下承式鋼桁結合梁在豎向對稱荷載作用下的受力性能分析

席國政

（山東省交通科學研究院， 山東 濟南 250100）

0 引言

下承式鋼桁結合梁橋是混凝土橋面板與鋼桁架結合而共同受力的一種新型組合結構，該結構具有抗彎剛度大、抗扭剛度大、建筑高度低、行車噪聲小、舒適度高等優點。本文運用有限元軟件分析了下承式鋼桁結合梁橋在豎向對稱荷載作用下的受力性能。

1 橋梁概況

圖1 為由某鐵路設計院設計的一座96 米簡支下承式鋼桁結合梁橋，該橋為無豎桿平行弦桁架的結構、縱橫梁板式的橋面系。橋梁跨度96 米、桁高12.3 米、主桁中心距11.2 米、共8 個節間其長度均為12 米。該橋設計標準：旅客列車設計行車速度200km/h，貨物列車設計行車速度120km/h，雙線且線間距5.0 米。

2 計算模型

2.1 材料特性

表1 鋼桁結合梁橋材料特性

2.2 計算工況

① 一期恒載：鋼結構128.5KN/m，混凝土橋面板81.5KN/m。

② 二期恒載：包括人行道、擋碴墻、線路設備和管線，活動檢查車軌道等橋面二期恒載其重按161.5KN/m。

(2) 中-活載：計算時順橋向采用普通活載，橫橋向取特種活載。

計算工況：一期恒載+二期恒載+雙線對稱活載，假設施工時不設臨時支撐，則一期恒載由鋼結構承擔，而二期恒載和活載則由整個組合結構承受。

2.3 模型建立

采用梁單元模擬主桁及縱、橫梁，且建模均在其中面上，每個主桁節間劃分為12 個梁單元，斜腹桿及上平聯均化為1 個梁單元；利用板殼單元進行混凝土橋面板模擬，縱、橫梁與橋面板通過剪力釘結合起來，剪力釘縱、橫向間距均為200mm。等效的箱型梁由主桁腹桿的剪切變形等效構成其腹板、由上弦桿及上平聯按縱向拉伸應變能等效構成其上翼緣。為簡化分析，引入如下假定：

①結構變形后，仍滿足平截面假定并相互平行；③栓釘在結合面上連續分布；

②在縱梁的軸向抗拉剛度中考慮橫梁面外彎曲剛度的等效；④考慮相對滑移；

⑤主桁截面周邊不考慮在橫截面內投影形狀的改變。

3 主要計算結果及分析

3.1 結構的位移分析

結構的荷載傳遞路線：荷載的施加→橋面板→縱梁→橫梁→主桁，該路線中前者均彈性支承在后者上，因此，任意一點橋面板上的位移均可用下式表示：

其中： δx—下弦桿的位移;δhx—相對位移(橫梁與主桁下弦桿間);

δzh—相對位移(縱梁與橫梁間);δbz—相對位移(混凝土板與縱梁間)。

圖2 為工況作用時橫梁豎向位移，最大豎向位移發生在跨中橫梁處，其變化趨勢由跨中橫梁向端橫梁遞減，最大值為98.5mm，最小值在端橫梁處基本為零。

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由表2 可知，混凝土板與縱、橫梁的平截面假定等能夠得到很好的滿足，且存在縱向滑移力位于縱梁頂及混凝土板底。

3.2 結構的內力分析

(1) 整體受力特點

結構的整體受力特點：①取橋面系作為研究體系Ⅰ?；炷涟逶谪Q向荷載作用下通過剪力連接件將荷載傳至縱橫梁，使橫梁與下弦桿交接處產生豎向剪力。②取主桁作為研究體系Ⅱ，主桁在橫梁所傳的豎向力作用下產生豎 向彎曲，使上、下弦桿受壓、拉。

(2) 結構各桿件的內力

① 主桁：上、下弦桿主要承受軸向力。上、下弦桿受壓、拉，其值均為從兩端向跨中遞增。由于均為節點荷載作用在上、下弦桿上，其面內外彎矩均很小。

② 斜腹桿

斜腹桿以受剪為主，上、下弦桿以承受軸力為主。上、下弦桿的荷載通過腹桿進行傳遞。豎向集中荷載作用在下弦桿節點，下弦桿產生下撓，并通過斜腹桿傳至上弦桿，上弦桿產生下撓，下弦桿兩端節點豎向位移被限制，使兩邊斜桿受壓。因此一般斜腹桿的受力形態由兩邊向中間為受壓、受拉、受壓，交替變換。

③ 縱梁

縱梁為彎拉構件，彎矩表現為在每個節間跨中處及節間端處為底面受拉、頂面受壓。由圖4.a、b 可知，縱梁以受彎為主、受軸力為輔；下弦桿則與之相反。

④ 橫梁

橫梁受面內外彎矩的作用，并將作用于橋面板上的荷載傳至下弦桿。將橫梁x=0、12、24、36、48m 處分別對應于橫梁0-4 等。端橫梁承受最大的豎向荷載。由圖4.c 可知，橫梁受縱梁的彈性支承作用，其限制兩縱梁間面內彎矩的增加，此處存在負彎矩，若采用剛性支承則其值將為正。由圖4.d可知，橫梁的面外彎矩小于面內彎矩，且面外彎矩由橫梁1 到橫梁3 逐漸減小，而橫梁4 基本為零。

4 結語

本文對下承式鋼桁結合梁橋運用有限元軟件進行建模，詳盡分析了結構在豎向對稱荷載作用下的受力特點。分析結果表明，橫梁豎向位移變化趨勢為由跨中向兩端遞減，存在縱向滑移力位于縱梁頂及混凝土板底。文中計算分析及結論對研究此類結構受力性能具有一定的借鑒意義。