橋面板與鋼結(jié)構(gòu)連接方式對(duì)鋼桁架拱橋受力性能影響分析

阮 杰

（同濟(jì)大學(xué)，上海市200092）

1 概 述

采用中跨鋼桁架拱、邊跨鋼桁架梁的連續(xù)鋼桁架拱橋以其流暢優(yōu)美的造型，在一些橋梁方案比選時(shí)受到青睞。這類橋梁中鋼-混凝土組合橋面系結(jié)構(gòu)避免了混凝土橋面自重大、鋼橋面病害多的難題，成為很多工程的首選方案。出于行車舒適度的考慮，鋼桁架拱橋中組合橋面系一般全橋范圍內(nèi)連續(xù)布置。

連續(xù)鋼桁架拱橋通常為無推力的系桿拱橋，組合橋面系將參與抵抗拱肋水平推力。由于拱梁剛度比、邊中跨結(jié)構(gòu)形式不同于常規(guī)系桿拱橋，連續(xù)鋼桁架拱橋中的組合橋面系的受力情況需要深入研究。本文結(jié)合具體工程，研究混凝土橋面板與鋼主梁、鋼橫梁之間采用不同連接方式，對(duì)連續(xù)鋼桁架拱橋受力的影響[1-4]。

2 工程概況

上海市金山大橋采用30 m+120 m+30 m 下承式連續(xù)鋼桁架拱橋。橋面布置雙向六車道、兩側(cè)人行道及非機(jī)動(dòng)車道，采用分離式兩幅橋布置，橋?qū)?×18.25 m，見圖1、圖2。

主橋由兩片桁架和5 道風(fēng)撐組成，拱肋桁架豎直布置，在邊跨連接上弦桿和主梁，全橋呈密布N 型鋼桁架梁拱結(jié)構(gòu)形式。下弦桿采用二次拋物線，下弦矢高24 m，矢跨比為1∶5；上弦桿采用二次拋物線與圓曲線結(jié)合，中跨中間部分為二次拋物線，并以反向圓曲線延伸至邊跨。主跨布置13 對(duì)吊桿，間距8 m。

橋面板厚度280 mm，采用分塊預(yù)制、現(xiàn)澆濕接縫連接的方式與鋼結(jié)構(gòu)形成鋼- 混凝土組合橋面系。

圖1 橋梁立面布置圖（單位：m）

圖2 橋梁平面布置圖（左：1/2 風(fēng)撐；右：1/2 橋面系）（單位：m）

3 有限元模型

3.1 模型的建立

取單幅主橋進(jìn)行分析，全橋整體受力分析采用通用有限元軟件ANSYS 建模。用梁?jiǎn)卧狟EAM189模擬鋼桁架、系梁、橫梁、小縱梁、風(fēng)撐等，用殼單元SHELL63 模型混凝土橋面板，用桿單元LINK8 模擬吊桿等，混凝土與鋼結(jié)構(gòu)之間連接的剪力釘簡(jiǎn)化為剛性連接，用MPC184 單元模擬。模型順橋向?yàn)閄 軸、橫橋向?yàn)閅 軸，豎向?yàn)閆 軸；X 坐標(biāo)0 和180 對(duì)應(yīng)邊支點(diǎn)位置、X 坐標(biāo)30 和150 對(duì)應(yīng)中支點(diǎn)位置。

3.2 施工過程模擬與荷載組合

主橋采用先拱后梁的施工方案，即安裝鋼桁架拱肋并張拉臨時(shí)系桿、在分段安裝中跨系梁并合龍后拆除臨時(shí)系桿、最后安裝橋面板的方案。

有限元模型中通過單元“生死”模擬實(shí)際施工過程，鋼結(jié)構(gòu)安裝就位后施加混凝土橋面板荷載，此時(shí)橋面板恒載均作用于鋼結(jié)構(gòu)；橋面板與鋼結(jié)構(gòu)形成組合體系后再施加預(yù)應(yīng)力及二期恒載、活載等。

