寬幅鋼桁梁橋面系構造特點及受力性能研究

陶重民

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前鋼桁梁以其優異的剛度性能及可雙層布置交通的特點被廣泛運用于各類橋梁結構中,除了梁橋,斜拉橋、懸索橋和拱橋的橋面系也大量采用了鋼桁梁橋面系,因此,對于鋼桁梁橋面系的結構體系有必要做深入的研究。采用鋼橋面的鋼桁梁橋面系目前常用的結構體系主要有縱橫梁體系和密橫梁體系。縱橫梁體系主要在桁架節點設置一道主橫梁,主橫梁間距隨節間距變化在15 m左右,而在節間則僅設置剛度比主橫梁減弱很多的橫肋,部分橫肋底板甚至在與主桁下弦相連的部位斷開,以進一步削弱橫肋的受力,將荷載更多由主橫梁承擔;在兩道主橫梁之間設置多道縱梁,其橋面系傳力特點是:通過橋面板和縱梁將橋面荷載傳遞給主橫梁,由主橫梁將荷載傳遞給下弦桿節點,此時桁梁以承受節點荷載為主,少部分荷載通過橫肋傳遞到下弦節間。采用這種體系的代表性橋梁有閔浦大橋[1-3]、三官堂大橋[4-6]和西洪大橋。

密橫梁體系則不僅在桁架節點設置大橫梁,在節間也設置剛度較大的橫梁,橫梁間距較密,通常為2.5～3.5 m,密布的大橫梁使得縱梁的作用相對于縱橫梁體系削弱很多,甚至可以取消縱梁,完全通過鋼橋面板將橋面荷載就近傳遞給附近的橫梁,由橫梁將荷載傳遞給下弦桿。由于橫梁較密且受力比較均衡,下弦桿也承受了一部分節間荷載,對于橫梁高度不大且對橫向剛度要求較高的情況,這種體系使用較多。采用這種體系的代表性橋梁有引江濟淮繁華大道橋、銅陵長江公鐵兩用大橋[7,8]和楊泗港長江大橋[9]。

對于縱橫梁體系的橋面系,主橫梁的受力是整個體系的核心和關鍵,其主要影響因素是主橫梁間距,即主桁節間長度,縱梁高度以及橫肋高度。主桁節間長度直接影響了分配到主橫梁的橋面荷載,而縱梁高度則影響到橋面荷載向主橫梁的傳遞,橫肋的高度影響到主橫梁承重的比例,橫肋高度增加到一定程度時,縱橫梁體系受力即類似于密橫梁體系,即橫肋大幅分擔了主橫梁的受力。本文將通過對這三個參數的敏感性分析來研究其對主橫梁受力的影響。同時,牛腿端橫梁的受力也很關鍵,其截面并非對稱,在豎向荷載作用下,產生了斜向彎曲作用,導致頂底板橫向受力不均勻,幾道腹板剪應力也不均勻,故本文還研究相應的放大系數乘以桿系模型的結果,以考慮這種不均勻性。

本文以某寬幅鋼桁梁橋為例,在ANSYS軟件中建立全橋精細化有限元模型,橋面系采用板殼單元,上弦桿和腹桿采用梁單元,調整主桁節間長度、縱梁高度和橫肋高度來研究其對節點主橫梁受力的影響;通過精細化板殼模型和桿系有限元模型的對比,研究牛腿端橫梁的不均勻受力性能。

1 主橫梁受力的參數敏感性研究

通過主桁節間長度(即主橫梁間距)、縱梁高度、橫肋高度等方面的參數變化,對節點橫梁的受力進行詳盡的對比研究。

1.1 主桁節間長度

從力學概念上來看,主桁架節間長度,也就是主橫梁的間距,對主橫梁的受力影響是比較大的。主橫梁間距很大時節間傳遞到主橫梁的荷載也較多,設置主桁節間長度分別為10 m、12.5 m和15 m三組變量,保持桁架高跨比不變,節間數和外形保持不變,橫梁截面也保持不變,橫肋間距和截面也不變,考慮橫向六輛車加載,在基本組合作用下不同主橫梁間距時主橫梁底板最大橫向應力和最大剪應力的對比見表1。

表1 不同主橫梁間距時橫梁最大正應力和剪應力對比

分析上述結果可知,主橫梁主要承擔了一個節間內的橫向荷載,主桁節間長度越大,主橫梁間距越大,橫梁受力越不利,幾乎是線性相關的關系。在設計中如果主桁節間長度較大,則應適當加強主橫梁的截面或板厚。

1.2 縱梁高度

縱梁高度越大,主橫梁之間的聯系越緊密,在節間荷載的作用下,主橫梁的受力也會受到影響。為此,設置了四組變量,縱梁高度分別為0.4 m,0.8 m,1.2 m和1.6 m,研究主橫梁受力情況。其中縱梁高度僅為0.4 m只是一種理想工況,因為此時縱梁僅僅變成了一道加勁,對于荷載的傳力和分配大大削弱,節間橋面系的受力變得非常不利。實際上對于這種主要傳遞節點荷載的縱橫梁體系來說,一定剛度的縱梁是必要的。縱梁將節間的荷載傳遞給相近的節點橫梁,以保證桁架以節點受力為主。考慮橫向六輛車加載,在基本組合作用下,不同縱梁高度時主橫梁底板最大橫向應力和最大剪應力的對比見表2。

