非对称变高度连续钢桁梁桥受力性能研究

戴新安 郭子会 张谢东 董宇航

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (内蒙古伊泰准东铁路有限责任公司2) 鄂尔多斯 010300)

0 引 言

钢桁梁桥是以钢桁架作为上部结构，结构整体上主要承受弯矩和剪力的桥梁结构.钢桁梁桥具有刚度大、通透性好、用钢量少、制造运输及拼装方便等特点，所以越来越广泛地应用于公路桥及铁路桥建设中.在实际工程中，钢桁梁桥的连接部位较多，它们可靠与否直接影响到整个桥梁结构的安全使用，是钢桁梁桥设计的核心所在，对其应重点关注.随着桥梁日益大型化，桥梁的连接构造形式变得更为复杂，钢桁梁桥的受力状态也变得更加复杂.近几年来，有不少学者对钢桁梁桥受力性能方面进行了相关的研究.李佳璐[1]以南屏大桥为研究对象，运用大型有限元软件建立钢桁梁柔性拱桥有限元模型，进行了整体静力性能、动力特性分析研究；邓蓉[2]以铁路钢桁梁桥的实验数据为基础，对铁路钢桁梁桥结构的校验系数进行研究, 提出利用实测的应力、挠度和结构校验系数定量评价桥梁强度和刚度的方法；徐新利[3]以下承式铁路钢桁梁为研究对象，采用理论分析与现场试验相结合的方法，对重载列车作用下连续下承式钢桁梁各杆件的力学特性进行分析；李运生等[4]以长东黄河大桥四跨铁路连续钢桁梁为工程背景，采用midas Civil软件建立了有限元模型，对其整体受力性能和杆件局部受力性能在30 t重载列车下的适应性进行了分析；张凡[5]对双层钢桁梁桥整体节点受力性能进行了研究，针对节点的部分构造细节进行优化设计.综上所述，目前对于钢桁梁桥的研究主要集中在主桁对称、等高度形式的钢桁梁研究上[6-8].非对称变高度连续钢桁梁桥在结构形式及受力状况上更为复杂，目前对于此类钢桁梁桥的研究较少.本文某非对称变高度连续钢桁梁桥为实际工程背景，结合有限元分析软件midas Civil 及相关设计规范，对该桥上部结构中不同结构形式进行成桥状态分析，通过多种荷载工况作用下结构的位移变形及应力水平研究此类桥的受力特点，为实际工程设计与施工提供相关参考.

1 工程概况

依托的工程背景为某120 m+82 m非对称下承式连续变高度铁路钢桁梁桥，本桥为双主桁钢桁梁桥，其中主桁间距10 m，支座中心距梁端0.8 m；桥面系为正交异性钢桥面，上铺设180 mm混凝土道砟板.主桁节点采用整体节点形式，上、下弦杆在节点外拼接，斜腹杆采用对接形式与整体节点拼接，其腹板接头板焊于节点板上.上、下弦杆及斜腹杆均采用全截面拼接.端支座处主桁桁高13 m，中支点处桁高25 m，上弦杆线性采用二次抛物线，120 m侧共设置10个节间，节间间距分别为4×11 m+2×12 m+4×13 m；82 m侧设置八个节间，节间距分别为2×12 m+4×10 m+2×9 m.上弦杆与下弦杆均采用箱形截面，斜腹杆为工字形和箱形截面，中直腹杆为箱形截面，直腹杆采用工字形截面.

2 有限元模型的建立

利用midas Civil有限元软件建立钢桁梁桥全桥成桥模型，全桥共建1 360个节点，1 605个单元，其中1 026个梁单元，579个板单元，见图1，桥面系为正交异性钢桥面，上铺设180 mm混凝土道砟板.由于在实际中桁架是高强螺栓连接，节点板很厚，节点的刚度很大，所以在有限元主桁、横梁、上平联及横联均为梁单元，桥面板、U形肋和桥门架均为板单元，U形肋与横梁之间的连接采用弹性连接中的刚性连接.根据结构位置，全桥共定义三种材料，考虑到模型未模拟拼接板、高强螺栓等及其造成的增大系数，故建模时对各个结构的材料容重进行了调整，具体参数见表1.

