鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)安全性分析

劉 錦

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

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鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)安全性分析

劉 錦

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

結(jié)合擬建通榆河大橋?qū)嵗\(yùn)用MIDAS/Civil 2006建立有限元模型，對橋梁各個(gè)施工節(jié)段進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算橋梁鋼桁架的受力，分析鋼桁架結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律，并針對其受力規(guī)律加固橋梁結(jié)構(gòu)。另外，對鋼桁架橋梁的穩(wěn)定性、桿件抗疲勞特性、節(jié)點(diǎn)板強(qiáng)度等進(jìn)行計(jì)算，確保橋梁在施工過程中的安全性。

鋼桁架；桿件應(yīng)力；穩(wěn)定性；抗疲勞特性；節(jié)點(diǎn)板

近年來，鋼材價(jià)格日益跌落，鋼結(jié)構(gòu)建筑迅猛發(fā)展。鋼桁架因其具有節(jié)點(diǎn)形式簡單、重量輕、剛度大、幾何特性好、抗壓和抗扭性能好、施工簡單、節(jié)省材料、有利于防銹與清潔維護(hù)、可應(yīng)用于跨度和載荷都較大的建筑等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到廣泛采用。

鋼桁梁橋主要承受由橋面?zhèn)鱽淼呢Q向和縱向荷載，并把荷載傳遞給主桁節(jié)點(diǎn)，鋼桁架每個(gè)桿件的破壞都可能導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞[1]。同時(shí)，鋼桁架結(jié)構(gòu)在使用過程中，若變形持續(xù)增長，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力喪失，從而發(fā)生失穩(wěn)破壞[2]。因此，為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，對這種主要承壓結(jié)構(gòu)建模并計(jì)算其桿件強(qiáng)度和剛度是非常必要的[3-4]，且橋梁建模計(jì)算也關(guān)系到工程的設(shè)計(jì)進(jìn)度和優(yōu)良程度[5-6]。

擬建通榆河大橋主橋采用鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，本文運(yùn)用MIDAS/Civil 2006有限元軟件對通榆河大橋進(jìn)行建模計(jì)算，研究主橋鋼桁架在施工和使用期間的力學(xué)性能，并對其穩(wěn)定性、桿件抗疲勞特性及節(jié)點(diǎn)板強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，以確保橋梁安全。

1 工程概況

擬建通榆河大橋位于江蘇省鹽城市濱海境內(nèi)，大致呈東西走向，跨越通榆河。該橋中心線與通榆河航道中心線正交，通榆河航道為3級，橋梁通航凈空為56.7 m×7 m。通榆河大橋跨徑組成為3×16 m+75 m+3×16 m，橋梁全長176.64 m。上部結(jié)構(gòu)主橋采用下承式鋼桁架，引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋面橫向布置為11.5 m行車道+2×0.5 m護(hù)欄，橋梁全寬12.5 m。距主橋橋墩10 m處有2個(gè)老橋橋墩，建橋時(shí)予以保留并將其作為防撞墩。

通榆河大橋平面位于直線上，路線縱坡為3.5%和-3.5%，橋面雙向橫坡為1.5%。主橋布置見圖1。

圖1 主橋布置示意

通榆河大橋主橋采用75 m下承式簡支鋼桁梁，主桁采用帶豎腹桿的三角形腹桿體系。主桁共分10節(jié)，節(jié)間長度7.4 m，弦桿平面為矩形，2片主桁的中心距為13.7 m，橋面寬度12.5 m。主桁布置見圖2。

圖2 主桁布置示意

主桁桿件主要包括上弦桿、下弦桿、端斜桿、斜腹桿、豎腹桿。各桿件均在工廠焊接成型，并在工地通過高強(qiáng)螺栓在節(jié)點(diǎn)處以節(jié)點(diǎn)板拼成整體。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 計(jì)算實(shí)例

本文采用MIDAS/Civil 2006有限元軟件對通榆河大橋主橋整體靜力進(jìn)行分析和計(jì)算，對主桁各桿件，橋面系鋼橫梁、鋼縱梁均采用空間梁單元進(jìn)行模擬，采用剛性節(jié)點(diǎn)對構(gòu)件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬。計(jì)算主要構(gòu)件受力時(shí)，采用剛性節(jié)點(diǎn)計(jì)算軸力。全橋共離散為601個(gè)單元，394個(gè)結(jié)點(diǎn)，總體計(jì)算模型見圖3。

圖3 主橋結(jié)構(gòu)離散圖

通榆河大橋施工階段的模擬共分為3個(gè)部分，施工流程如下：鋼桁梁安裝→吊裝混凝土預(yù)制橋面板，澆筑濕接頭→施加2期恒載，成橋。

2.2 荷載類型2.2.1 計(jì)算荷載

1) 恒載：1期恒載，鋼材容重78.5 kN/m3，各桁架桿件按實(shí)際斷面和重量輸入，兩縱梁間小橫梁按結(jié)構(gòu)重量等效為靜載施加在縱梁上；2期恒載，橋面板、防撞欄按實(shí)際重量計(jì)算值，加載在縱梁上。