表2 不同縱梁高度時橫梁最大正應力和剪應力對比

分析結果表明,隨著縱梁高度的增加,橫梁的受力有所改善。故保證一定剛度的縱梁是很有必要的,但縱梁剛度也不宜過大,一方面浪費材料,另一方面會增加橋面系的抗彎剛度,增加橋面系局部抗彎承擔荷載的作用,而削弱桁架本身所承擔的荷載。

2.3 橫肋高度

橋面系的受力是按照剛度來分配的,節點橫梁剛度較大,所以多數荷載都傳遞到節點橫梁上來。而隨著橫肋高度的增加,橫肋也逐漸承擔起更多的橫向荷載,與此同時,節點橫梁的受力逐漸減少。設置了五組橫肋高度的變量,分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m和1.6 m,考慮橫向六輛車加載,在基本組合作用下,不同橫肋高度時主橫梁底板最大橫向應力和最大剪應力的對比見表3。

表3 不同橫肋高度時橫梁最大正應力和剪應力對比

分析結果表明,隨著橫肋高度的增加,節點橫梁的受力逐漸減少。這是因為隨著橫肋高度增加,整個結構體系慢慢接近多橫梁體系,更多的荷載傳遞給了橫肋從而傳遞給下弦節間。

3 牛腿端橫梁受力性能研究

牛腿端橫梁不僅需要承受主橋上方的車輛荷載,通過牛腿還要承受引橋小箱梁的恒載和活載,所以其受力較為復雜,用MIDAS Civil建立全橋桿系有限元模型,考慮梁單元的第七自由度以充分考慮扭轉作用,橫向加載車輛輪載,施加荷載與ANSYS全橋精細化有限元模型相同,對比分析兩種模型的計算結果,如圖1所示。

圖1 端橫梁整體橫橋向正應力分布

在ANSYS精細化有限元模型中,端橫梁頂板在跨中靠近牛腿側應力最大,端橫梁底板在跨中遠離牛腿側應力最大,在豎向荷載作用下,牛腿橫梁呈現出斜彎曲受力效應,這是由于牛腿截面本身并非對稱截面,形心主軸也為傾斜的緣故,如圖2所示。

圖2 端橫梁底板橫橋向正應力分布

牛腿端橫梁的三道高腹板(非牛腿內的低腹板)受力也不均勻,靠近牛腿的腹板受力較大,依次向外呈遞減趨勢,如圖3所示。

圖3 端橫梁腹板剪應力分布

在MIDAS桿系模型中,無法考慮上述效應,故所得應力均比ANSYS結果低,對比見表4。

表4 ANSYS與MIDAS模型牛腿端橫梁最大正應力和剪應力對比

對比分析兩種計算模型的差異可知,采用ANSYS板殼模型考慮了牛腿端橫梁的斜彎曲效應,頂底板和腹板受力并不均勻,頂底板是桿系模型結果的1.35～1.4倍,腹板是桿系模型結果的1.25～1.3倍,設計中對于此類端橫梁,應考慮到這種不均勻受力效應。

4 結 論

本文對縱橫梁體系的鋼桁梁橋面系進行了詳細的對比分析,得到兩點結論如下:

(1) 主橫梁主要承擔了一個節間內的橫向荷載,主桁節間長度越大,主橫梁間距越大,橫梁受力越不利,幾乎是線性相關的關系;一定剛度的縱梁對于縱橫梁體系的鋼桁梁橋面系很有必要,縱梁可以將橋面荷載傳遞到相近的節點橫梁,保證桁架以節點受力為主;隨著橫肋高度的增加,節點橫梁的受力逐漸減少。這是因為隨著橫肋高度增加,整個結構體系慢慢接近多橫梁體系,更多的荷載傳遞給了橫肋從而傳遞給下弦節間。

(2) 牛腿端橫梁截面本身并非對稱截面,形心主軸也為傾斜,其在主橋、引橋的豎向荷載作用下呈斜彎曲效應。端橫梁頂板在跨中靠近牛腿側應力最大,端橫梁底板在跨中遠離牛腿側應力最大;牛腿端橫梁的三道高腹板(非牛腿內的低腹板)受力也不均勻,靠近牛腿的腹板受力較大,依次向外呈遞減趨勢。ANSYS板殼模型考慮了牛腿端橫梁的斜彎曲效應,頂底板是桿系模型結果的1.35～1.4倍,腹板是桿系模型結果的1.25～1.3倍,設計中應予以考慮。

本文對縱橫梁體系的鋼桁梁橋面系的受力特點的分析可為類似橋梁的設計提供參考,而對于其他橋型的牛腿端橫梁設計,也應考慮到該處受力的復雜性和特殊性。