胡洪亮,易克勤

(湖南華罡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410076)

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板桁結(jié)合梁的傳力規(guī)律與應(yīng)用

胡洪亮,易克勤

(湖南華罡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410076)

摘要:闡述了中國(guó)山區(qū)高速公路的建設(shè)特點(diǎn)及鋼板桁結(jié)合梁橋在山區(qū)高速公路建設(shè)中的重要地位,闡明對(duì)鋼桁梁斜拉橋板桁構(gòu)造受力規(guī)律進(jìn)行研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義;總結(jié)了板桁結(jié)合梁橋的起源及其發(fā)展歷程,介紹了鋼板桁斜拉橋有限元分析模型的建立方法;分析了板桁結(jié)合斜拉橋中桁架上弦、中縱梁、小縱梁、橋面板的軸力分配情況,并對(duì)正交異性橋面系的有限元模型優(yōu)化方法及板桁傳力規(guī)律進(jìn)行了歸納總結(jié)。

關(guān)鍵詞:橋梁;鋼板桁結(jié)合梁;受力分析;有限元

山區(qū)高速公路中橋隧長(zhǎng)度占線路的比例大,尤其在中國(guó)西部地區(qū),有的高速公路上橋隧長(zhǎng)度占比高達(dá)70%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),山區(qū)高速公路特殊橋梁(單跨超過(guò)150 m的特大橋,不含跨徑總長(zhǎng)超過(guò)1 000 m的多跨特大橋)占橋梁總數(shù)的10%～15%。山區(qū)修建公路時(shí)常會(huì)采用大跨度橋梁建設(shè)方案,特別是鋼板桁結(jié)合梁橋,由于其具有作業(yè)面少、施工效率高、操作簡(jiǎn)單、合龍工序少、施工安全等優(yōu)點(diǎn),在新建山區(qū)大跨度橋梁中被越來(lái)越多地采納。對(duì)鋼板桁結(jié)合梁橋,特別是適用情況較廣的鋼桁梁斜拉橋板桁構(gòu)造的受力規(guī)律進(jìn)行研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 板桁結(jié)合梁橋的起源及發(fā)展

德國(guó)于1962年建成的富爾達(dá)塔爾橋是歷史上首座鋼板桁結(jié)構(gòu)公路橋,該橋?yàn)槠呖缟铣惺桨彖旖Y(jié)合連續(xù)梁橋,跨徑為(79.2+91.2+107.8+143.2+ 107.8+91.2+79.2)m。自此以后,板桁結(jié)合梁橋就以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在荷蘭、德國(guó)及日本等國(guó)家和地區(qū)的多種橋梁形式中得到使用,如荷蘭的加浪特橋、德國(guó)的克萊沃艾默里奇橋、日本的巖黑島大橋和柜石島大橋等均采用板桁結(jié)合結(jié)構(gòu)。

表1 世界上大跨度板桁組合斜拉橋概況

19世紀(jì)初,世界各國(guó)新建的大跨度懸索橋與大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)基本上采用鋼結(jié)構(gòu),之后隨著砼材料力學(xué)性能的提高,特別是高標(biāo)號(hào)砼材料的出現(xiàn),砼梁橋、斜拉橋等相繼出現(xiàn)且日益增多。組合結(jié)構(gòu)興起后,其發(fā)展幾乎日趨趕上鋼結(jié)構(gòu),且在一定領(lǐng)域內(nèi)能代替鋼結(jié)構(gòu)及砼結(jié)構(gòu)。其中板桁結(jié)合梁橋更是得到迅速發(fā)展,其憑借正交異性板擁有的較輕自重與建筑高度、較強(qiáng)的跨越能力、較大的極限承載力、較長(zhǎng)的使用年限、各構(gòu)件易于開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化加工制造與安裝及在進(jìn)行橋梁檢修時(shí)不用中斷交通等優(yōu)點(diǎn)得到快速推廣應(yīng)用。表1為世界上大跨度板桁組合斜拉橋概況,它昭示著板桁結(jié)合體系橋梁正在被越來(lái)越多地采用,這是一種充滿生命活力的結(jié)構(gòu)。

