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)

?

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。

參考文獻(xiàn):

[1]鄭凱鋒,劉春彥,王應(yīng)良,等.鐵路板桁橋梁的結(jié)構(gòu)空間計(jì)算及其應(yīng)用發(fā)展研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),1997(3).

[2]陳舜東.大跨度橋梁建設(shè)和發(fā)展現(xiàn)狀概述[J].四川建筑,2008(2).

[3]蔡國(guó)宏.斜拉橋的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和展望[J].國(guó)外公路,1997,17(4).

[4]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京.人民交通出版社,2003.

[6]小西一郎.鋼橋[M].北京:人民鐵道出版社,1980.

[7]吳沖.現(xiàn)代鋼橋(上冊(cè))[M].北京:人民交通出版社,2006.

[8]彭月桑,陳進(jìn)昌.高速鐵路采用大跨度鋼斜拉橋的設(shè)計(jì)研究[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)第十三屆年會(huì)論文集[C].1998.

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