板桁組合結構受力分析

魏 民

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

板桁組合結構受力分析

魏 民

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

對板桁組合結構受力特征進行了分析，揭示了其橋面板荷載的分布規律，提出了板桁組合體系主梁的簡化模型方法，針對不同形式的橋面板對荷載傳遞路徑及大小進行了分析，得出了一些有意義的結論。

正交異性板，板桁組合體系，荷載傳遞路徑

0 引言

正交異性鋼橋面板，是用縱橫向互相垂直的加勁肋(縱肋和橫肋)連同橋面蓋板所組成的共同承受車輪荷載的結構。這種結構由于其剛度在互相垂直的兩個方向上有所不同，造成構造上的各向異性,正交異性鋼板結構橋面板的自重約為鋼筋混凝土橋面板或預制預應力混凝土橋面板自重的1/2～1/3，對于大跨徑的懸索橋及斜拉橋，可大大減少結構自重。

正交異性板除作為橋面外，還是主梁截面的組成部分，它既是縱橫梁的上翼緣，又是主梁的上翼緣。

正交異性板常用作鋼箱梁行車道橋面板，鋼箱梁結構較柔，對于剛度要求較大的結構適應性不強，如大跨徑鐵路懸索橋，鋼桁架剛度較大，如將正交異性板與鋼桁梁組合，對于大跨徑的鐵路懸索橋主梁設計無疑是一個新的途徑。

德國的Fuldatl橋主梁就是采用的板桁組合體系，該結構充分發揮了桁架與正交異性板的性能特點，很大程度上改善了主桁架的受力，國內香港青馬大橋主梁也是采用的該種構造。

如何以簡便的模擬方式來獲得結構的最為真實的力學性能，最理想的情況就是采用一維梁進行簡化處理，這樣效率最高，但是如何得到簡化的依據及精度，本文對板桁組合體系結構的真實受力情況進行初步分析，從中找到較為實用的規律特征，為簡化模型提供鋪墊。

1 板桁組合體系分析

1.1 主要分析方法

總結已有的正交異性鋼橋面板的結構形式及其受力特性；為了解正交異性整體鋼橋面板的加勁梁的受力特征，以假想鐵路懸索橋為背景，對不同結構形式的整體正交異性板合成橋面系加勁梁懸索橋進行加載分析。

1.2 正交異性板主要構造形式

國內外在建或者已建的正交異性整體鋼橋面板因橋梁結構形式、荷載形式、橋梁跨度等不同的影響因素，鋼橋面板的構造亦各不相同，主要有縱橫梁式整體正交異性板、多橫梁式整體正交異性板、密布橫梁式整體正交異性板。

縱橫梁式整體正交異性橋面板與普通正交異性板相同，在節點處設置一大橫梁，在節間設置若干小橫梁，但不與弦桿相連。另外在需要加勁的部位布置若干縱梁，這樣可以較為直接的分擔橋面荷載，提高橋面板的局部的豎向剛度。

多橫梁式整體正交異性板在縱橫梁式整體正交異性板的基礎上將節間小橫梁與弦桿相連，并可適當的減小縱梁尺寸。

密布橫梁式整體正交異性板則是在多橫梁式整體正交異性板的基礎上去掉縱梁，加密節間小橫梁。

上述三種形式的整體正交異性板合成橋面系的構造及受力特點：其中多橫梁式整體正交異性板的受力及構造特點均介于縱橫梁式整體正交異性板與密布橫梁式整體正交異性板之間，本文只對縱橫梁式與密布橫梁式整體正交異性板做對比分析，對于多橫梁體系結構的受力，應該介于縱橫梁與密布橫梁之間。

1.3 板桁組合體系有限元分析

板桁組合加勁梁的橋面系與主桁的相互約束作用強，較以往只以主桁作為主要承力構件的分離式橋面系受力有所不同：該橋面系通過支座與桁架相連，與主桁相互約束能力弱，其對主桁的抗彎、抗壓剛度的貢獻有限，幾乎不參與第一系統受力，主要以第二、三系統受力為主；合成橋面系加勁梁其橋面系蓋板、小橫梁或者副桁架與弦桿相連，從而形成穩定體系，其主桁相互約束能力強，能夠很大程度分擔主桁受力，參與了三個系統受力，其中第一系統受力占據很大程度。

數值分析已經成為力學分析的主要方法之一，而合理的力學模型的獲得則是有限元分析成功的基礎。為了獲得上述兩種橋面結構的主桁、縱梁、橫梁、橋面系等主要受力構件在不同荷載作用下的真實力學情況，本文采用大型通用有限元軟件ANSYS，分別對上述兩種橋面系結構進行建模分析，空間力學模型單元離散如下：