图1 全桥有限元模型

结构名称弹性模量/MPa泊松比调整后容重/(kN·m-3)主桁 2.10×1050.3117.8正交异性板2.10×1050.381.5联结系 2.10×1050.382.42

3 成桥状态静力计算分析

下承式钢桁梁桥的主要受力结构为主桁，桥面将外部荷载传递给纵梁，再由纵梁传递给横梁，最后外部荷载作用传递给主桁，主桁由上、下弦杆和腹杆三部分组成.本文通过钢桁梁桥在不同荷载组合作用下，计算分析主桁结构中上、下弦杆、斜腹杆和直腹杆的受力及变形状态.用于桥梁分析计算的主要荷载组合有：组合一，恒载(自重、二恒、支座沉降)+活载(列车竖向活载(考虑冲击系数)+横向摇摆力+离心力)；组合二，组合一+横向风力；组合三，组合一+温度荷载包络；组合四，组合一+横向风力+温度荷载包络

3.1 荷载组合作用下位移分析

在外力作用下，主桁各结构产生变形，通过上弦杆和下弦杆产生的竖向、横向及纵向位移，研究分析上弦杆和下弦杆在不同荷载组合作用下的变形状况.在有限元模型中限制中支点的横向和纵向位移，释放两端支点的横向及纵向约束.为方便描述杆件位置，将下弦杆最左端作为位置基准点，从左到右进行编号，上弦杆位置范围为11～193 m, 下弦杆的位置范围为0～202 m.各位置的位移值均取为最大值.

3.1.1竖向位移分析

在四种不同荷载组合作用下的上、下弦杆的竖向位移见图2.

图2 荷载组合下的竖向位移

由图2可知:①在四种不同的荷载组合作用下，上弦杆均在在44 m处竖向位移值达到最大，最大值出现在荷载组合一，为-80.35 mm；下弦杆均在56 m处竖向位移值达到最大,最大值出现在荷载组合一，为-81.04 mm；②在四种不同的荷载组合作用下，上弦杆与下弦杆的各位置的竖向位移变化趋势相同，且竖向位移在数值上都比较接近，说明整个主桁结构在四种荷载组合作用下竖向位移呈整体上升或下移状态；③120 m侧的上弦杆和下弦杆的竖向位移变化较为剧烈，82 m侧则相对平缓.由于下弦杆120 m处支座的存在，使得在120 m附近区域的上、下弦杆的竖向位移为正，即该部分结构的变形呈上挠状态.对比图2a)和图2d)，上、下弦杆的竖向位移主要是由恒载与活载作用产生，温度及横向风力作用影响较小.

梁式桥结构由于列车竖向静活载所引起的竖向挠度不应超过容许值[7].本桥为120 m+82 m连续钢桁梁桥，边跨挠度容许值为L/900，主桁的竖向位移及挠跨比见表2.由表2可知，该桥两跨竖向挠跨比均在规范容许值以内，竖向刚度满足设计要求.

表2 主桁挠度及挠跨比

3.1.2横向位移分析

在四种不同荷载组合作用下的上、下弦杆的横向位移见图3.

图3 荷载组合下的横向位移

由图3可知：①上弦杆除在荷载组合三作用下横向位移最大值出现在44 m处，其它荷载组合下横向位移值出现于68 m处，最大值出现在荷载组合四，为23.33 mm；下弦杆除在荷载组合一作用下横向位移最大值出现在56 m处，其他荷载组合下横向位移值出现于44 m处，最大值出现在荷载组合四，为19.42 mm；②相比于下弦杆，横向风力对上弦杆的横向位移较大.除荷载组合三外，在其它荷载组合作用下，上弦杆的横向位移在绝大部分位置上大于下弦杆的横向位移，说明上弦杆在横向上的受力变形较为敏感，在研究主桁结构的横向位移时，对上弦杆的横向位移应当着重关注.

主桁在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，梁体的水平挠度不大于1/4 000.主桁的最大横向位移见表3.由表3可知，该桥两跨横向挠跨比均在规范容许值以内，横向刚度满足设计要求.

表3 主桁横向位移

3.1.3纵向位移分析

在四种不同荷载组合作用下的上、下弦杆的纵向位移见图4.