2 正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋有限元分析模型的建立

正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋由于預(yù)制構(gòu)件較多,實(shí)體模型的建模工作量非常龐大,工作效率較低,雖然能得到精度較高的數(shù)值分析結(jié)果,但考慮到該文重在了解結(jié)構(gòu)整體受力狀況,對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造細(xì)節(jié)不作探討,不需精確到每一個(gè)構(gòu)造細(xì)節(jié)的精確分析結(jié)果,采取折中的方法,對(duì)全橋建立空間桿系模型進(jìn)行分析。該研究重在了解運(yùn)營(yíng)階段正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋在多車(chē)道荷載組合下不同板桁支撐體系的力學(xué)行為及橋梁主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性,分析模型分別對(duì)塔、墩、梁、索、板進(jìn)行建模。其中,索塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,輔助墩通過(guò)帶邊界的彈性連接進(jìn)行模擬,斜拉索采用僅受拉桁架單元進(jìn)行模擬。理論上,全橋在整體分析中可采用薄板單元對(duì)主桁桿件及板桁支承系進(jìn)行模擬,但由于該建模方法所產(chǎn)生的計(jì)算自由度太多,計(jì)算工作量太大,所得計(jì)算結(jié)果無(wú)法直觀體現(xiàn)桿件的整體受力情況,且會(huì)增加分析過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行修改的工作量,故采用空間梁?jiǎn)卧M主桁桿件,U肋及其上的橋面板則通過(guò)換算等效截面的薄板單元進(jìn)行模擬,板梁之間采用彈性連接(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 半幅橋有限元分析模型

圖2 局部放大有限元分析模型

3 板桁傳力規(guī)律及計(jì)算方法

為了在準(zhǔn)確分析正交異性板受力情況的前提下減少計(jì)算工作量,對(duì)正交異性板的模擬進(jìn)行優(yōu)化。為此,需先了解恒載成橋工況下板桁結(jié)合斜拉橋中桁架上弦、中縱梁、小縱梁、橋面板的軸力分配情況和相關(guān)比例關(guān)系。

通過(guò)全橋模型分析可知,在恒載成橋工況下,橋面板傳遞8.2%～9.5%縱向力,小縱梁傳遞12.5% ～14.1%縱向力,中縱梁傳遞10.9%～13.5%縱向力,上弦桿傳遞58.9%～67.4%縱向力,上橫梁傳遞0.5%～0.8%縱向力。由此可得:

(1)正交異性鋼橋面系承受每個(gè)梁截面32.5%左右的縱向荷載,約為上弦桿所承受縱向荷載的1/2,故在板桁組合斜拉橋中,其正交異性鋼橋面系對(duì)主梁的縱向剛度貢獻(xiàn)不可忽略,必須考慮兩者間的共同作用。

(2)在正交異性鋼橋面系中,橋面板所傳遞縱向荷載僅占全橋縱向荷載的8.2%～9.5%,比重較小,為了減少整體模型的單元數(shù)量,提高計(jì)算效率,在整體計(jì)算過(guò)程中可將橋面板作為橋面系中縱梁與小縱梁的上翼緣,將其剛度換算到縱梁中。

(3)設(shè)計(jì)初期擬定板桁結(jié)合梁各構(gòu)造尺寸時(shí),可按照板桁結(jié)合梁各構(gòu)件所承擔(dān)內(nèi)力的比例初步擬定,這樣得出的初步構(gòu)造尺寸其材料利用率將更高效。在沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下,則可參照橋面板截面尺寸∶小縱梁截面尺寸∶中縱梁截面尺寸∶上弦桿截面尺寸≈8∶14∶13∶67的比例進(jìn)行構(gòu)造尺寸擬定。

對(duì)于橋面系中縱梁與小縱梁的上翼緣有效寬度,參考《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》征求意見(jiàn)稿第8.2.5條進(jìn)行計(jì)算。

式中:λ為中縱梁與小縱梁的單側(cè)有效寬度;l為等效跨度,取0.6L;b為縱肋或橫肋間的距離(如圖3)。

圖3 縱肋計(jì)算示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

板桁結(jié)合梁的應(yīng)用推廣,特別是鋼板桁斜拉橋的應(yīng)用,將極大地促進(jìn)中國(guó)山區(qū)高速公路的建設(shè)與發(fā)展。高效、便捷的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方法將大大提高這類橋梁設(shè)計(jì)的效率。充分利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳力規(guī)律,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與科研都大有幫助。

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收稿日期:2015-10-05

中圖分類號(hào):U441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0162-02