荷載主要研究一期恒載、二期恒載、汽車活載、整體升溫作用和局部升溫作用五種典型工況。

3.3 設(shè)計(jì)方案與模型

為研究混凝土橋面板與鋼結(jié)構(gòu)不同連接方式對(duì)全橋受力的影響，擬定了三種設(shè)計(jì)方案。

方案A：混凝土橋面板與鋼系梁、鋼橫梁、小縱梁組成的橋面格子梁均通過剪力釘連接，橋面板在橫橋向是連續(xù)滿布的。

方案B：混凝土橋面板僅鋼橫梁和小縱梁通過剪力釘連接，與鋼系梁不連接，橋面板在橫橋向僅布置在車道所需范圍內(nèi)，見圖3。

圖3 橋面板與鋼結(jié)構(gòu)連接方案B（單位：mm）

方案C：在方案B 的基礎(chǔ)上，將中支點(diǎn)附近的系梁上翼緣伸出一部分，作為端部加強(qiáng)的縱向板通過剪力釘與混凝土橋面加強(qiáng)連接，見圖4。

圖4 橋面板與鋼結(jié)構(gòu)連接方案C（圖示拱腳附近）（單位：mm）

4 混凝土與鋼梁連接方式對(duì)全橋的影響分析

4.1 鋼拱肋受力分析

一期恒載作用下，橋面板與系梁連接方式對(duì)于拱肋下弦桿受力幾乎沒有影響，下弦桿受力情況接近于常規(guī)單肢鋼箱拱橋拱肋全部受壓、跨中軸力小、支點(diǎn)軸力大的特點(diǎn)。方案B、方案C 下弦桿軸力幾乎一樣，分別比方案A 少7%和10%左右，是由于方案A 橋面板一期恒載重量更大造成的。二期恒載、汽車活載作用下，拱肋下弦桿軸力情況與一期恒載作用類似，三種連接方式影響不大，見圖5。

圖5 拱肋下弦桿在一期恒載作用時(shí)軸力圖

整體升溫作用和橋面板局部升溫作用時(shí)，下弦桿呈現(xiàn)跨中二分之一受壓、其余部分受拉的基本趨勢(shì)，三種連接方式中方案B、方案C 幾乎相同，且跨中和拱腳軸力均小于方案A，見圖6。

圖6 拱肋下弦桿在整體升溫作用時(shí)軸力圖

按作用基本組合考慮各項(xiàng)荷載綜合作用，連接方案B 和C 均能相比方案A 降低上弦桿跨中軸力約6.5%，見圖7。

圖7 拱肋下弦桿在基本組合下時(shí)軸力圖

各工況下三種連接方式對(duì)拱肋下弦桿的受力與上弦桿類似。

可以看出，三種連接方案均能使得橋面系承擔(dān)拱肋水平推力，恒載和汽車活載作用下鋼拱肋受力差別不大，但方案B 和方案C 相當(dāng)于降低了結(jié)構(gòu)整體剛度，可減小溫度作用下拱肋軸力，將優(yōu)于方案A。

4.2 鋼系梁受力分析

一期荷載均由鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因三種連接方案混凝土自重不同，鋼系梁軸力分布基本一致，僅數(shù)值略有不同。二期恒載由鋼-混凝土組合橋面系共同承擔(dān)，相對(duì)于方案A，方案B 和方案C 降低了中跨鋼系梁中跨跨中和中支點(diǎn)附近的內(nèi)力峰值；方案C 內(nèi)力數(shù)值介于方案A 和方案B 之間。汽車活載作用下鋼系梁的受力情況與二期恒載作用類似，見圖8。

圖8 梁在二期恒載作用時(shí)軸力圖

整體和局部升溫作用下，方案B 和方案C 對(duì)應(yīng)的鋼系梁內(nèi)力均小于方案A，且方案C 內(nèi)力數(shù)值介于方案A 和方案B 之間，見圖9。

圖9 系梁在整體升溫作用時(shí)軸力圖

按作用基本組合考慮各項(xiàng)荷載綜合作用，方案B 和方案C 均能降低系梁中跨跨中軸力約3.5%，中支點(diǎn)附近則是方案B 增加軸力約7%、方案C 增加軸力約12%。由于方案C 為連接橋面板將支點(diǎn)附近的系梁上翼緣加寬，系梁截面增加大后足以承擔(dān)增加的軸力，綜合來看基本組合下方案C 對(duì)系梁受力有利，見圖10。