图4 荷载组合下的纵向位移

由图4可知：①在四种不同的荷载组合作用下，上弦杆均在在11 m处纵向位移值达到最大，最大值出现在荷载组合四，为68.56 mm；下弦杆均在0 m处纵向位移值达到最大,最大值出现在荷载组合四，为44 mm;②对比图4a)和图4c)，荷载组合一作用下，上、下弦杆纵向位移最大值为21.58 mm, 荷载组合三作用下，上、下弦杆纵向位移最大值为21.58 mm，说明上、下弦杆的纵向位移受温度影响较大.

由于在中支点处限制了纵向位移，为了尽量减少上、下弦杆产生的纵向位移对主桁结构内力的影响，需在桥梁两端设置足够长度的伸缩缝.

3.2 荷载组合作用下应力分析

为准确描述主桁各结构的应力状况，将主桁按不同结构进行编号，下弦杆为1～18，上弦杆为19～34，斜腹杆为35～52，直腹杆为53～69，见图5.在midas Civil有限元分析软件中，通常“+”表示拉应力，“-”表示压应力.

图5 主桁杆件编号

3.2.1弦杆应力分析

在四种不同荷载组合作用下的上、下弦杆各杆件的应力见图6～7.

图6 四种荷载组合下的下弦杆应力

图7 四种荷载组合下的上弦杆应力

由图6可知:①120 m侧下弦杆中靠近主桁端部的杆件主要受拉力为主，靠近中支点处的杆件主要受压力为主，82 m侧下弦杆的杆件受拉压力较为均匀；②下弦杆拉应力最大值出现在荷载组合四下的3号杆，为140.9 MPa；下弦杆压应力最大值出现在荷载组合四下的11号杆，为-203.8 MPa，满足强度要求；③82 m侧的下弦杆杆件所受拉压力相对较小，可以适当减少这部分杆件箱型截面的钢板的厚度，达到减轻结构自重的目的；④9号、10号和11号杆件所受最大压应力较大，在设计截面时应当着重考虑杆件的抗压稳定性.温度作用下使得下弦杆最大压应力增大，横向风力对下弦杆应力影响较小

由图7可知:①在中支点附近区域杆件，即27～30号杆件主要受拉力为主，其他上弦杆的杆件主要受压力为主；②上弦杆拉应力最大值出现在荷载组合四作用下的28号杆，为149 MPa，上弦杆压应力最大值出现在荷载组合四作用下的21号杆，为-172.2 MPa；③82 m侧的上弦杆杆件所受拉压力相对较小，可以适当减少这部分杆件箱型截面的钢板的板厚，达到减轻结构自重的目的.在横向风力和温度作用下，上弦杆最大应力无明显变化.

3.2.2腹杆应力分析

在四种不同荷载组合作用下的腹杆各杆件的应力见图8～9.

图8 四种荷载组合下的斜腹杆应力

图9 四种荷载组合下的直腹杆应力

由图8～9可知：①斜腹杆拉应力最大值出现在荷载组合四组合作用下的43号杆，为181.1 MPa，斜腹杆压应力最大值出现在荷载组合四组合作用下的35号杆，为-172.4 MPa，均满足强度要求；②直腹杆拉应力最大值出现在荷载组合四组合作用下的53号杆，为120 MPa，直腹杆压应力最大值出现在荷载组合四组合作用下的62号杆，为-145.9 MPa，均满足强度要求.③横向风力对中支点附近直腹杆应力影响较大，由于该部分桁高较高，直腹杆长度也较长，横向风力在该部分应力的影响较为明显，因此在设计变高度主桁的高度时，需充分考虑横向风力对直腹杆的影响.

4 结 论

1) 上、下弦杆产生的竖向位移主要受恒载与活载作用影响；上弦杆的横向变形与下弦杆相比更为敏感；温度作用对上、下弦杆的纵向位移影响较为明显.上、下弦杆产生的最大竖向及横向位移均在规范允许挠度范围内，结构设计满足要求.

2) 上、下弦杆的应力大小主要受恒载与活载影响较大，温度及横向风力影响较小；82 m侧上、下弦杆所受应力与120 m侧相比较小，可适当减少该部分结构杆件截面钢板厚度，减轻桥梁自身重量.

3) 中支点附近的直腹杆受横向风力影响较为明显，在设计时除了考虑该部位的抗压稳定性外，其横向稳定性也是在结构稳定性验算之内；主桁各结构应力均在材料强度以内，结构设计满足要求.