橋面板連接方式對(duì)桁架拱受力影響研究

黎力韜 LI Li-tao

（廣西交科集團(tuán)有限公司，南寧 530007）

0 引言

鋼桁架拱橋作為拱橋中的一種，兼顧造型優(yōu)美[1-2]，能夠很好地融入城市的發(fā)展規(guī)劃中，成為當(dāng)?shù)氐囊粡堬@耀的名片，因此越來(lái)越多的城市橋梁采用鋼桁架拱橋，已經(jīng)成為城市橋梁設(shè)計(jì)中最具有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一[3]。而在建造鋼桁架系桿拱橋時(shí)，不同的橋面系連接形式對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能也有所不同，導(dǎo)致鋼桁架拱橋的傳力路徑也有所不同，因此有必要針對(duì)鋼桁架拱橋各個(gè)部件受力的差異性進(jìn)行深入研究探討，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)鋼桁架拱橋進(jìn)行大量研究[4-5]。而本文以某大跨度鋼桁架拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，結(jié)合有限元軟件建立三種不同橋面系連接形式的空間有限元模型，通過(guò)對(duì)比分析在恒載作用下對(duì)混凝土橋面板和系梁的受力影響，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行分析，研究不同橋面系連接形式下系桿預(yù)應(yīng)力的傳遞效率。

1 鋼桁架拱橋總體設(shè)計(jì)

1.1 工程概況某跨河工程主橋采用42m+140m+42m三跨連續(xù)鋼桁架拱橋，主橋?yàn)闊o(wú)推力系桿拱橋體系，上部結(jié)構(gòu)通過(guò)連續(xù)鋼桁架拱肋、橋面系鋼梁及系桿形成平衡，支承于橋墩上。主橋總體布置圖如圖1所示。

圖1 主橋總體布置圖（單位：mm）

1.2 橋面板與系梁連接方案為研究組合橋面板連接形式對(duì)鋼桁架系桿拱橋的受力影響，提出三個(gè)不同橋面系與主梁連接方案分別如下：方案一：鋼混凝土橋面板與鋼系梁不連接；方案二：鋼混凝土橋面板與系梁僅在中支點(diǎn)端部12m范圍內(nèi)連接；方案三：鋼混凝土橋面板與系梁在全橋范圍內(nèi)連接。

2 恒荷載下鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)受力對(duì)比分析

2.1 混凝土橋面板受力對(duì)比分析通過(guò)模型計(jì)算，提取恒荷載作用邊跨和中跨混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力平均值，得到橋面板正應(yīng)力平均值沿橫橋向分布規(guī)律，如圖2所示。然后通過(guò)比較混凝土橋面板應(yīng)力的極值衡量混凝土橋面板應(yīng)力的均勻性，如表1所示。

圖2 恒荷載工況下混凝土橋面板應(yīng)力分布圖

由圖2可知，鋼桁架拱橋混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力沿橫橋向分布呈現(xiàn)先下降后上升的分布規(guī)律，在小縱梁處的混凝土橋面板正應(yīng)力最小。在恒荷載作用下，方案三邊跨混凝土橋面板順橋向應(yīng)力極值最大，最大值達(dá)到3.63MPa，最小值達(dá)到-4.31MPa；其次是方案二，方案一極值最?。环桨付吙缁炷翗蛎姘屙槝蛳驊?yīng)力極值最大，最大達(dá)到了4.69MPa，最小達(dá)到了-6.50MPa，其次是方案一，方案三極值最小。而綜合最值應(yīng)力結(jié)果可知，方案三混凝土橋面板順橋向應(yīng)力極值減小幅度最大，其中最大值減小了14.79%，最小值減小了28.29%，因此方案三的橋面板連接方式有利于改善結(jié)構(gòu)受力。

2.2 系梁受力對(duì)比分析通過(guò)比較系梁的極值衡量系梁內(nèi)力分布的均勻性，如表2所示，并通過(guò)比較系梁平均軸力來(lái)衡量系梁內(nèi)力分配的變化，如圖3所示。

表2 恒荷載工況下的系梁軸力極值對(duì)比

圖3 恒荷載工況下軸力分布圖

在恒荷載工況下，方案一邊跨系梁平均軸力最大，其次是方案二，方案三最小，而中跨系梁平均軸力變化規(guī)律相反，方案三中跨系梁平均軸力最大，其次是方案二，方案一最??；三個(gè)方案中邊系梁最大值均出現(xiàn)在中跨，而中系梁最大值均出現(xiàn)在邊跨；方案三邊系梁軸力極值最大，其次是方案二，方案一最小；中系梁則相反。綜上，隨著中跨系梁與混凝土板結(jié)合的緊密程度的增加，系梁內(nèi)力規(guī)律為中跨系梁承擔(dān)了更多內(nèi)力。

3 系桿預(yù)應(yīng)力傳遞效率對(duì)比分析

在不同連接方式下，將系桿預(yù)應(yīng)力施加于橋面板，研究其傳遞效率，通過(guò)提取系桿力工況下混凝土橋面板受力情況，對(duì)比分析三種橋面連接方式如表3所示。

由表3可知，方案三橋面連接方式下順橋向應(yīng)力極值最小，其中較方案一連接方式而言，中跨混凝土橋面板順橋向應(yīng)力極值最大值減小了58.67%，最小值減小了48.45%；邊跨混凝土橋面板順橋向應(yīng)力極值最大值減小了23.15%，最小值減小了26.49%。

由于結(jié)構(gòu)系桿力施加在中跨邊、中系梁處，因此，提取邊系梁旁橋面板與小縱梁旁橋面板比值nAC，以及中系梁旁橋面板與小縱梁旁橋面板比值nBC，以比較預(yù)應(yīng)力施加于橋面板的傳遞效率以及縱向傳遞長(zhǎng)度，如圖4所示。

為比較三個(gè)方案中預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備情況，提取系桿力工況下三個(gè)方案中橋面板沿縱橋向平均應(yīng)力，如圖5所示。

圖5 系桿混凝土橋面板應(yīng)力平均值分布圖

由圖4可知，在系桿力工況下方案三相較于方案一、二能更快地使橋面板應(yīng)力在橫橋向趨于平均，且跨中橫橋向應(yīng)力更趨于平均，但由圖5可知，方案三在中跨預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備最少，而方案一居中，方案二最多；方案一邊跨橋面板平均壓應(yīng)力最大，受力最優(yōu)。

4 結(jié)論

結(jié)合有限元模型計(jì)算結(jié)果分析橋面系連接方式對(duì)桁架拱橋的受力影響，得到如下結(jié)論：①鋼桁架拱橋混凝土橋面板順橋向正應(yīng)力沿橫橋向分布呈現(xiàn)先下降后上升的分布規(guī)律，在小縱梁處的混凝土橋面板正應(yīng)力最小。②恒載工況下，隨著中跨系梁與混凝土板結(jié)合的緊密程度的增加，系梁內(nèi)力規(guī)律為中跨系梁承擔(dān)了更多內(nèi)力。③在系桿力工況下方案三相較于方案一、二能更快地使橋面板應(yīng)力在橫橋向趨于平均，且跨中橫橋向應(yīng)力更趨于平均，但方案三在中跨預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備最少。