秦寰宇(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,湖北武漢　430063)Steel Truss Bridge Design base on Improved Beam-Board Combined ModelQIN Huanyu

基于改進梁板結(jié)合模型的鋼桁架橋設(shè)計

秦寰宇(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,湖北武漢430063)Steel Truss Bridge Design base on Improved Beam-Board Combined ModelQIN Huanyu

摘要以蒙華煤運鐵路三門峽至荊門段72 m簡支下承式鋼桁架梁橋為背景，指出傳統(tǒng)梁板結(jié)合有限元模型采用剛臂方式連接虛梁和橋面系所產(chǎn)生的問題，并對其進行改進，提出改進梁板結(jié)合有限元模型。將兩種模型在靜活載作用下的桿件應(yīng)力與真實情況進行對比。結(jié)果表明：傳統(tǒng)梁板結(jié)合有限元模型的約束形式使橋面系剛度大于真實情況，造成計算出的桿件應(yīng)力偏小，而改進后的梁板結(jié)合有限元模型沒有增大橋面系剛度，計算出的桿件應(yīng)力也與真實值吻合。

關(guān)鍵詞鋼桁架橋改進梁板結(jié)合模型有限元設(shè)計

鋼桁架橋主要由桁架桿件組成，用稀疏的腹桿代替整體的腹板，每根桁架桿件主要承受軸向拉壓力，從而有較輕的自重和較好的跨越能力。另外，鋼桁架橋由多個鋼部件拼接而成，適合工廠制造，便于運輸、檢修與更換[1]。由于鋼桁架橋的諸多優(yōu)點，其在鐵路橋梁方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。以蒙華煤運通道72 m簡支下承式鋼桁架橋為背景，針對傳統(tǒng)的梁板結(jié)合模型提出改進意見，對鋼桁架橋進行設(shè)計計算。

1工程概況

1.1　項目背景

蒙華煤運專線是國內(nèi)最大的煤運專線，北起內(nèi)蒙古浩勒報吉站，南至江西省吉安站，全長1 817 km，規(guī)劃設(shè)計輸送能力為2億噸/年。該橋位于三門峽至荊門段，跨越南水北調(diào)水渠[2]。

1.2　設(shè)計參數(shù)

該橋采用雙線有砟軌道，荷載采用ZH荷載(z=1.2)[3]，設(shè)計車速120 km/h，橋面寬13.6 m，線路中心線距離4 m。主橋全長74 m，主跨72 m，梁端距支座中心1.0 m。

鋼桁架橋由主桁架、水平縱向聯(lián)結(jié)系、橋門架和中間橫撐架以及橋面系組成[4]。

該橋主桁采用三角桁式，桁架高度采用12 m，節(jié)間距采用12 m。斜腹桿傾角63.4°，主桁示意如圖1所示。

通過平面模型試算，初步確定主桁尺寸，如表1所示。

該橋上弦設(shè)縱向平聯(lián)，采用交叉形布置。每個節(jié)間設(shè)置一道橫向聯(lián)系，其中邊支座及橋面以上的第一個節(jié)間處為斜向橋門架，其他位置為橫聯(lián)，橋門架及橫聯(lián)均采用板式結(jié)構(gòu)。

該橋采用正交異性板整體橋面系[5，6]，鋼橋面由橋面板、橫梁及橫肋、縱肋四個部分組成，其中鋼橋面板全橋縱、橫向連續(xù)，縱向與下弦頂板伸出肢焊接，橫向分段焊接。橋梁橫斷面如圖2所示。

2梁板結(jié)合模型

對于鋼桁架簡支梁橋的計算，之前多采用梁格模型[7，8]，但由于荷載分布的不均勻性，橋面板分配到每根橫縱梁上的面積不同，對于同一根橫(縱)梁的不同位置，橋面板分配的面積也可能不同，而梁格法假定同一根橫(縱)梁的截面不變，所以使用梁格法會產(chǎn)生一定的誤差。

隨著計算機速度的提高，現(xiàn)在對鋼桁架橋的設(shè)計多采用梁板結(jié)合模型[9]，即將橋面板以板單元形式考慮，橋面板與橫縱梁上端共節(jié)點，將荷載直接施加于橋面板上，不再將橋面板人為地分配到每個橫縱梁，而是作為一個整體考慮，這樣會使計算結(jié)果更加精確。鋼桁架橋梁板結(jié)合三維模型如圖3所示。

2.1　傳統(tǒng)梁板結(jié)合模型及其存在的問題

傳統(tǒng)的梁板結(jié)合模型用虛梁來代替軌道，通過在其上施加車道荷載來計算列車活載影響線最不利加載。為不影響橋面剛度，虛梁采用足夠小的剛度。虛梁與橋面板上荷載擴散寬度內(nèi)的節(jié)點采用剛性連接。虛梁荷載擴散寬度，按照實際軌道板外緣以45°角[10]擴散到橋面板上的寬度選取。

傳統(tǒng)的梁板結(jié)合模型采用剛臂的方式連接虛梁和橋面板，主要是為了傳遞軌道上的列車活載，但卻無形中將荷載分布范圍內(nèi)的橫縱梁以及橋面板剛性化，從而增加了橋梁的剛度，導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

