百歲溪大橋桁架受力分析

苗永慧，邢 煜

（1. 中交第二勘察設計研究院有限公司，南京 210037;2. 蘇交科集團股份有限公司，南京 210019）

預應力混凝土斜拉桁架橋是近年來發(fā)展迅速的一種新興橋型，它由連續(xù)梁橋演變而來，具有自重輕、剛度大、受力明確以及材料利用率高等優(yōu)點[1]。斜拉桁架橋結構美觀大方，符合橋梁美學的要求，且跨越能力強，在200 m左右的主跨范圍內，其結構受力較混凝土連續(xù)梁橋有較大優(yōu)勢，養(yǎng)護及經濟性又較斜拉橋更優(yōu)。

預應力混凝土斜拉桁架橋結構受力特性綜合了斜拉橋與連續(xù)梁橋的受力特點，將主梁內力分解為3根桿件產生的軸向力及軸向力所產生的綜合彎矩。桁架上弦桿為受拉構件；下弦桿除邊跨局部受拉外，其余以受壓為主；腹桿分為拉腹桿及壓腹桿。其中，受拉桿件配置預應力束、受壓桿件選用鋼筋混凝土、綜合彎矩由桁架結構構成的大剛度“名義截面”來抵抗軸向拉力[2-3]，充分利用了材料的受力特性。

1 工程概況

百歲溪大橋位于宜昌市夷陵區(qū)，跨越太平鎮(zhèn)河流百歲溪，主橋采用95.6 m+176 m+95.6 m斜拉下承式桁架結構，其中上弦桿、下弦桿以及拉腹桿為預應力混凝土結構，壓腹桿為鋼筋混凝土結構。橋面寬度為：凈9 m（行車道）+2×1.15 m（桁架結構）+2×0.75 m（檢修道）+2×0.25 m（欄桿），如圖1所示。

圖1 百歲溪大橋橋型布置圖

2 百歲溪大橋桁架受力特性分析

2.1 空間模型建立

采用有限元分析軟件Midas建立全橋空間模型，如圖2所示，其中主梁、橫梁、桁架、V形墩以及墩柱均選用梁單元，全橋共1 504個節(jié)點，1 720個單元。橋墩承臺處固結，橋臺處按盆式支座實際約束設置。

2.2 桁架計算結果

桁架結構以橋梁跨徑中心線對稱布置，圖3為百歲溪大橋半片桁架中桿件編號及節(jié)點位置示意圖。

圖2 百歲溪大橋全橋空間模型圖

圖3 桿件編號與節(jié)點位置

（1）下弦桿

圖4為下弦桿各種荷載下應力分布曲線圖。由圖4可知，百歲溪大橋下弦桿在自重及二期恒載作用下，邊跨支點位置和中跨跨中位置均出現(xiàn)拉應力，而對下弦桿局部張拉預應力鋼束后，下弦桿在標準組合下，均處于受壓狀態(tài)。

圖4 下弦桿各種荷載下應力分布曲線圖

表1為下弦桿在組合1由軸力和彎矩產生的應力值。由表1數據分析可知，下弦桿在某一指定工況作用下，桿件應力組成以軸向應力為主，且越靠近主墩位置，軸力與彎矩產生的應力比值越小。

表1 下弦桿在組合1由軸力和彎矩產生的應力值 MPa

（2）上弦桿

圖5為上弦桿各種荷載下應力分布曲線。由圖5可知，百歲溪大橋上弦桿在自重及二期恒載作用下，除邊跨支點位置局部受壓外，整體以拉應力為主，因此，上弦桿均應根據受力配置預應力鋼絞線。

圖5 上弦桿各種荷載下應力分布曲線圖

表2為上弦桿在組合1由軸力和彎矩產生的應力值。由表2數據分析可知，上弦桿在某一指定工況作用下，桿件應力組成以軸向拉應力為主，且越靠近主墩位置，軸力與彎矩產生的應力比值越小。

表2 上弦桿在組合1由軸力和彎矩產生的應力值 MPa

（3）腹桿

圖6為腹桿各種荷載下應力分布曲線。由圖6可知，百歲溪大橋腹桿在自重及二期恒載作用下，相鄰腹桿交替出現(xiàn)拉壓應力，驗證了斜拉桁架橋桁架的受力特性。對拉腹桿中設置預應力鋼束后，腹桿應力均為壓應力。

圖6 腹桿各種荷載下應力分布曲線圖

表3為腹桿在組合1由軸力和彎矩產生的應力值，由表3數據分析可知，與上下弦桿應力組成規(guī)律類似，腹桿在某一指定工況作用下，桿件應力組成以軸向拉應力為主，且越靠近主墩位置，軸力與彎矩產生的應力越小。

（4）桁架位移

因上弦桿與下弦桿在節(jié)點位移上基本相同，只是量值大小不同，故對撓度的分析以下弦桿與腹桿相交的節(jié)點為例，如表4所示。

表3 腹桿在組合1由軸力和彎矩產生的應力值 MPa

表4 節(jié)點在各種荷載作用下的DZ位移值 mm

結構產生豎向位移主要原因是自重和預應力，邊跨豎向位移比中跨小。

3 結論

本文通過對百歲溪大橋這一工程實例的深入分析，對斜拉桁架橋桁架結構的特性有了一定的了解和研究，綜上，得到如下幾點結論：

（1）百歲溪大橋的計算結果驗證了斜拉桁架橋的桁架結構原理：上弦桿受拉，下弦桿受壓，指向桁架頂的為拉腹桿，反之為壓腹桿，且所有桿件主要由軸向受力控制，彎矩影響相對較小。

（2）隨著桿件位置靠近主墩墩頂位置，所有桿件中應力值的絕對值都在不斷變大，而彎矩產生的應力占荷載組合應力的比例也隨著桁架組合的“名義截面”增大而逐漸減小。

（3）斜拉桁架橋結構在滿足橋梁功能的同時，兼具美觀、經濟性優(yōu)等優(yōu)點，但本文將桁架連接處理想化為鉸接點，未計入節(jié)點剛域效應對桁架應力的影響，下一步將會對此課題做細化研究。

參考文獻

[1]金文成，黃古劍.斜拉桁架體系橋梁的結構前景和應用前景[J].華東公路，2005（5）：58-60.

[2]張永健，黃平明.斜拉式桁架橋仿真分析[J].長安大學學報（自然科學版），2007（2）：42-45.

[3]尼穎升，李金凱.預應力混凝土斜拉桁架橋結構特征分析[J].城市道路與防洪，2010（12）：53-56.