基于改進(jìn)梁板結(jié)合模型的鋼桁架橋設(shè)計(jì)

秦寰宇(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(jìn)梁板結(jié)合模型的鋼桁架橋設(shè)計(jì)

秦寰宇(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(yùn)鐵路三門峽至荊門段72 m簡(jiǎn)支下承式鋼桁架梁橋?yàn)楸尘?，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(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提出改進(jìn)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(shí)情況進(jìn)行對(duì)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(shí)情況，造成計(jì)算出的桿件應(yīng)力偏小，而改進(jìn)后的梁板結(jié)合有限元模型沒(méi)有增大橋面系剛度，計(jì)算出的桿件應(yīng)力也與真實(shí)值吻合。

關(guān)鍵詞鋼桁架橋改進(jìn)梁板結(jié)合模型有限元設(shè)計(jì)

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(gè)鋼部件拼接而成，適合工廠制造，便于運(yùn)輸、檢修與更換[1]。由于鋼桁架橋的諸多優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)通道72 m簡(jiǎn)支下承式鋼桁架橋?yàn)楸尘?，針?duì)傳統(tǒng)的梁板結(jié)合模型提出改進(jìn)意見(jiàn)，對(duì)鋼桁架橋進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

1工程概況

1.1　項(xiàng)目背景

蒙華煤運(yùn)專線是國(guó)內(nèi)最大的煤運(yùn)專線，北起內(nèi)蒙古浩勒?qǐng)?bào)吉站，南至江西省吉安站，全長(zhǎng)1 817 km，規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)車速120 km/h，橋面寬13.6 m，線路中心線距離4 m。主橋全長(zhǎng)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(guò)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)于鋼桁架簡(jiǎn)支梁橋的計(jì)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(duì)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(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

隨著計(jì)算機(jī)速度的提高，現(xiàn)在對(duì)鋼桁架橋的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(gè)橫縱梁，而是作為一個(gè)整體考慮，這樣會(huì)使計(jì)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(wèn)題

傳統(tǒng)的梁板結(jié)合模型用虛梁來(lái)代替軌道，通過(guò)在其上施加車道荷載來(lái)計(jì)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(kuò)散寬度內(nèi)的節(jié)點(diǎn)采用剛性連接。虛梁荷載擴(kuò)散寬度，按照實(shí)際軌道板外緣以45°角[10]擴(kuò)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(wú)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(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

2.2　改進(jìn)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(wèn)題，需要對(duì)虛梁與橋面板的連接進(jìn)行重新定義，達(dá)到只傳遞力而不產(chǎn)生約束的效果。

改進(jìn)的梁板結(jié)合模型在虛梁上建立了若干個(gè)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(zhǎng)度與活載在橋面板上的分布寬度相同，節(jié)點(diǎn)位置與橋面板上節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)，如圖4所示。

剛性橫梁上的節(jié)點(diǎn)與橋面板上對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)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(duì)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(jì)算消耗。因?yàn)榭v向虛梁剛度很小，所以此處采用剛性連接不會(huì)對(duì)橋面板產(chǎn)生約束作用。

2.3　兩種模型對(duì)比分析

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用車道荷載，通過(guò)計(jì)算影響線來(lái)確定每個(gè)桿件的最不利受力情況。為了方便對(duì)比驗(yàn)證，此處選取靜活載[3]作用在跨中時(shí)的情況，采用傳統(tǒng)和改進(jìn)的梁板結(jié)合模型，對(duì)蒙華煤運(yùn)通道72 m簡(jiǎn)支下承式鋼桁架橋進(jìn)行分析，并與真實(shí)的傳力情況進(jìn)行對(duì)比。靜活載作用在跨中時(shí)的加載如圖5所示。

此情況下，可采用手動(dòng)分配的方法來(lái)模擬軌道真實(shí)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(duì)應(yīng)的荷載分布范圍內(nèi)，即是橋面板受力的真實(shí)情況。將兩種模型的主桁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與主桁真實(shí)應(yīng)力情況進(jìn)行對(duì)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(dòng)分配的結(jié)果有一定差距，特別是最大拉應(yīng)力，比真實(shí)情況減小了1/6～1/7，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)偏于不安全。而改進(jìn)梁板結(jié)合模型的計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況幾乎無(wú)差距，證明了改進(jìn)梁板結(jié)合模型的正確性。

3桿件優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

4結(jié)論

以蒙華煤運(yùn)通道72 m簡(jiǎn)支下承式鋼桁架橋?yàn)楸尘?，?duì)傳統(tǒng)的梁板結(jié)合模型進(jìn)行改進(jìn)，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(jì)算結(jié)果偏于不安全。

(2)改進(jìn)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(jì)算各個(gè)桿件的真實(shí)內(nèi)力，為今后簡(jiǎn)支鋼桁架橋的設(shè)計(jì)提供了參考。

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中圖分類號(hào)：U448.21+1； U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)06-0069-03

作者簡(jiǎn)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