敞開式鋼管—混凝土桁架組合梁橋設(shè)計

吳 貴 賢

(甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

敞開式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種由組合結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，具有較大的橫向抗彎剛度和抗扭剛度，為減輕橋梁的自重，提高結(jié)構(gòu)的跨越能力，同時滿足結(jié)構(gòu)的使用性能，用桁架結(jié)構(gòu)代替組合結(jié)構(gòu)，不僅增大結(jié)構(gòu)的剛度，同時提高橋梁建筑面積的利用率。

甘肅在建某二級公路跨越國家級文物保護(hù)明長城，在滿足文物部門相關(guān)要求的前提下，盡量降低路基高度，以較少占地及引道路基填方工程量、節(jié)約工程造價，對跨長城部分采用單跨70 m敞開式鋼管—混凝土桁架組合梁橋跨越。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計與大多數(shù)鋼桁架橋設(shè)計相比較具有以下優(yōu)點：1)不設(shè)置豎桿，上弦桿之間不設(shè)置橫向聯(lián)結(jié)系；2)節(jié)約成本，降低造價；3)減輕自重，有效改善各構(gòu)件的受力，提高該橋總體受力性能；4)不設(shè)橫向聯(lián)結(jié)系能開闊視野，提高行車舒適度。

采用橋梁專業(yè)工程軟件MIDAS/CIVIL建立有限元模型，全橋建立共392個節(jié)點和599個單元，上弦桿采用組合截面里的鋼管形—混凝土截面模擬，下弦桿采用組合截面里的鋼箱形—混凝土截面模擬，端部腹桿和中部腹桿采用管型截面模擬，有限元模型如圖1所示。

1 橋梁方案簡介

主橋上部為鋼桁梁與預(yù)制混凝土橋面板的組合結(jié)構(gòu)，主桁架采用華倫式三角形腹桿體系，上弦桿為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，腹桿為鋼管結(jié)構(gòu)，下弦桿為矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；橋面系由端橫梁、中橫梁及預(yù)制橋面板組成。

主桁桁高5 m，上弦桿鋼管外徑1 m，根據(jù)受力特點，在距上弦桿端部15.5 m處進(jìn)行變截面設(shè)計，保持鋼管外徑不變，進(jìn)行壁厚的變化設(shè)計，端部壁厚18 mm，中部壁厚24 mm；下弦桿為正方形鋼管混凝土，邊長900 mm，變截面設(shè)計與上弦桿同理，變截面位置距端部21.5 m處，端部壁厚26 mm，中部30 mm；腹桿采用焊接鋼管，根據(jù)受力特點，端部腹桿采用φ700×22 mm，其余采用φ630×20 mm。

橋型布置圖如圖2，圖3所示。

2 桁架承載力分析

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)及橋梁相關(guān)規(guī)范對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和橫梁進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗算。

表1 上弦桿承載力計算結(jié)果表 kN

表2 下弦桿承載力計算結(jié)果表

上下弦桿均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)計算結(jié)果，腹桿采用Q390E鋼管，在正常使用極限狀態(tài)下，端部腹桿F1最大壓應(yīng)力為-237.2 MPa，其余腹桿最大壓應(yīng)力為178.4 MPa，腹桿最大拉應(yīng)力為199.1 MPa，均小于鋼材強度應(yīng)力設(shè)計值290 MPa，滿足要求。

3 橫梁及橋面板承載力驗算

承載能力極限狀態(tài)采用基本組合，基本組合=1.1×(1.2恒載+1.4×汽車荷載(計沖擊系數(shù))+0.75×1.4溫度荷載)。正常使用極限狀態(tài)采用頻遇作用組合、準(zhǔn)永久作用組合，頻遇組合=恒載+0.7汽車荷載(不計沖擊系數(shù))+0.8溫度荷載，準(zhǔn)永久組合=恒載+0.4×汽車荷載(不計沖擊系數(shù))+0.8溫度荷載。運用MIDAS/CIVIL建立有限元模型計算得到橫梁和橋面板在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的受力，應(yīng)力包絡(luò)如圖4～圖6所示。