2) 汽車活載：公路I級，雙向2～3車道加載。

3) 風(fēng)荷載：主桁上下端弦桿為0.52 kN/m，主桁豎腹桿、斜腹桿為0.32 kN/m。

2.2.2 荷載組合

在成橋階段分析時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即根據(jù)各種荷載重要性的不同和同時(shí)作用的可能性，荷載效應(yīng)按照基本組合考慮，取恒載、汽車活載、風(fēng)荷載最不利效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 桿件應(yīng)力計(jì)算

對通榆河大橋主桁各桿件進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，每個(gè)桿件都出現(xiàn)了較大應(yīng)力。通榆河大橋主桁桿件應(yīng)力分布見圖4。

圖4 通榆河大橋主桁桿件應(yīng)力分布

從圖4(a)、(c)中可以看出，上弦桿和端斜桿沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在端斜桿上，為-178.7 MPa。從圖4(b)、(d)中可以看出，下弦桿和邊斜桿沒有出現(xiàn)壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在邊斜桿上，為215.4 MPa。從圖4(e)中可以看出，中斜桿最大拉應(yīng)力為173.6 MPa，最大壓應(yīng)力為-144.7 MPa。從圖4(f)中可以看出，豎腹桿最大拉應(yīng)力為247.9 MPa，最大壓應(yīng)力為-141.2 MPa。

2.3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

通榆河大橋主桁高10 m，主跨75 m，高跨比為1/7.5，而鋼桁架結(jié)構(gòu)橋梁的高跨比通常為1/15.7～1/20.6，一般采用1/18左右[6-7]。由此可知，通榆河大橋高跨比偏大，且由圖4(a)、(c)、(e)可知，通榆河大橋上弦桿、端斜桿及中斜桿都承受了很大的壓應(yīng)力，處于受力不利狀態(tài)，因此，需對上述3種壓桿進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。依據(jù)JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，3種壓桿總穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

(1)

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Nd為軸心壓力設(shè)計(jì)值；N為計(jì)算軸向力；χ為軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定折減系數(shù)；Aeff,c為有效截面積；ey、ez分別為y、z軸的偏心距；Wy,eff、Wz,eff分別為有效截面相對于y、z軸的截面模量；fd為鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

上弦桿截面為一矩形，長0.64 m，寬0.6 m，具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖5。上弦桿壓桿面內(nèi)和面外穩(wěn)定承載力計(jì)算結(jié)果見表1。

圖5 上弦桿截面

上弦桿計(jì)算系數(shù)穩(wěn)定承載力計(jì)算結(jié)果面內(nèi)面外E/MPa210000210000N/MN9.87359.8735Aeff,c/m20.0710.071M/(MN·m)0.18080.0109I/m40.00420.004H/m0.640.6Wy,eff/m30.0131250.0133L/m7.47.4γ0σ168.0153.9fd200200穩(wěn)定性是否滿足要求滿足滿足

注：E為鋼材彈性模量；M為構(gòu)件截面計(jì)算彎矩；I為截面慣性距；H為截面高度；L為長度；σ為桿件應(yīng)力。

由表1數(shù)據(jù)可知，在承載能力極限狀態(tài)荷載組合下，γ0σ

同理，由計(jì)算可知，端斜桿和中斜桿的穩(wěn)定性也滿足規(guī)范要求。

2.3.3 桿件疲勞強(qiáng)度校核

由圖4(b)、(d)、(e)、(f)可知，下弦桿、邊斜桿、中斜桿、豎腹桿承受了很大的拉應(yīng)力，需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，故本文選用汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)對上述4種桿件進(jìn)行了校核，校核時(shí)考慮了次應(yīng)力作用。下桁桿件強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2數(shù)據(jù)可知，下弦桿的抗疲勞強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

表2 主桁-下弦桿疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

同理，由計(jì)算可知，邊斜桿、中斜桿、豎腹桿的抗疲勞強(qiáng)度也滿足規(guī)范要求。

2.3.4 A1節(jié)點(diǎn)板計(jì)算

在主桁節(jié)點(diǎn)處，腹桿、弦桿的內(nèi)力是通過節(jié)點(diǎn)板來平衡的。節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，既有壓應(yīng)力、拉應(yīng)力，還有剪應(yīng)力，且應(yīng)力分布極不均勻。本文選最不利節(jié)點(diǎn)A1進(jìn)行計(jì)算，板構(gòu)造及桿件基本組合軸力示意見圖6。

