橋面板連接方式對桁架拱受力影響研究

黎力韜 LI Li-tao

（廣西交科集團有限公司，南寧 530007）

0 引言

鋼桁架拱橋作為拱橋中的一種，兼顧造型優美[1-2]，能夠很好地融入城市的發展規劃中，成為當地的一張顯耀的名片，因此越來越多的城市橋梁采用鋼桁架拱橋，已經成為城市橋梁設計中最具有競爭力的橋型之一[3]。而在建造鋼桁架系桿拱橋時，不同的橋面系連接形式對結構的受力性能也有所不同，導致鋼桁架拱橋的傳力路徑也有所不同，因此有必要針對鋼桁架拱橋各個部件受力的差異性進行深入研究探討，目前國內外已經有許多學者對鋼桁架拱橋進行大量研究[4-5]。而本文以某大跨度鋼桁架拱橋為工程背景，結合有限元軟件建立三種不同橋面系連接形式的空間有限元模型，通過對比分析在恒載作用下對混凝土橋面板和系梁的受力影響，同時對結構的變形進行分析，研究不同橋面系連接形式下系桿預應力的傳遞效率。

1 鋼桁架拱橋總體設計

1.1 工程概況某跨河工程主橋采用42m+140m+42m三跨連續鋼桁架拱橋，主橋為無推力系桿拱橋體系，上部結構通過連續鋼桁架拱肋、橋面系鋼梁及系桿形成平衡，支承于橋墩上。主橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 主橋總體布置圖（單位：mm）

1.2 橋面板與系梁連接方案為研究組合橋面板連接形式對鋼桁架系桿拱橋的受力影響，提出三個不同橋面系與主梁連接方案分別如下：方案一：鋼混凝土橋面板與鋼系梁不連接；方案二：鋼混凝土橋面板與系梁僅在中支點端部12m范圍內連接；方案三：鋼混凝土橋面板與系梁在全橋范圍內連接。

2 恒荷載下鋼桁架拱橋結構受力對比分析

2.1 混凝土橋面板受力對比分析通過模型計算，提取恒荷載作用邊跨和中跨混凝土橋面板順橋向正應力平均值，得到橋面板正應力平均值沿橫橋向分布規律，如圖2所示。然后通過比較混凝土橋面板應力的極值衡量混凝土橋面板應力的均勻性，如表1所示。

圖2 恒荷載工況下混凝土橋面板應力分布圖

由圖2可知，鋼桁架拱橋混凝土橋面板順橋向正應力沿橫橋向分布呈現先下降后上升的分布規律，在小縱梁處的混凝土橋面板正應力最小。在恒荷載作用下，方案三邊跨混凝土橋面板順橋向應力極值最大，最大值達到3.63MPa，最小值達到-4.31MPa；其次是方案二，方案一極值最小；方案二邊跨混凝土橋面板順橋向應力極值最大，最大達到了4.69MPa，最小達到了-6.50MPa，其次是方案一，方案三極值最小。而綜合最值應力結果可知，方案三混凝土橋面板順橋向應力極值減小幅度最大，其中最大值減小了14.79%，最小值減小了28.29%，因此方案三的橋面板連接方式有利于改善結構受力。

2.2 系梁受力對比分析通過比較系梁的極值衡量系梁內力分布的均勻性，如表2所示，并通過比較系梁平均軸力來衡量系梁內力分配的變化，如圖3所示。

表2 恒荷載工況下的系梁軸力極值對比

圖3 恒荷載工況下軸力分布圖

在恒荷載工況下，方案一邊跨系梁平均軸力最大，其次是方案二，方案三最小，而中跨系梁平均軸力變化規律相反，方案三中跨系梁平均軸力最大，其次是方案二，方案一最小；三個方案中邊系梁最大值均出現在中跨，而中系梁最大值均出現在邊跨；方案三邊系梁軸力極值最大，其次是方案二，方案一最小；中系梁則相反。綜上，隨著中跨系梁與混凝土板結合的緊密程度的增加，系梁內力規律為中跨系梁承擔了更多內力。

3 系桿預應力傳遞效率對比分析

在不同連接方式下，將系桿預應力施加于橋面板，研究其傳遞效率，通過提取系桿力工況下混凝土橋面板受力情況，對比分析三種橋面連接方式如表3所示。

由表3可知，方案三橋面連接方式下順橋向應力極值最小，其中較方案一連接方式而言，中跨混凝土橋面板順橋向應力極值最大值減小了58.67%，最小值減小了48.45%；邊跨混凝土橋面板順橋向應力極值最大值減小了23.15%，最小值減小了26.49%。

由于結構系桿力施加在中跨邊、中系梁處，因此，提取邊系梁旁橋面板與小縱梁旁橋面板比值nAC，以及中系梁旁橋面板與小縱梁旁橋面板比值nBC，以比較預應力施加于橋面板的傳遞效率以及縱向傳遞長度，如圖4所示。

為比較三個方案中預應力儲備情況，提取系桿力工況下三個方案中橋面板沿縱橋向平均應力，如圖5所示。

圖5 系桿混凝土橋面板應力平均值分布圖

由圖4可知，在系桿力工況下方案三相較于方案一、二能更快地使橋面板應力在橫橋向趨于平均，且跨中橫橋向應力更趨于平均，但由圖5可知，方案三在中跨預應力儲備最少，而方案一居中，方案二最多；方案一邊跨橋面板平均壓應力最大，受力最優。

4 結論

結合有限元模型計算結果分析橋面系連接方式對桁架拱橋的受力影響，得到如下結論：①鋼桁架拱橋混凝土橋面板順橋向正應力沿橫橋向分布呈現先下降后上升的分布規律，在小縱梁處的混凝土橋面板正應力最小。②恒載工況下，隨著中跨系梁與混凝土板結合的緊密程度的增加，系梁內力規律為中跨系梁承擔了更多內力。③在系桿力工況下方案三相較于方案一、二能更快地使橋面板應力在橫橋向趨于平均，且跨中橫橋向應力更趨于平均，但方案三在中跨預應力儲備最少。