2.2　改進的梁板結(jié)合模型

為了克服傳統(tǒng)的梁板結(jié)合模型使橋梁剛度增大的問題，需要對虛梁與橋面板的連接進行重新定義，達到只傳遞力而不產(chǎn)生約束的效果。

改進的梁板結(jié)合模型在虛梁上建立了若干個與橋面板平行的輔助剛性橫梁，用于分配虛梁上的車道荷載。剛性橫梁的長度與活載在橋面板上的分布寬度相同，節(jié)點位置與橋面板上節(jié)點位置相對應(yīng)，如圖4所示。

剛性橫梁上的節(jié)點與橋面板上對應(yīng)節(jié)點采用彈性連接和剛性連接相結(jié)合的方式。

(1)橫向和豎向連接采用較小剛度的彈性連接，這樣可以避免剛性橫梁對橋面板水平和豎向的約束作用。

(2)順橋向采用剛性連接，可以減少自由度，減小計算消耗。因為縱向虛梁剛度很小，所以此處采用剛性連接不會對橋面板產(chǎn)生約束作用。

2.3　兩種模型對比分析

實際設(shè)計時，一般采用車道荷載，通過計算影響線來確定每個桿件的最不利受力情況。為了方便對比驗證，此處選取靜活載[3]作用在跨中時的情況，采用傳統(tǒng)和改進的梁板結(jié)合模型，對蒙華煤運通道72 m簡支下承式鋼桁架橋進行分析，并與真實的傳力情況進行對比。靜活載作用在跨中時的加載如圖5所示。

此情況下，可采用手動分配的方法來模擬軌道真實傳遞到橋面板的力。假設(shè)單線鐵路橫橋向荷載分布寬度為b，將線均布荷載轉(zhuǎn)換為(102/b)kN/m2的面荷載，將集中荷載轉(zhuǎn)換為(300/b)kN/m的線荷載，分別加載在對應(yīng)的荷載分布范圍內(nèi)，即是橋面板受力的真實情況。將兩種模型的主桁應(yīng)力計算結(jié)果與主桁真實應(yīng)力情況進行對比，如表2所示。

由表2可以看出，傳統(tǒng)梁板結(jié)合模型與手動分配的結(jié)果有一定差距，特別是最大拉應(yīng)力，比真實情況減小了1/6～1/7，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計時偏于不安全。而改進梁板結(jié)合模型的計算結(jié)果與真實情況幾乎無差距，證明了改進梁板結(jié)合模型的正確性。

3桿件優(yōu)化設(shè)計

通過改進梁板結(jié)合模型對各個桿件的尺寸進行調(diào)整，使各個桿件的應(yīng)力既滿足要求又不產(chǎn)生大量富余。對于受拉桿件，需采用凈截面進行驗算，而有限元模型沒有考慮螺栓孔等截面削弱，均采用毛截面計算，造成其計算結(jié)果相比實際偏小。因此，對于受拉桿件，需用程序提取出內(nèi)力之后，采用凈截面進行重新驗算。此外，對于節(jié)點板，還需要驗算抗撕破強度[11]。最后，根據(jù)驗算結(jié)果對不滿足條件的截面再次進行調(diào)整，以確定各個桿件的最終尺寸。

4結(jié)論

以蒙華煤運通道72 m簡支下承式鋼桁架橋為背景，對傳統(tǒng)的梁板結(jié)合模型進行改進，可得出以下幾條結(jié)論：

(1)傳統(tǒng)梁板結(jié)合模型采用剛臂連接橋面板和虛梁，使橋面系剛度增大，桿件應(yīng)力減小，從而使計算結(jié)果偏于不安全。

(2)改進梁板結(jié)合模型能夠?qū)⒒钶d正確傳遞到橋面板而不改變橋梁本身的性質(zhì)，能夠正確計算各個桿件的真實內(nèi)力，為今后簡支鋼桁架橋的設(shè)計提供了參考。

參考文獻

[1]王朝華.下承式鋼桁梁橋在城市橋梁中的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].山西建筑，2014，40(1):185-186

[2]中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.蒙華鐵路三荊段橋梁施工圖設(shè)計說明書[R].武漢:中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2014

[3]趙博.重載鐵路48 m下承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化研究[J].鐵道勘察，2015(2):103-106

[4]TB10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[5]榮振環(huán)，張玉玲，劉曉光.蘇通大橋正交異性板模型計算分析[J].鐵道建筑，2008(1):1-4

[6]彭嵐平，徐升橋，高靜青.鋼桁梁有砟橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].鐵道勘察，2007(增刊):14-19

[7]徐少平.成昆線正交異性板鋼桁橋性能計算評估[J].四川建筑，2011，31(1):121-125

[8]王富萬，楊文兵.梁格法在橋梁上部結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報，2006，23(1):80-90

[9]彭敏.64 m曲線鋼桁梁設(shè)計[J].城市道橋與防洪，2012，3(3):70-72

[10]TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]

[11]吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京:人民交通出版社，2005

中圖分類號：U448.21+1； U442.5

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)06-0069-03

作者簡介：秦寰宇，男，2015年畢業(yè)于華中科技大學(xué)橋梁工程專業(yè)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-09-07