圖6 A1節(jié)點(diǎn)桿件軸力示意

1) 節(jié)點(diǎn)中心處節(jié)點(diǎn)板豎向截面上的法向應(yīng)力。

節(jié)點(diǎn)板a-a截面上、下緣法向應(yīng)力計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式中：γ0σ1、γ0σ2分別為截面上、下緣的法向應(yīng)力；Aj為構(gòu)件凈截面積；y1、y2分別為截面上、下緣距離重心軸的距離。

由式(2)、(3)可知，上、下緣法向應(yīng)力均小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，滿足規(guī)范要求。

2) 節(jié)點(diǎn)板剪應(yīng)力。

節(jié)點(diǎn)板b-b截面剪應(yīng)力計(jì)算公式為：

(4)

式中：γ0τ為截面剪應(yīng)力；Z為水平力；l為計(jì)算水平截面節(jié)點(diǎn)板長度；δ為節(jié)點(diǎn)板厚度。

由式(4)可知，節(jié)點(diǎn)板剪應(yīng)力小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，抗剪能力滿足規(guī)范要求。

3) 撕裂應(yīng)力計(jì)算。

受拉斜桿A1-E2承載能力計(jì)算公式為：

F=fdAj

(5)

式中：F為受拉斜桿A1-E2的承載能力。

查通用規(guī)范可知，受拉斜桿A1-E2的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值fd為200 MPa，抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度fvd為115 MPa。而通過測量A1節(jié)點(diǎn)板可知，凈截面積Aj為27 360 mm2，邊長L1-2(1-8)、L2-3、L3-4、L3-5(6-8)、L7-8分別為32、17.9、56.9、85.5和76.6 cm，栓孔直徑d為26 mm，節(jié)點(diǎn)板厚度δ為24 mm。因此，由公式(5)可知受拉斜桿A1-E2的承載能力F為5 472 MPa。A1節(jié)點(diǎn)板撕裂面有4個(gè)，分別記為A1、A2、A3、A4，下面分別對其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

A1截面的抗撕裂拉力為:F1=[fd×(L1-2-d)+fvd×(L6-8+L1-8+L2-3+L3-5-d)] ×δ=[200×(32-2.6)+115 ×(85.5+32+17.9+85.5-2.6)]=5 800 kN。

由計(jì)算可知，F(xiàn)1>F，撕裂面A1的抗撕裂能力大于受拉斜桿A1-E2的承載能力，A1面不會(huì)發(fā)生撕裂破壞。

同理，可計(jì)算出撕裂面A2、A3、A4的承載能力F2、F3和F4，其分別為6 368、5 852和6 362 kN，并由此可知，各撕裂面的抗撕裂能力均大于受拉斜桿A1-E2的承載能力，因此不會(huì)發(fā)生撕裂破壞。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

1) 從圖4可以看出，桿件的應(yīng)力分布在40～250 MPa之間，其中豎腹桿拉應(yīng)力最大，位于主橋距離支座7.4 m處，且拉桿拉力分布呈現(xiàn)由兩端向中間遞減的趨勢。按照J(rèn)TG D64—2015的要求，容許應(yīng)力值為243.5 MPa，而通榆河大橋豎腹桿的拉應(yīng)力為247.9 MPa，超過了允許值，其他桿件應(yīng)力均較小，均在應(yīng)力容許范圍內(nèi)。

2) 桿件的穩(wěn)定性、抗疲勞特性、節(jié)點(diǎn)板強(qiáng)度均滿足安全要求。

3 結(jié)論

本文對擬建通榆河大橋主橋鋼桁架桿件的應(yīng)力、穩(wěn)定性、抗疲勞特性及節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，并得出以下結(jié)論：

1) 該橋鋼架結(jié)構(gòu)破壞形式為桿件的受拉破壞，而不是失穩(wěn)破壞、疲勞破壞等其他破壞形式。

2) 橋梁的上弦桿、下弦桿、端斜桿、中斜桿、豎腹桿均受力較大，其中受力最大的豎腹桿拉應(yīng)力超出規(guī)范容許值，為安全起見，豎腹桿應(yīng)給與加固處理。

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Analysis to Structural Safety of Steel Truss Girder Bridge

LIU Jin

In this paper, we take the to-be-built Tongyu River Bridge as example and use MIDAS/Civil2006 to set up finite element model, to simulate all construction nodes of steel truss girder bridge. We calculated stress on steel truss girder and analyzed the rules of stress on steel truss girder structure, and reinforced bridge structure accordingly. Besides, we carried out calculation of stability of steel truss girder bridge, anti-fatigue characteristics of members, strength of gusset plates, to assure safety of bridge during construction.

Steel truss girder; member stress; stability; anti-fatigue characteristics; gusset plate

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.014

2016-05-28

劉 錦(1983-)，男，陜西省渭南縣人，碩士，助教。

1009-6477(2016)05-0056-05

U448.36

A