橫向非對稱簡支鋼桁梁橋受力性能研究

陳熠鋒

(廣州公路工程集團有限公司, 廣東 廣州 510075)

鋼桁梁由主桁、聯結系、橋面系、橋面組成,作為主要承重結構,承受豎向荷載,并將荷載通過支座傳遞給墩臺。隨著工程項目邊界條件的變化,橋梁結構形式更加復雜,須更慎重地考察其受力狀態。近年來,不少學者對鋼桁梁橋受力性能進行了研究。張興等采用MIDAS/Civil軟件建立有限元模型,對跨徑120 m的跨采空區上承式簡支鋼桁梁進行了計算分析[1]。肖文義利用橋梁博士對穗莞深(廣州—東莞—深圳)城際軌道交通線東江南特大橋進行靜力分析,使用有限元分析軟件ANSYS建立了該橋動力分析模型[2]。賀勝采用MIDAS/Civil建立銀西(銀川—西安)高速鐵路銀川機場黃河特大橋96 m簡支鋼桁梁梁單元模型,通過計算主桁桿件的剛度、內力及應力,并與相應規范進行比較,分析了結構設計的可行性[3]。目前對鋼桁梁橋的研究集中于主桁對稱、等高度形式的鋼桁梁[4-6]。橫向非對稱鋼桁梁橋結構及受力形式較復雜,目前研究較少。戴新安等應用MIDAS/Civil建立120 m+82 m非對稱下承式連續變高度鐵路鋼桁梁橋模型,對其受力性能進行了計算分析[7]。本文以深圳地鐵6號線民樂停車場橫向非對稱簡支鋼桁梁橋為工程背景,利用MIDAS/Civil,結合相關規范分析其受力性能,為此類工程設計提供參考。

1 工程概況

深圳地鐵6號線民樂停車場簡支鋼桁梁橋的桁高為12.55 m,主桁計算跨徑一側為55 m,另一側為77 m,縱向節間距為11 m,兩片主桁橫向弦桿中心間距為16.75 m。4個角點設置支座,支座中心與梁端的距離為0.7 m。橋面停車區設縱梁+檢修立柱,功能為停放地鐵列車;非停車區設通長工字鋼+壓型鋼板,為人行通道。該工程采用整體節點板和高強度螺栓連接工藝,部分位置采用現場焊接方式。上下弦桿、端豎桿、端橫梁采用箱形截面,其余均為工字形截面。

2 有限元建模

基本假設:1) 所有桿件均屬于彈性分析范圍,符合胡克定律;2) 所有剛接屬于理想剛接;3) 所有桿件都是均質的。

利用MIDAS/Civil建立該橋全橋模型,施工階段按實際流程模擬。橋面板除停車區縱梁建入模型外,其余構件剛度較小,對整體計算結果影響非常小,按荷載加載。全橋共588個節點、681個梁單元(見圖1)。由于節點板厚度較大,且采用高強度螺栓連接,節點的剛度很大,各構件相交位置均采用共節點的方式模擬,僅停車區縱梁與橫梁之間采用彈性連接。支座采用一般支撐模擬。全橋僅定義一種Q345材料,由于模型未模擬實際存在的節點板、高強度螺栓等構件,建模時自質量系數調整為1.3。

圖1 全橋有限元模型

3 靜力計算分析

鋼桁梁的主要受力結構為主桁,外部荷載通過橋面傳遞給縱梁,縱梁再傳遞給橫梁,最后傳遞給兩側主桁。主桁由上下弦桿、腹桿組成。根據結構受力情況,進行兩種荷載組合下主桁計算分析:主力組合,為恒載+車輛活載+人群活載+搖擺力+支座沉降;主力+附加力組合,為主力+溫度荷載+制動力+風荷載。其中時效荷載均采用包絡的方式,如溫度荷載考慮升溫、降溫、無變化3種情況包絡,再與其他荷載包絡,程序自動考慮最不利組合。

3.1 主桁位移分析

為方便描述,以77 m主桁最左端為位置基準點,從左至右編號,77 m主桁上下弦桿位置范圍為0～77 m,55 m主桁上下弦桿位置范圍為22～77 m。

3.1.1 豎向位移分析

兩種荷載組合作用下,77 m、55 m主桁上下弦桿的豎向位移分別見圖2、圖3。“+”表示位移向上,“-”表示位移向下。

圖2 77 m主桁的豎向位移

圖3 55 m主桁的豎向位移

由圖2、圖3可知:兩側主桁弦桿豎向位移最大值均出現在各自跨中;上下弦桿位移變化趨勢相同,兩側主桁分別呈整體下移狀態。豎向位移主要由恒載+車輛活載作用產生,溫度及橫向風等活載作用的影響很小。

3.1.2 橫向位移分析

兩種荷載組合作用下,77 m、55 m主桁上下弦桿的橫向位移分別見圖4、圖5。“+”表示向77 m側位移,“-”表示向55 m側位移。

圖4 77 m主桁的橫向位移

圖5 55 m主桁的橫向位移

由圖4、圖5可知:鋼桁梁上弦桿橫向位移較大,主力+附加力組合作用下,77 m、55 m主桁上弦桿橫向位移分別達43 mm、39 mm,由于兩側主桁不對稱,77 m主桁豎向撓度較大,帶動鋼桁梁橫向傾斜變形;上弦桿橫向位移方向、大小基本一致,呈直線分布。橫向位移主要由恒載、車輛活載產生,其次為橫向風作用,溫度等作用的影響很小。

3.2 主桁應力分析

為方便描述,對主桁各桿件進行編號(見圖6、圖7)。“+”為拉應力,“-”為壓應力。

圖6 77 m主桁桿件編號

圖7 55 m主桁桿件編號

3.2.1 弦桿應力分析

兩種荷載組合作用下上下弦桿各桿件應力見圖8～11。

圖8 77 m主桁下弦桿應力

由圖8、圖9可知:77 m主桁下弦桿件均為受拉桿件;77 m主桁上弦桿件除兩端8#、14#桿件受拉外,其他均受壓。

圖9 77 m主桁上弦桿應力

由圖10、圖11可知:55 m主桁下弦桿件均為受拉桿件;55 m主桁上弦桿件除兩端36#、40#桿件受拉外,其余均受壓。

圖10 55 m主桁下弦桿應力

圖11 55 m主桁上弦桿應力

3.2.2 腹桿應力分析

兩種荷載組合作用下腹桿應力見圖12、圖13。

圖12 77 m主桁腹桿應力

圖13 55 m主桁腹桿應力

由圖12、圖13可知:77 m主桁腹桿應力由兩端往中間減小,但并不對稱,右側腹桿應力比左側腹桿應力大,右、左側最大應力之比為1.4∶1.0;55 m主桁腹桿應力也是由兩端往中間減小,不對稱,左側腹桿應力比右側腹桿應力大,左、右側最大應力之比為1.6∶1.0。

由于77 m主桁的豎向位移比55 m主桁大,引起主桁橫向傾斜變形,導致腹桿的次內力較大,應力也較大。

4 結論

對于橫向非對稱簡支鋼桁梁,上下弦桿豎向位移關于各主桁中心對稱,與常規鋼桁梁規律基本一致;上弦桿橫向位移很大,主要由兩側主桁豎向位移差引起主桁橫向變形,風荷載作用影響較小;上下弦桿應力規律正常,與常規鋼桁梁規律基本一致;兩側主桁腹桿應力均不對稱,主桁橫向變形產生的結構內力對受力性能影響很大,若采用常規計算方式,即將鋼桁梁劃分為若干平面、各平面只承受該平面荷載,則計算結果將與實際有較大出入。