胡洪亮,易克勤

(湖南华罡规划设计研究院有限公司,湖南长沙 410076)



板桁结合梁的传力规律与应用

胡洪亮,易克勤

(湖南华罡规划设计研究院有限公司,湖南长沙 410076)

摘要:阐述了中国山区高速公路的建设特点及钢板桁结合梁桥在山区高速公路建设中的重要地位,阐明对钢桁梁斜拉桥板桁构造受力规律进行研究具有重要现实意义;总结了板桁结合梁桥的起源及其发展历程,介绍了钢板桁斜拉桥有限元分析模型的建立方法;分析了板桁结合斜拉桥中桁架上弦、中纵梁、小纵梁、桥面板的轴力分配情况,并对正交异性桥面系的有限元模型优化方法及板桁传力规律进行了归纳总结。

关键词:桥梁;钢板桁结合梁;受力分析;有限元

山区高速公路中桥隧长度占线路的比例大,尤其在中国西部地区,有的高速公路上桥隧长度占比高达70%。据不完全统计,山区高速公路特殊桥梁(单跨超过150 m的特大桥,不含跨径总长超过1 000 m的多跨特大桥)占桥梁总数的10%～15%。山区修建公路时常会采用大跨度桥梁建设方案,特别是钢板桁结合梁桥,由于其具有作业面少、施工效率高、操作简单、合龙工序少、施工安全等优点,在新建山区大跨度桥梁中被越来越多地采纳。对钢板桁结合梁桥,特别是适用情况较广的钢桁梁斜拉桥板桁构造的受力规律进行研究具有重要现实意义。

1 板桁结合梁桥的起源及发展

德国于1962年建成的富尔达塔尔桥是历史上首座钢板桁结构公路桥,该桥为七跨上承式板桁结合连续梁桥,跨径为(79.2+91.2+107.8+143.2+ 107.8+91.2+79.2)m。自此以后,板桁结合梁桥就以其独特的优势,在荷兰、德国及日本等国家和地区的多种桥梁形式中得到使用,如荷兰的加浪特桥、德国的克莱沃艾默里奇桥、日本的岩黑岛大桥和柜石岛大桥等均采用板桁结合结构。

表1 世界上大跨度板桁组合斜拉桥概况

19世纪初,世界各国新建的大跨度悬索桥与大跨度斜拉桥结构基本上采用钢结构,之后随着砼材料力学性能的提高,特别是高标号砼材料的出现,砼梁桥、斜拉桥等相继出现且日益增多。组合结构兴起后,其发展几乎日趋赶上钢结构,且在一定领域内能代替钢结构及砼结构。其中板桁结合梁桥更是得到迅速发展,其凭借正交异性板拥有的较轻自重与建筑高度、较强的跨越能力、较大的极限承载力、较长的使用年限、各构件易于开展标准化加工制造与安装及在进行桥梁检修时不用中断交通等优点得到快速推广应用。表1为世界上大跨度板桁组合斜拉桥概况,它昭示着板桁结合体系桥梁正在被越来越多地采用,这是一种充满生命活力的结构。

2 正交异性钢桥面板桁组合斜拉桥有限元分析模型的建立

正交异性钢桥面板桁组合斜拉桥由于预制构件较多,实体模型的建模工作量非常庞大,工作效率较低,虽然能得到精度较高的数值分析结果,但考虑到该文重在了解结构整体受力状况,对连接节点的构造细节不作探讨,不需精确到每一个构造细节的精确分析结果,采取折中的方法,对全桥建立空间杆系模型进行分析。该研究重在了解运营阶段正交异性钢桥面板桁组合斜拉桥在多车道荷载组合下不同板桁支撑体系的力学行为及桥梁主体结构的强度、刚度及稳定性,分析模型分别对塔、墩、梁、索、板进行建模。其中,索塔采用梁单元进行模拟,辅助墩通过带边界的弹性连接进行模拟,斜拉索采用仅受拉桁架单元进行模拟。理论上,全桥在整体分析中可采用薄板单元对主桁杆件及板桁支承系进行模拟,但由于该建模方法所产生的计算自由度太多,计算工作量太大,所得计算结果无法直观体现杆件的整体受力情况,且会增加分析过程中对模型进行修改的工作量,故采用空间梁单元模拟主桁杆件,U肋及其上的桥面板则通过换算等效截面的薄板单元进行模拟,板梁之间采用弹性连接(见图1、图2)。

图1 半幅桥有限元分析模型

图2 局部放大有限元分析模型

3 板桁传力规律及计算方法

为了在准确分析正交异性板受力情况的前提下减少计算工作量,对正交异性板的模拟进行优化。为此,需先了解恒载成桥工况下板桁结合斜拉桥中桁架上弦、中纵梁、小纵梁、桥面板的轴力分配情况和相关比例关系。

通过全桥模型分析可知,在恒载成桥工况下,桥面板传递8.2%～9.5%纵向力,小纵梁传递12.5% ～14.1%纵向力,中纵梁传递10.9%～13.5%纵向力,上弦杆传递58.9%～67.4%纵向力,上横梁传递0.5%～0.8%纵向力。由此可得:

(1)正交异性钢桥面系承受每个梁截面32.5%左右的纵向荷载,约为上弦杆所承受纵向荷载的1/2,故在板桁组合斜拉桥中,其正交异性钢桥面系对主梁的纵向刚度贡献不可忽略,必须考虑两者间的共同作用。

(2)在正交异性钢桥面系中,桥面板所传递纵向荷载仅占全桥纵向荷载的8.2%～9.5%,比重较小,为了减少整体模型的单元数量,提高计算效率,在整体计算过程中可将桥面板作为桥面系中纵梁与小纵梁的上翼缘,将其刚度换算到纵梁中。

(3)设计初期拟定板桁结合梁各构造尺寸时,可按照板桁结合梁各构件所承担内力的比例初步拟定,这样得出的初步构造尺寸其材料利用率将更高效。在没有试验数据的条件下,则可参照桥面板截面尺寸∶小纵梁截面尺寸∶中纵梁截面尺寸∶上弦杆截面尺寸≈8∶14∶13∶67的比例进行构造尺寸拟定。

对于桥面系中纵梁与小纵梁的上翼缘有效宽度,参考《公路钢结构桥梁设计规范》征求意见稿第8.2.5条进行计算。

式中:λ为中纵梁与小纵梁的单侧有效宽度;l为等效跨度,取0.6L;b为纵肋或横肋间的距离(如图3)。

图3 纵肋计算示意图

4 结语

板桁结合梁的应用推广,特别是钢板桁斜拉桥的应用,将极大地促进中国山区高速公路的建设与发展。高效、便捷的结构初步设计方法将大大提高这类桥梁设计的效率。充分利用结构内部传力规律,对桥梁结构的设计与科研都大有帮助。

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收稿日期:2015-10-05

中图分类号:U441

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0162-02