由應(yīng)力圖可見，鋼梁上緣壓應(yīng)力最大182.9 MPa，小于fd=295 MPa(Q390鋼)，下緣拉應(yīng)力最大250.2 MPa，小于fd=280 MPa(Q390鋼)；混凝土上緣壓應(yīng)力最大18.3 MPa，小于C50混凝土fcd=22.4 MPa，最大拉應(yīng)力1.5 MPa；下緣最大壓應(yīng)力0.8 MPa，最大拉應(yīng)力2.7 MPa，結(jié)果均在材料設(shè)計強度范圍之內(nèi)，滿足要求。

4 抗剪承載力和剛度驗算

組合梁截面的剪力全部由鋼梁腹板承擔(dān)，不考慮混凝土板的抗剪作用。

由圖7可知，基本效應(yīng)組合最大剪力值γ0V=1 440.74 kN。抗剪承載力Vu=fvd×Aw=1 683 kN>γ0Vd，滿足規(guī)范要求。取撓度長期增長系數(shù)ηθ=1.425，由圖8可知，汽車車道頻遇值撓度并考慮荷載長期效應(yīng)影響為1.425×9.8=14 mm

5 平面桁架穩(wěn)定性分析

平面桁架穩(wěn)定是此類橋梁主要的控制因素，國內(nèi)有關(guān)專家對敞開式桁架梁橋的穩(wěn)定分析已有大量的研究成果；李國豪教授等編著的《橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動》一書中提出了近似的計算方法。

經(jīng)計算，該橋的半框架彈性常數(shù)大于保證穩(wěn)定所需的最小值，半框架穩(wěn)定滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

經(jīng)有限元MIDAS模型計算，平面桁架穩(wěn)定性分析前5階模態(tài)如圖9～圖13所示。

表3 穩(wěn)定性分析結(jié)果表

階數(shù)穩(wěn)定安全系數(shù)施工階段拆除臨時支撐時成橋階段117.6614.27217.7914.34317.8115.79417.9715.90525.4220.79

從表3可以看出，該桁架梁橋屈曲安全系數(shù)均大于4，滿足要求。

根據(jù)對該桁架組合梁橋自振的計算分析，可以得出以下結(jié)論：

1)進(jìn)行穩(wěn)定性分析敞開式鋼管—混凝土桁架組合梁橋的振動模態(tài)中包括橫向振動、縱向振動、豎向振動、扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。

2)模態(tài)分析結(jié)果表明各階頻率的相對差值小，橋梁的振動頻率出現(xiàn)集聚現(xiàn)象。

3)該類橋梁結(jié)構(gòu)的振型為橫向振動和縱向振動，振動時先橫向后縱向表明橫向剛度小于其他方向的剛度，三階為整體扭轉(zhuǎn)，表明桁架梁的扭轉(zhuǎn)剛度大于縱向剛度，四階為豎向振動，表明豎向剛度大于扭轉(zhuǎn)剛度，根據(jù)振型的前后順序，該類橋梁的抗震穩(wěn)定性較差，設(shè)計中應(yīng)當(dāng)重點考慮穩(wěn)定性分析。

6 結(jié)語

通過本文的研究，得出以下結(jié)論：

1)對該類橋梁在不同荷載工況下的分析，通過上部桁架部分的計算可知：桁架下弦桿主要承受軸向拉力、剪力和彎矩的作用，其中跨中彎矩和拉力最大，在實際計算時，重點應(yīng)考慮鋼管混凝土的套箍效應(yīng)。

2)通過對全橋穩(wěn)定性分析可知：敞開式桁架梁橋橫橋向穩(wěn)定性較差，在設(shè)計中需增大上弦桿的截面剛度，使橋梁在成橋階段穩(wěn)定系數(shù)均大于4；由于該橋跨徑較大，通過采取增大上弦桿及腹桿直徑滿足其穩(wěn)定性要求，同時設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格控制橋梁高跨比和寬跨比，防止該類橋梁的橫向失穩(wěn)。

由于本橋橋面建筑高度低，采用的結(jié)構(gòu)形式簡單、新穎，且目前在該地區(qū)公路上幾乎無相關(guān)類型的橋梁，因此，對該橋梁結(jié)構(gòu)從剛節(jié)點的受力與構(gòu)造、抗震性能研究、整體性能力學(xué)特征分析等方面還需做相關(guān)的研究論證，為其今后的成熟應(yīng)用提供相應(yīng)的技術(shù)支撐。