1)索塔系統。橋塔塔柱、橫梁均采用梁單元Beam44，為使主纜IP點達到理想成橋狀態，需對塔柱梁單元也進行預拋高處理。2)纜索系統。懸索橋為柔性結構，主纜、吊索只受拉，模型中采用Link10單元模擬，施加桿單元初應變。3)加勁梁系統。整體正交異性板合成橋面系非常復雜，模型中對于主桁架及下平聯采用梁單元Beam44進行模擬；為了獲得較為真實的橋面板受力情況，對于橋面系中的上弦桿、橋面板、縱梁、橫梁、加勁梁均采用板殼單元Shell63進行模擬。4)約束系統：本模型采用全漂浮體系，未有縱向限位等方面的考慮。

選取對橋面板最不利的兩種工況進行分析：

工況一：上弦桿產生最大拉應力。

工況二：下弦桿產生最大壓應力。

后文中均以工況一和工況二來描述兩種工況。

2 板桁組合體系主要分析成果

2.1 板桁組合體系有限元分析

第一系統受力分析時，橋面系與主桁共同作用，一起承擔節間縱向力。對于縱橫梁式整體正交異性板，縱梁參與第一系統作用的程度主要與弦桿面積、縱梁面積、橫梁面外剛度及橫梁與主桁連接節點剛度有關。鋼橋面系參與主桁第一系統的共同作用程度大約在40%～60%，由此可以看出橋面系受力在第一系統中所占的比重很大，在設計的時候應該給予足夠的關注。

2.2 板桁組合體系橋面板傳力途徑

橋面系荷載的傳遞規律是板桁合成橋面系構造的受力性能的主要研究內容之一。力的傳遞規律能夠最為直觀的反映結構的受力特點，評判結構是否合理。不管對于縱橫梁整體正交異性鋼橋面板、多橫梁整體正交異性鋼橋面板，還是密布橫梁整體正交異性鋼橋面板結構，橋面蓋板均與上弦桿連接(本文不考慮蓋板通過桁架間接地與弦桿連接的橋面系結構)，所以對于上述三種結構橋面荷載傳遞路徑均有兩條：

1)路徑一：先縱向后橫向：鋼橋面板、縱肋、縱梁縱向節點大橫梁上，再橫向傳遞到上弦桿節點上。

2)路徑二：先橫向后縱向：鋼橋面板、小橫梁橫向傳遞到上弦桿上，再縱向傳遞到上弦桿節點上。

不同的荷載傳遞路徑必將引起不同的結構響應，同樣的，對于不同結構形式的合成橋面系結構，其兩種傳遞路徑的比值亦不同，且一般情況下一個結構中上述的兩種傳遞路徑同時存在，且僅有此兩條傳遞路徑。我們可以假設路徑一的傳遞比為R1，那么路徑二的傳遞比R2=1-R1。提取有限元計算中加載節間的荷載沿兩條路徑的傳遞比如圖1，圖2所示。

在結構中，荷載通過鋼橋面板的傳遞比，不管是縱向傳遞還是橫向均不到5%；對于縱橫梁體系，荷載沿U肋傳遞約為25%，沿著縱梁傳遞至大橫梁占據了大部分，約為70%。綜上，荷載沿著第一條路徑傳遞占到了95%以上，第二條傳遞路徑不到5%，縱橫梁體系荷載基本上通過第一條傳遞路徑進行受力，對于縱橫梁體系將縱梁與橋面板簡化為一虛擬縱梁來承受橋面荷載是可行的。

密布橫梁體系的鋼橋板縱橫向的傳遞比仍很小，亦不到5%，而U肋的傳力比卻高達60%，節間橫梁的傳遞比約為30%。綜上，荷載沿著第一條路徑傳遞比約為65%，荷載沿著第二條路徑的傳遞比約為35%；對于密布橫梁體系來說，荷載沿著縱橫向傳遞均占據較大比例。

3 結語

1)板桁組合結構的受力體系中，橋面板參與第一體系受力，并且比重極大，根據結構形式的不同約占40%～60%，在進行設計中應該給予足夠重視。2)橋面荷載作用下，縱橫梁體系與密布橫梁體系面外受力有較大的區別。縱橫梁體系的荷載縱向傳遞比約為95%，橫向傳遞約為5%；對于密布橫梁體系，荷載縱橫傳遞比65%，橫向傳遞比35%。

[1] 張 敏，葉梅新，韓衍群.下承式半結合鋼桁結合梁橋第一系統受力性能[J].中南大學學報(自然科學版)，2010,41(3):91-92.

[2] 王榮輝,徐林榮,曾慶元.板桁組合結構空間計算的板桁梁段有限元法[J].工程力學,1999,16(4):168-169.

[3] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社,2007.

Analysis of structural behavior of orthotropic plate-steel truss girder composite structure

WEI Min

(Anhui Transport Consulting & Design Institute Co., Ltd, Hefei 230088, China)

Through the analysis of structural behavior of orthotropic plate-steel truss girder composite structure, the distribution of loads on bridge deck is revealed. And a simplified model for the main girder of orthotropic plate-steel truss girder system is given. For various kinds of bridge decks, load paths and load distribution are analyzed, some meaningful conclusions are drawn.

orthotropic plate, orthotropic plate-steel truss girder composite system, load path

1009-6825(2014)36-0033-02

2014-10-14

魏 民(1982- )，男，工程師

TU398

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