反向芬克式桁架橋力學(xué)性能研究

尤子菻，張 姚

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中國聯(lián)合工程有限公司，浙江杭州 310052)

反向芬克式桁架橋是一種造型獨(dú)特、簡潔輕巧的人行橋梁，其采用新型結(jié)構(gòu)形式以及新的材料，橋梁結(jié)構(gòu)具有跨度大、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，在國外已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用[1]。隨著我國城市化建設(shè)的加速進(jìn)行，人行天橋的需求日益增加，反向芬克式桁架橋具有廣泛的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)外對反向芬克式桁架橋的研究僅僅集中在工程應(yīng)用方面[2]，從力學(xué)角度方面對此種橋梁的研究尚少?；诖?，本文首先對反向芬克式桁架橋進(jìn)行簡單介紹，分析其受力機(jī)理；其次，選用計(jì)算分析軟件對結(jié)構(gòu)的剛度影響因素進(jìn)行探討；最后，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性因素作出探討，為反向芬克式桁架橋的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 反向芬克式桁架結(jié)構(gòu)體系

1.1 體系組成

反向芬克式桁架橋(InvertedFinkTruss)主要由橋面板、主梁、撐桿、傳力索、次錨索、端錨索以及橋塔等組成。反向芬克式桁架橋主要通過拉桿或拉索對橋面施加預(yù)張力使橋面保持穩(wěn)定，拉桿或拉索可位于橋面頂部或底部(圖1)。反向芬克式桁架的靈感來源于美國工程師阿爾伯特·芬克(AlbertFink)[3]，拉索以及拉桿采用超高強(qiáng)度鋼材，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)。整座橋梁結(jié)構(gòu)輕巧，穩(wěn)定性好，極具現(xiàn)代氣息，將力與美完好地融合在了一起。

圖1 結(jié)構(gòu)示意

1.2 傳力機(jī)理

反向芬克式桁架的傳力機(jī)理為：橋面板作為荷載施加面，人行荷載以及橋梁的自重直接施加于橋面板上，通過橋面板傳遞給主梁。再通過拉索或者拉桿等傳力索將主梁上的力傳遞到撐桿上，水平方向不平衡的索力由主梁平衡[4]，最后由次錨索將撐桿上的力傳遞到橋塔上。橋塔作為最終的受力構(gòu)件將力傳遞到地面。結(jié)構(gòu)整體傳力機(jī)理如圖2所示。

圖2 反向芬克式桁架荷載傳遞示意

與傳統(tǒng)芬克式桁架的受力機(jī)理不同，反向芬克式桁架橋主要通過拉索的張拉預(yù)應(yīng)力進(jìn)行荷載傳遞，而傳統(tǒng)芬克式桁架則是通過外部預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。這種通過自身內(nèi)部張拉，使結(jié)構(gòu)整體處于緊繃狀態(tài)，充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)的性能，在采用少量材料的基礎(chǔ)上使結(jié)構(gòu)能夠承受更大的作用力。

2 結(jié)構(gòu)剛度分析

結(jié)構(gòu)剛度是橋梁滿足正常使用要求的重要影響因素，結(jié)構(gòu)剛度越大，行人的心里接受程度越高。對于反向芬克式桁架橋，本文主要從拉索的受力面積以及撐桿的高度與數(shù)量兩方面討論對結(jié)構(gòu)剛度的影響。

2.1 計(jì)算模型

本研究使用奧地利TDV公司開發(fā)的橋梁計(jì)算軟件RMBridge對其進(jìn)行靜動力計(jì)算分析，本章對單榀反向芬克式桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析，結(jié)構(gòu)布置圖如圖3所示。跨徑布置為12m，塔高10m。主梁采用熱軋工字梁，其型號參數(shù)為440×320×30，橋塔和撐桿為鋼管截面，其型號參數(shù)為D700×30、D610×30，拉索、主梁、橋塔與撐桿均選用材料為Q345的鋼材。

圖3 結(jié)構(gòu)布置(單位：cm)

對橋面板荷載的施加主要由成橋階段與運(yùn)營階段兩部分組成。成橋階段主要為橋梁的恒載(橋梁自重+拉索出式預(yù)應(yīng)力+施工荷載)；運(yùn)營階段包括去除施工荷載的恒載和活載，活載考慮人群荷載最不利布置，荷載值為7kN/m。計(jì)算過程中不考慮風(fēng)荷載、地震作用以及沖擊荷載等因素對結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 拉索面積對結(jié)構(gòu)剛度的影響