圖10 系梁在基本組合下軸力圖

4.3 混凝土橋面板受力分析

橋面板從二期恒載開始參與受力，此時(shí)三種連接方案下橋面板均參與中跨系梁整體受拉及邊跨下弦桿局部受彎，且中跨拉應(yīng)力明顯大于邊跨部分。三種連接方案在中跨均為方案A 拉應(yīng)力最大、方案B 最小，方案C 居中，見圖11。

圖11 橋面板在二期恒載作用下順橋向正應(yīng)力圖

汽車活載、整體溫度作用時(shí)有與二期恒載作用類似規(guī)律。

局部升溫作用下，三種連接方式對(duì)應(yīng)的橋面板順橋向應(yīng)力在全橋大部分區(qū)域一致，方案A 在邊跨范圍內(nèi)比方案B 和方案C 對(duì)的順橋向應(yīng)力峰值大約20%，在中跨范圍內(nèi)比方案B 和方案C 對(duì)的順橋向應(yīng)力小約10%，見圖12。

圖12 橋面板在局部升溫作用下順橋向正應(yīng)力圖

按作用頻遇組合考慮各項(xiàng)荷載綜合作用，三種連接方案順橋向應(yīng)力略有區(qū)別，呈現(xiàn)方案B 和方案C 均小于方案A 的趨勢(shì)?？傮w而言，組合橋面板參與體系1 整體受力時(shí)頻率組合正應(yīng)力較小，中跨存在0.5～1.0 MPa 拉應(yīng)力，邊跨存在0.6 MPa以下壓應(yīng)力，正常使用狀況不至于開裂，橋面板主要受體系2 和體系3 局部受力控制設(shè)計(jì)，見圖13。

圖13 橋面板在頻遇組合下順橋向正應(yīng)力圖

5 不同連接方式對(duì)橋面板應(yīng)力分布的影響

對(duì)應(yīng)三種連接方案，選取汽車活載偏心布置的二分之一橋?qū)?，按?m 間距選取共9 個(gè)截面進(jìn)行橋面板順橋向應(yīng)力的橫橋向分布研究，其中截面1 是二分之一橋?qū)捥?，截? 是靠系梁處，截面2-8 依次從橋?qū)捴醒胂蛳盗簜?cè)。順橋向選取中支點(diǎn)、1/8 主跨、1/4 主跨、3/8 主跨和中跨跨中等五個(gè)關(guān)鍵部位，繪出每個(gè)部位對(duì)應(yīng)頻遇組合下三種連接方案的應(yīng)力橫橋向分布，見圖14～圖16。

可以看出，三種方案對(duì)橋面板應(yīng)力橫橋向分布影響不大，應(yīng)力分布規(guī)律和順橋向應(yīng)力均值基本一致，故混凝土橋面板即使不與鋼系梁直接連接，也能通過與橫梁、拱腳加勁連接將拱肋水平力有效地傳遞到混凝土橋面板全斷面，連接方案B 和連接方案C 在工程上是可行的。

圖16 連接方案C 時(shí)橋面板頻遇組合順橋向正應(yīng)力圖

6 結(jié) 論

本文對(duì)分析了連續(xù)鋼桁架拱橋中混凝土橋面板與縱橫梁均連接（方案A）、僅與橫梁連接（方案B）和大部分均與橫梁連接但在拱腳位置與系梁加強(qiáng)連接（方案C）等三種設(shè)計(jì)方案，對(duì)比分析在一期和二期恒載、汽車活載、整體和局部溫度作用下拱肋、系梁和橋面板的受力影響，得到以下結(jié)論：

（1）三種連接方式均能保證鋼- 混凝土橋面系有效參與連續(xù)鋼桁架拱橋整體受力，混凝土橋面板與鋼系梁不連接，也能通過與橫梁的連接將拱肋水平力有效地傳遞到橋面板全斷面。

（2）三種連接方式對(duì)恒載和汽車活載工況下全橋各部分受力影響不大，對(duì)整體溫度和橋面板局部溫度作用下，方案B 和方案C 能減小拱肋、系梁和橋面板內(nèi)力。

（3）連接方案B 和方案C 對(duì)于全橋的受力基本一致，方案C 能減少拱肋附近的應(yīng)力突變，在構(gòu)造上也不存在較大困難，是更優(yōu)的處理方式。