雙層鋼桁架橋梁關(guān)鍵技術(shù)研究

董浩、章晗

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

1 概述

鋼桁架結(jié)構(gòu)是由弦桿、腹桿組成的具有三角形單元的平面或空間結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)以承受軸力為主，通常跨中位置處的弦桿軸力大，支座位置處的腹桿軸力大。雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)，不僅繼承了常規(guī)桁架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，而且極大地提高了橋梁的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，因此越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員開(kāi)始采用雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)橋梁。

目前，只有少數(shù)學(xué)者對(duì)鋼桁架橋梁的力學(xué)性能進(jìn)行了研究：成浩嘉對(duì)雙層鋼桁架梁橋進(jìn)行了靜力模型試驗(yàn)研究；楊梓研究了腹桿傾角對(duì)雙層鋼桁架橋受力的影響；許一對(duì)橋面板與鋼桁架共同作用時(shí)的橋梁力學(xué)特性進(jìn)行了研究；甄玉杰對(duì)多跨雙層鋼桁架連續(xù)梁橋進(jìn)行了技術(shù)研究；岳云龍研究了鋼桁架跨河人行橋梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；袁安華研究了桁架人行天橋的受力特性；蘇祥亞研究了鋼桁架橋的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等。

本文對(duì)祝塘河大橋雙層鋼桁架橋梁的靜動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。祝塘河大橋?yàn)榭缍?0m 的雙層簡(jiǎn)支鋼桁架梁橋，橋面總寬34.65m，上層為8 車(chē)道公路，下層為4 車(chē)道公路+兩人行車(chē)道及兩非機(jī)動(dòng)車(chē)道。上下層均為正交異型鋼箱橋面。主桁采用兩片三角形桁架，主桁中心距34.9m，節(jié)間長(zhǎng)度10m。橋梁橫斷面采用兩片主桁的形式。

上、下弦桿均采用箱形截面，主桁腹桿采用箱形截面或H 形截面。主桁節(jié)點(diǎn)采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)外拼接。上弦桿高1.89m，內(nèi)寬1.0m，上弦桿上、下水平板的板厚為24mm、28mm，豎板厚為24mm、28mm；在桿件的豎板上設(shè)兩道板式加勁肋，上、下水平板各設(shè)一道板式加勁肋；節(jié)段間頂板采用焊接，腹板與底板均采用栓接。鋼桁架斷面、主桁各構(gòu)件截面編號(hào)及尺寸如圖1～圖3所示。

圖1 鋼桁架斷面圖（單位：cm）

圖2 鋼桁架立面圖（單位：mm）

圖3 桿件斷面圖(單位：mm)

2 有限元分析

采用有限元軟件Midas 對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)鋼桁架梁各桿件的布置、長(zhǎng)度等以及施工方案對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，應(yīng)用梁?jiǎn)卧?、板單元，建立全橋的空間模型。結(jié)構(gòu)有限元模型共2512 個(gè)節(jié)點(diǎn)，392 個(gè)梁?jiǎn)卧?900 個(gè)板單元，客觀真實(shí)地模擬了主橋各個(gè)部位的截面形狀。全橋計(jì)算分析時(shí)，嚴(yán)格按照施工階段進(jìn)行模擬，保證成橋后結(jié)構(gòu)受力的準(zhǔn)確性。有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

2.1 恒載

一期恒載包括桁架各桿件自重及橋面板自重，鋼材容重取78.5kN/m；二期恒載包括橋面鋪裝、護(hù)欄等荷載，混凝土橋面板容重取26kN/m。

2.2 活載

2.2.1 汽車(chē)荷載

設(shè)計(jì)荷載：公路-I 級(jí)，按照16 個(gè)車(chē)道進(jìn)行縱橫向布載。

2.2.2 汽車(chē)沖擊力

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.2 條,結(jié)構(gòu)主梁豎向彎曲振動(dòng)基頻為3.0Hz，相應(yīng)沖擊系數(shù)為0.178，汽車(chē)荷載的局部加載沖擊系數(shù)μ=0.3。

2.3 溫度荷載

橋梁整體升溫30C，橋梁整體降溫-30C；梯度溫度：采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.3.12 條梯度模型計(jì)算。