反向芬克式桁架的主要受力構(gòu)件為拉索，拉索是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。因此，控制其他因素保持不變的情況下，改變拉索直徑，使拉索截面面積分別為544mm2、725mm2、907mm2、1 088mm2、1 270mm2、1 451mm2。按上文荷載加載方式對橋面板施加均布荷載，計(jì)算不同拉索面積下橋面板的最大撓度，得到表1。

表1 不同拉索面積下的主梁最大撓度

由表1可知，隨著拉索面積的增加，橋梁中的跨中最大撓度相應(yīng)減小。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，與拉索面積為544mm2相比，拉索面積為1 088mm2時的跨中撓度相應(yīng)減小了45.6 %；拉索面積為1 270mm2時的跨中撓度相應(yīng)減小了12.5 %。但是，跨中最大撓度并不是隨著面積的增加而無限減小，當(dāng)拉索面積大于1 400m2后，撓度降低幅度明顯減小。因此，拉索面積應(yīng)當(dāng)控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，才能更大發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益以及結(jié)構(gòu)安全性。

2.3 拉索位置對結(jié)構(gòu)剛度的影響

由于其獨(dú)特的傳力途徑，不同位置的拉索承擔(dān)的拉力不盡相同。為尋找最合理經(jīng)濟(jì)以及安全可靠的設(shè)計(jì)，需根據(jù)受力的不同布置各拉索處的截面面積。每根拉索的編號如圖3所示，由結(jié)構(gòu)的對稱性，單獨(dú)改變每根拉索的面積，保證其他拉索面積不變，計(jì)算反向芬克式桁架橋的最大撓度，得到表2以及圖4。

表2 不同位置拉索面積改變對主梁最大撓度 cm

圖4 主梁最大撓度隨不同位置拉索面積的變化

從圖4可知，靠近跨中的拉索5#和6#面積的增加對橋梁的跨中最大撓度減小有顯著影響，其次為1#拉索和2#拉索，而3#拉索和4#拉索對撓度的減小影響不大。結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)可知，5#拉索和6#拉索面積從544mm2增加到1 995mm2時，梁跨中最大撓度相應(yīng)減小22.11 %和23.43 %。因此，在成本控制的情況下，宜優(yōu)先保證5#拉索和6#拉索的面積，保證材料的性能得到充分發(fā)揮。

2.4 初始索力對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

張拉索、受壓桿、下弦梁共同組成反向式芬克桁架橋的上部結(jié)構(gòu)。其整體剛度通過施加預(yù)應(yīng)力得以產(chǎn)生?；诖藭a(chǎn)生比較明顯的穩(wěn)定問題，結(jié)構(gòu)偏柔性。經(jīng)分析反向式芬克桁架橋失穩(wěn)主要為平衡分叉(第一類失穩(wěn))和極值點(diǎn)失穩(wěn)(第二類失穩(wěn))。本文設(shè)置初始索力為200kN、240kN、320kN、440kN以及520kN，計(jì)算橋梁在不同索力、不同模態(tài)下的穩(wěn)定性系數(shù)(表3)，其給出了不同初始索力下運(yùn)營階段穩(wěn)定系數(shù)。

表3 不同初始索力下運(yùn)營階段穩(wěn)定系數(shù) cm

從表3可以得出，隨著初始索力的增大，穩(wěn)定系數(shù)均有不同程度下降。對比初始索力在200kN和520kN可知，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)下降超過50 %。由此可得：對于整體剛度，初始索力提供了重要支撐，是形成反向芬克式結(jié)構(gòu)的必要且重要的條件。但當(dāng)壓桿和主梁承受較大軸力后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性將不足，故須根據(jù)工程情況調(diào)整初始索力，使橋梁處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)反向芬克式桁架橋主要通過拉桿或拉索施加預(yù)應(yīng)力來承擔(dān)橋梁荷載，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)美觀、跨度大等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

(2)橋梁跨中極限位移隨著拉索面積的增加而減小，但并不是無限減小，考慮經(jīng)濟(jì)效益，拉索面積應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。

(3)靠近跨中的拉索面積對撓度的影響更大，在固定材料使用情況下，宜優(yōu)先增大跨中拉索面積，保證材料性能的最大化利用。

(4)初始索力對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重大影響，初始索力越大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越低，壓桿以及主梁承受更大的軸力，需控制初始索力在合理的范圍內(nèi)。