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

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司,湖南 長沙 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、廠區、碼頭、船閘等地方應用較多[1]。目前使用較多的人行鋼引橋長度24 m～60 m,其中長度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、下平聯及花紋鋼板等部分焊接形成,小跨度人行鋼引橋可不設上平聯。主桁架是整個鋼引橋的主要受力部分,在人行鋼引橋設計時,主桁架往往成為設計人員關注的重點,而主桁架布置形式的選擇為主桁架設計的首要任務。結合以往設計經驗和在用的人行鋼引橋,主桁架布置形式種類較多,形式各異,設計人員面對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,為人行鋼引橋設計人員確定出最佳的主桁架布置形式提供參考依據。

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件組成,主桁架構件一般采用型鋼。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點板焊接形成。根據JTS 167—2018碼頭結構設計規范[2]要求,對于平行弦桁架鋼引橋的高跨比宜為1/8～1/15,橫向剛度要求橋寬不應小于跨度的1/20。本文以36 m×3.2 m×3.2 m(長×寬×高)人行鋼引橋為例進行分析計算。借鑒以往的設計經驗及運用案例,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 計算模型

針對36 m×3.2 m×3.2 m人行鋼引橋主桁架,計算可采用Civil Midas(2019年版)建立二維平行弦桁架結構模型,上、下弦桿視為梁單元,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,表中構件型號均取自國家標準GB/T 6728—2017結構用冷彎空心型鋼[3]。

表1 主桁架構件型號匯總表

根據主桁架構件選型,對五種主桁架布置形式進行建模,弦桿與斜桿及腹桿之間通過節點板焊接連接,建模可假定為固結,主桁架與下方支承結構之間為鉸接。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JTS 144-1—2020港口工程荷載規范[4],橋面人群荷載標準值可取3 kPa,雪荷載標準值可取0.7 kPa。人行鋼引橋一般不設封閉圍護結構,橫向風載可忽略不計。荷載施加方式包括人群荷載為均布荷載,自重和雪荷載為節點荷載。各荷載的分項系數見表2。

表2 荷載作用分項系數

2 結構計算

鋼引橋計算工況分承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。承載能力極限狀態工況下主要分析構件應力,正常使用極限狀態下主要分析主桁架撓度。

2.1 構件應力

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

表3給出了承載能力極限狀態下五種布置形式的主桁架構件最大應力,均滿足規范要求。表3中各構件應力數據對比表明,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%。考慮到第Ⅴ類主桁架布置形式中不設豎腹桿,但下平聯均一致,在同樣的荷載受力情況下,下弦桿所受彎矩最大,因而應力最大。

表3 主桁架構件最大應力統計 MPa

端斜桿承受壓力,第Ⅴ類主桁架中端斜桿中應力最小,其他四類端斜桿應力一致。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也相應變化,總體來看,第Ⅴ類主桁架的斜腹桿應力絕對值最大,其他四類主桁架的斜腹桿應力幾乎一致。對于豎腹桿,第Ⅳ類主桁架的豎腹桿應力最小,第Ⅰ類主桁架和第Ⅲ類主桁架的豎腹桿應力接近。

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下的撓度分布(Z方向)。圖中數據表明,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水運工程鋼結構設計規范[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律與Ⅰ類主桁架的撓度分布規律一致。

表4列出正常使用極限狀態下五種布置形式的主桁架最大撓度,均滿足規范要求。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 主桁架最大撓度統計 mm

3 結論

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

1)第Ⅰ類—Ⅳ類主桁架的上下弦桿、端斜桿、斜腹桿等構件應力相差不大,豎腹桿應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力最小;第Ⅴ類主桁架的下弦桿應力顯著比其他四類主桁架的下弦桿應力大。

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)針對五類主桁架布置形式,在構件應力和撓度均滿足規范要求的前提下,結合結構力學平行桁架體系角度來看:當建設投資充裕時,推薦采用第Ⅰ類主桁架布置形式,理論零桿僅有1根,構件受力情況較好;當建設投資緊張時,推薦采用第Ⅴ類主桁架布置形式,不設豎腹桿,所用材料最省,但下弦桿應力較大,在設計中需采取一定補強措施。