2.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果，得到雙層鋼桁架橋梁在基本組合作用下的靜動(dòng)力受力特性，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力包絡(luò)圖如圖5所示、活載變形圖如圖6所示、結(jié)構(gòu)振型圖如圖7所示。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖6 結(jié)構(gòu)活載變形圖（單位：mm）

圖7 結(jié)構(gòu)一階振型圖

由計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)在基本組合下的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均為186.8MPa，均位于支座附近的豎腹桿。上下弦桿的應(yīng)力范圍是99～112MPa，腹桿應(yīng)力在179～186.8MPa 之間。雙層鋼桁架橋梁在活載作用下的最大撓度為9.5mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的橋梁跨徑的1/500（180mm）。雙層鋼桁架橋梁的一階振型為結(jié)構(gòu)的豎向彎曲變形，與一般簡(jiǎn)支梁橋的振型基本一致。根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)的截面尺寸，計(jì)算得到截面特性（見(jiàn)表1）。

由表1可知，按常規(guī)尺寸設(shè)計(jì)的雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范要求。由于雙層鋼桁架結(jié)構(gòu)的腹桿應(yīng)力大于弦桿應(yīng)力，且腹桿長(zhǎng)細(xì)比遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，因此腹桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)將成為影響此類(lèi)結(jié)構(gòu)安全的控制性因素。

表1 桿件截面特性

3 參數(shù)分析

為了研究不同跨徑及不同主桁間距下，雙層簡(jiǎn)支鋼桁架橋梁靜動(dòng)力特性的差異，本文對(duì)跨徑60m、70m、80m、90m，主桁間距20m、25m、30m、35m 的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元參數(shù)分析，得到計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～表5，圖8～圖11。

表2 結(jié)構(gòu)最大軸力（不同主桁間距）

表5 結(jié)構(gòu)一階動(dòng)力特性（不同跨徑）

圖8 結(jié)構(gòu)最大軸力（不同主桁間距）

圖11 結(jié)構(gòu)自振頻率（不同跨徑）

由表2、表3、圖8、圖9可知，在常見(jiàn)跨徑和主桁間距下，簡(jiǎn)支雙層鋼桁架梁橋的腹桿軸力要大于弦桿軸力。隨著橋梁跨徑的增大，弦桿和腹桿的軸力增大，橋梁跨徑每增加10m，弦桿軸力增加約1100kN，腹桿軸力增加約1330kN；隨著主桁間距的增大，弦桿與腹桿的軸力也在增大，主桁間距每增加5m，腹桿軸力的增加約1100kN。雖然弦桿軸力的增加與主桁間距的增加之間未表現(xiàn)出線性規(guī)律，但是其增幅均在600kN以下。由表4、表5、圖10、圖11可知，隨著橋梁跨徑和主桁間距的增大，簡(jiǎn)支雙層鋼桁架橋梁的自振頻率逐漸減小，并且呈現(xiàn)出非線性減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殇撹旒芙Y(jié)構(gòu)的質(zhì)量與剛度比值的開(kāi)方隨跨徑和主桁間距的線性變化呈現(xiàn)非線性變化。

表3 結(jié)構(gòu)最大軸力（不同跨徑）

表4 結(jié)構(gòu)一階動(dòng)力特性（不同主桁間距）

圖9 結(jié)構(gòu)最大軸力（不同跨徑）

圖10 結(jié)構(gòu)自振頻率（不同主桁間距）

4 結(jié)論

本文以祝塘河大橋?yàn)楸尘埃榻B鋼桁架結(jié)構(gòu)的主要受力特點(diǎn)，通過(guò)有限元參數(shù)化分析，研究簡(jiǎn)支雙層鋼桁架橋梁的靜動(dòng)力性能，得到如下結(jié)論：第一，簡(jiǎn)支雙層鋼桁架橋梁，腹桿軸力大于弦桿軸力，由于腹桿長(zhǎng)細(xì)比較小，因此影響該橋梁結(jié)構(gòu)安全的控制性因素為腹桿的強(qiáng)度設(shè)計(jì)；第二，簡(jiǎn)支雙層鋼桁架橋梁，弦桿軸力與腹桿軸力隨橋梁跨徑和主桁間距的增大而增大，增大趨勢(shì)基本表現(xiàn)為線性增加；第三，簡(jiǎn)支雙層鋼桁架橋梁，一階振型為豎向彎曲，自振頻率隨跨徑和主桁間距的線性變化呈現(xiàn)非線性變化。