平行弦桁架式人行鋼引橋主桁架布置形式探討★

唐 潔，羅勝平，周樂序，吳 嫻，唐 蔚

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410219)

0 引言

人行鋼引橋制作及施工安裝較為便利,在道路、景區(qū)、廠區(qū)、碼頭、船閘等地方應(yīng)用較多[1]。目前使用較多的人行鋼引橋長(zhǎng)度24 m～60 m,其中長(zhǎng)度30 m～36 m居多,高度3 m～4.5 m,寬度2.5 m～4.5 m。人行鋼引橋一般由主桁架、上平聯(lián)、下平聯(lián)及花紋鋼板等部分焊接形成,小跨度人行鋼引橋可不設(shè)上平聯(lián)。主桁架是整個(gè)鋼引橋的主要受力部分,在人行鋼引橋設(shè)計(jì)時(shí),主桁架往往成為設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn),而主桁架布置形式的選擇為主桁架設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和在用的人行鋼引橋,主桁架布置形式種類較多,形式各異,設(shè)計(jì)人員面對(duì)眾多的主桁架布置形式,可能無法高效的確定出最佳的主桁架布置形式。本文旨在通過Civil Midas建模計(jì)算多種不同的人行鋼引橋主桁架布置形式,探討分析不同主桁架布置形式的差異,為人行鋼引橋設(shè)計(jì)人員確定出最佳的主桁架布置形式提供參考依據(jù)。

1 模型介紹

1.1 鋼引橋主桁架

主桁架由上弦桿、下弦桿、端斜桿、斜腹桿及豎腹桿等構(gòu)件組成,主桁架構(gòu)件一般采用型鋼。弦桿一般采用單根型鋼或不超過3段的型鋼拼接而成,斜桿或腹桿一般采用單根型鋼。主桁架一般由弦桿與斜桿及腹桿通過節(jié)點(diǎn)板焊接形成。根據(jù)JTS 167—2018碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]要求,對(duì)于平行弦桁架鋼引橋的高跨比宜為1/8～1/15,橫向剛度要求橋?qū)挷粦?yīng)小于跨度的1/20。本文以36 m×3.2 m×3.2 m(長(zhǎng)×寬×高)人行鋼引橋?yàn)槔M(jìn)行分析計(jì)算。借鑒以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及運(yùn)用案例,平行弦桁架式鋼引橋主桁架布置形式常見的有以下五種,見圖1。

1.2 計(jì)算模型

針對(duì)36 m×3.2 m×3.2 m人行鋼引橋主桁架,計(jì)算可采用Civil Midas(2019年版)建立二維平行弦桁架結(jié)構(gòu)模型,上、下弦桿視為梁?jiǎn)卧?端斜桿、斜腹桿及豎腹桿視為桁架單元(僅受軸向拉力與壓力)。主桁架構(gòu)件型鋼選型見表1。上、下弦桿采用方鋼,斜桿及腹桿采用矩形鋼,表中構(gòu)件型號(hào)均取自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6728—2017結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼[3]。

表1 主桁架構(gòu)件型號(hào)匯總表

根據(jù)主桁架構(gòu)件選型,對(duì)五種主桁架布置形式進(jìn)行建模,弦桿與斜桿及腹桿之間通過節(jié)點(diǎn)板焊接連接,建模可假定為固結(jié),主桁架與下方支承結(jié)構(gòu)之間為鉸接。圖2僅示意Ⅰ類主桁架布置形式,其他四種主桁架布置形式采用類似步驟進(jìn)行建模。

人行鋼引橋主要承受豎向荷載為主,包括自重、人群荷載、雪荷載等。根據(jù)JTS 144-1—2020港口工程荷載規(guī)范[4],橋面人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值可取3 kPa,雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值可取0.7 kPa。人行鋼引橋一般不設(shè)封閉圍護(hù)結(jié)構(gòu),橫向風(fēng)載可忽略不計(jì)。荷載施加方式包括人群荷載為均布荷載,自重和雪荷載為節(jié)點(diǎn)荷載。各荷載的分項(xiàng)系數(shù)見表2。

表2 荷載作用分項(xiàng)系數(shù)

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼引橋計(jì)算工況分承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)工況下主要分析構(gòu)件應(yīng)力,正常使用極限狀態(tài)下主要分析主桁架撓度。

