位移主要是由恒載與活載作用產(chǎn)生，溫度及橫向風(fēng)力作用影響較小.

梁式橋結(jié)構(gòu)由于列車豎向靜活載所引起的豎向撓度不應(yīng)超過(guò)容許值[7].本橋?yàn)?20 m+82 m連續(xù)鋼桁梁橋，邊跨撓度容許值為L(zhǎng)/900，主桁的豎向位移及撓跨比見(jiàn)表2.由表2可知，該橋兩跨豎向撓跨比均在規(guī)范容許值以內(nèi)，豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求.

表2 主桁撓度及撓跨比

3.1.2橫向位移分析

在四種不同荷載組合作用下的上、下弦桿的橫向位移見(jiàn)圖3.

圖3 荷載組合下的橫向位移

由圖3可知：①上弦桿除在荷載組合三作用下橫向位移最大值出現(xiàn)在44 m處，其它荷載組合下橫向位移值出現(xiàn)于68 m處，最大值出現(xiàn)在荷載組合四，為23.33 mm；下弦桿除在荷載組合一作用下橫向位移最大值出現(xiàn)在56 m處，其他荷載組合下橫向位移值出現(xiàn)于44 m處，最大值出現(xiàn)在荷載組合四，為19.42 mm；②相比于下弦桿，橫向風(fēng)力對(duì)上弦桿的橫向位移較大.除荷載組合三外，在其它荷載組合作用下，上弦桿的橫向位移在絕大部分位置上大于下弦桿的橫向位移，說(shuō)明上弦桿在橫向上的受力變形較為敏感，在研究主桁結(jié)構(gòu)的橫向位移時(shí)，對(duì)上弦桿的橫向位移應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注.

主桁在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度的作用下，梁體的水平撓度不大于1/4 000.主桁的最大橫向位移見(jiàn)表3.由表3可知，該橋兩跨橫向撓跨比均在規(guī)范容許值以內(nèi)，橫向剛度滿足設(shè)計(jì)要求.

表3 主桁橫向位移

3.1.3縱向位移分析

在四種不同荷載組合作用下的上、下弦桿的縱向位移見(jiàn)圖4.

圖4 荷載組合下的縱向位移

由圖4可知：①在四種不同的荷載組合作用下，上弦桿均在在11 m處縱向位移值達(dá)到最大，最大值出現(xiàn)在荷載組合四，為68.56 mm；下弦桿均在0 m處縱向位移值達(dá)到最大,最大值出現(xiàn)在荷載組合四，為44 mm;②對(duì)比圖4a)和圖4c)，荷載組合一作用下，上、下弦桿縱向位移最大值為21.58 mm, 荷載組合三作用下，上、下弦桿縱向位移最大值為21.58 mm，說(shuō)明上、下弦桿的縱向位移受溫度影響較大.

由于在中支點(diǎn)處限制了縱向位移，為了盡量減少上、下弦桿產(chǎn)生的縱向位移對(duì)主桁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，需在橋梁兩端設(shè)置足夠長(zhǎng)度的伸縮縫.

3.2 荷載組合作用下應(yīng)力分析

為準(zhǔn)確描述主桁各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，將主桁按不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)，下弦桿為1～18，上弦桿為19～34，斜腹桿為35～52，直腹桿為53～69，見(jiàn)圖5.在midas Civil有限元分析軟件中，通常“+”表示拉應(yīng)力，“-”表示壓應(yīng)力.

圖5 主桁桿件編號(hào)

3.2.1弦桿應(yīng)力分析

在四種不同荷載組合作用下的上、下弦桿各桿件的應(yīng)力見(jiàn)圖6～7.

圖6 四種荷載組合下的下弦桿應(yīng)力

圖7 四種荷載組合下的上弦桿應(yīng)力

由圖6可知:①120 m側(cè)下弦桿中靠近主桁端部的桿件主要受拉力為主，靠近中支點(diǎn)處的桿件主要受壓力為主，82 m側(cè)下弦桿的桿件受拉壓力較為均勻；②下弦桿拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載組合四下的3號(hào)桿，為140.9 MPa；下弦桿壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載組合四下的11號(hào)桿，為-203.8 MPa，滿足強(qiáng)度要求；③82 m側(cè)的下弦桿桿件所受拉壓力相對(duì)較小，可以適當(dāng)減少這部分桿件箱型截面的鋼板的厚度，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)自重的目的；④9號(hào)、10號(hào)和11號(hào)桿件所受最大壓應(yīng)力較大，在設(shè)計(jì)截面時(shí)應(yīng)當(dāng)著重考慮桿件的抗壓穩(wěn)定性.溫度作用下使得下弦桿最大壓應(yīng)力增大，橫向風(fēng)力對(duì)下弦桿應(yīng)力影響較小

由圖7可知:①在中支點(diǎn)附近區(qū)域桿件，即27～30號(hào)桿件主要受拉力為主，其他上弦桿的桿件主要受壓力為主；②上弦桿拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載組合四作用下的28號(hào)桿，為149 MPa，上弦桿壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載組合四作用下的21號(hào)桿，為-172.2 MPa；③82 m側(cè)的上弦桿桿件所受拉壓力相對(duì)較小，可以適當(dāng)減少這部分桿件箱型截面的鋼板的板厚，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)自重的目的.在橫向風(fēng)力和溫度作用下，上弦桿最大應(yīng)力無(wú)明顯變化.

3.2.2腹桿應(yīng)力分析

在四種不同荷載組合作用下的腹桿各桿件的應(yīng)力見(jiàn)圖8～9.

圖8 四種荷載組合下的斜腹桿應(yīng)力

圖9 四種荷載組合下的直腹桿應(yīng)力

由圖8～9可知：①斜腹桿拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載組合四組合作用下的43號(hào)桿，為181.1 MPa，斜腹桿壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載組合四組合作用下的35號(hào)桿，為-172.4 MPa，均滿足強(qiáng)度要求；②直腹桿拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載組合四組合作用下的53號(hào)桿，為120 MPa，直腹桿壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在荷載組合四組合作用下的62號(hào)桿，為-145.9 MPa，均滿足強(qiáng)度要求.③橫向風(fēng)力對(duì)中支點(diǎn)附近直腹桿應(yīng)力影響較大，由于該部分桁高較高，直腹桿長(zhǎng)度也較長(zhǎng)，橫向風(fēng)力在該部分應(yīng)力的影響較為明顯，因此在設(shè)計(jì)變高度主桁的高度時(shí)，需充分考慮橫向風(fēng)力對(duì)直腹桿的影響.

4 結(jié) 論

1) 上、下弦桿產(chǎn)生的豎向位移主要受恒載與活載作用影響；上弦桿的橫向變形與下弦桿相比更為敏感；溫度作用對(duì)上、下弦桿的縱向位移影響較為明顯.上、下弦桿產(chǎn)生的最大豎向及橫向位移均在規(guī)范允許撓度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求.

2) 上、下弦桿的應(yīng)力大小主要受恒載與活載影響較大，溫度及橫向風(fēng)力影響較小；82 m側(cè)上、下弦桿所受應(yīng)力與120 m側(cè)相比較小，可適當(dāng)減少該部分結(jié)構(gòu)桿件截面鋼板厚度，減輕橋梁自身重量.

3) 中支點(diǎn)附近的直腹桿受橫向風(fēng)力影響較為明顯，在設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮該部位的抗壓穩(wěn)定性外，其橫向穩(wěn)定性也是在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算之內(nèi)；主桁各結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在材料強(qiáng)度以內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求.