2.1 構(gòu)件應(yīng)力

圖3給出Ⅰ類主桁架構(gòu)件的應(yīng)力分布圖。根據(jù)圖3中上、下弦桿應(yīng)力分布可知,上弦桿受壓,下弦桿受拉,且弦桿應(yīng)力從主桁架兩端向中間增大。端斜桿受壓,腹桿應(yīng)力分布與弦桿應(yīng)力分布相反,從主桁架兩端向中間減小。由于施加的荷載呈對(duì)稱分布,圖3中的應(yīng)力分布也為對(duì)稱分布。其他四類主桁架構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律與Ⅰ類主桁架構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律一致。

表3給出了承載能力極限狀態(tài)下五種布置形式的主桁架構(gòu)件最大應(yīng)力,均滿足規(guī)范要求。表3中各構(gòu)件應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比表明,上弦桿承受壓力,其中第Ⅴ類主桁架中上弦桿受力最大,第Ⅲ類主桁架中上弦桿受力最小,二者相差約5.4%。下弦桿承受拉力,其中第Ⅴ類主桁架中下弦桿受力最大,其他四類主桁架中下弦桿受力幾乎接近,相差不超過3%;但五種主桁架下弦桿受力最大值與最小值相差約48.2%?？紤]到第Ⅴ類主桁架布置形式中不設(shè)豎腹桿,但下平聯(lián)均一致,在同樣的荷載受力情況下,下弦桿所受彎矩最大,因而應(yīng)力最大。

表3 主桁架構(gòu)件最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì) MPa

端斜桿承受壓力,第Ⅴ類主桁架中端斜桿中應(yīng)力最小,其他四類端斜桿應(yīng)力一致。而隨著主桁架腹桿布置形式變化,斜腹桿及豎腹桿受力狀態(tài)也相應(yīng)變化,總體來看,第Ⅴ類主桁架的斜腹桿應(yīng)力絕對(duì)值最大,其他四類主桁架的斜腹桿應(yīng)力幾乎一致。對(duì)于豎腹桿,第Ⅳ類主桁架的豎腹桿應(yīng)力最小,第Ⅰ類主桁架和第Ⅲ類主桁架的豎腹桿應(yīng)力接近。

2.2 主桁架撓度

圖4為第Ⅰ類主桁架在正常使用極限狀態(tài)下的撓度分布(Z方向)。圖中數(shù)據(jù)表明,主桁架兩端撓度小,跨中撓度大,其中Ⅰ類主桁架跨中撓度wmax=35.77 mm,小于JTS 152—2012水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]“第3.3.1款”要求的L/700=36 000/700=51.43 mm。其他四類主桁架的撓度分布規(guī)律與Ⅰ類主桁架的撓度分布規(guī)律一致。

表4列出正常使用極限狀態(tài)下五種布置形式的主桁架最大撓度,均滿足規(guī)范要求。從表4可知,第Ⅰ類主桁架的撓度最大,第Ⅳ類主桁架的撓度最小,兩者相差約5.89%,但五類主桁架最大撓度總體上相差不大。

表4 主桁架最大撓度統(tǒng)計(jì) mm

3 結(jié)論

本文以平行弦桁架式人行鋼引橋?yàn)槔?通過Civil Midas建模計(jì)算分析了五類不同的主桁架布置形式的構(gòu)件應(yīng)力及撓度,在同等構(gòu)件截面尺寸和承受同樣的荷載工況一致的前提下,分析相應(yīng)計(jì)算結(jié)果后可得:

1)第Ⅰ類—Ⅳ類主桁架的上下弦桿、端斜桿、斜腹桿等構(gòu)件應(yīng)力相差不大,豎腹桿應(yīng)力因主桁架布置形式不同而差異較大,其中第 Ⅳ 類主桁架的豎腹桿應(yīng)力最小;第Ⅴ類主桁架的下弦桿應(yīng)力顯著比其他四類主桁架的下弦桿應(yīng)力大。

2)第Ⅰ類主桁架的撓度最大,第Ⅳ類主桁架的撓度最小,但五類主桁架最大撓度總體上相差不大。

3)針對(duì)五類主桁架布置形式,在構(gòu)件應(yīng)力和撓度均滿足規(guī)范要求的前提下,結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)平行桁架體系角度來看:當(dāng)建設(shè)投資充裕時(shí),推薦采用第Ⅰ類主桁架布置形式,理論零桿僅有1根,構(gòu)件受力情況較好;當(dāng)建設(shè)投資緊張時(shí),推薦采用第Ⅴ類主桁架布置形式,不設(shè)豎腹桿,所用材料最省,但下弦桿應(yīng)力較大,在設(shè)計(jì)中需采取一定補(bǔ)強(qiáng)措施。