敞口式鋼管混凝土桁梁橋選型及參數分析

摘 要：文章介紹了鋼管混凝土敞口桁梁橋橋型結構的設計優化過程，提出高跨比、寬跨比的合理范圍，對全橋主要構件（主桁桿件、橋面系）進行選型，擬定了鋼管混凝土敞口桁梁橋結構尺寸，建立全橋有限元模型，運用參數對比方法，分析該類型橋梁在不同桿件尺寸、寬跨比、高跨比的情況下，全橋強度、剛度及穩定性的變化規律。結果表明：桿件尺寸的變化對全橋靜力性能有一定影響，上弦桿尺寸變化影響較大；高跨比的增大對豎向剛度有所提升，但全橋整體穩定性能有所下降；寬跨比的增大降低了全橋的豎向剛度與橫向剛度，會導致全橋整體穩定性的下降。

關鍵詞：橋梁工程；敞口式桁梁橋；鋼管混凝土；結構選型；參數分析

中圖分類號：U448.21+1

0 引言

目前，敞口鋼桁梁橋在公路交通中應用較少，且跨徑范圍通常為20～40 m［1-4］，現有敞口式桁梁橋主桁弦桿以空鋼管截面為主（圖1），腹桿以空鋼管或工字形截面為主。敞口式桁梁橋上弦桿受壓，由于上弦桿無側向支承，空鋼管截面上弦桿易發生面外失穩破壞從而導致全橋破壞，且全橋橫向剛度也存在不足，阻礙了敞口式桁梁橋跨徑的發展［5-7］。空鋼管內填混凝土后形成鋼管混凝土結構，鋼管混凝土具有壓彎性能優良的特點，敞口式桁梁橋上弦桿采用鋼管混凝土截面可有效提高整體穩定性能及全橋橫向剛度［8］。鋼管混凝土敞口式桁梁橋應用實例較少，且研究多集中于空鋼管敞口式桁梁橋上弦桿面外穩定以及特有工程的設計及施工方法探討［9-10］，研究對象多為港口鋁合金跨堤引橋以及鐵路舊橋改造等，缺乏針對橋型裝配化、工業化快速建造的設計研究。本文從結構選型、結構參數分析對鋼管混凝土敞口桁梁橋進行研究，為公路鋼管混凝土敞口桁梁橋設計提供參考。

1 鋼管混凝土敞口桁梁橋結構選型

鋼管混凝土敞口桁梁橋可視為開口框架結構，其上弦桿面外穩定性能是該結構承載能力大小的控制性因素，基于上弦桿可視為多點彈性支承連續梁的假定，上弦桿和腹桿的面外剛度、橫梁面內剛度以及下弦桿節點處的連接方式決定了上弦桿面外穩定性能，因此有必要對上弦桿、下弦桿、腹桿以及橋面系進行選型研究。鋼管混凝土敞口桁梁橋主桁弦桿主要構件為鋼管混凝土，按照構件截面可分為圓形鋼管混凝土截面與矩形鋼管混凝土截面；主桁腹桿一般采用空鋼管截面，截面形式通常與弦桿匹配，也可采用主方支圓的組合形式（即弦桿為矩形截面、腹桿為圓形截面）；橋面系包括縱橫梁梁格體系，單橫梁體系以及新型板桁組合體系。本文基于預制裝配設計思想，從總體布置、主桁、桿件、節點以及橋面系等方面闡述鋼管混凝土敞口桁梁橋設計選型。

1.1 高跨比

高跨比是橋梁設計的重要設計參數，高跨比通常與桁梁橋的用鋼量密切相關，隨著高跨比的增大，保持桿件應力不變的情況下，桁梁總用鋼量將會有所降低，且敞口式桁梁橋建筑高度與桁高無關，橋下凈空要求較小，因此可通過不斷加大桁高實現跨徑的增大。但是由于上弦桿缺少側向支承，在高跨比較大的情況下，過高的桁高導致腹桿線剛度較小，對上弦桿的側向約束減弱，易發生上弦桿面外失穩破壞。如下頁圖 2所示，敞口式桁梁橋高跨比一般應為0.06～0.12，鋼管混凝土敞口桁梁橋高跨比通常在0.09左右，桿件選型研究對象擬定橋跨為70 m，桁高為6 m，高跨比為0.086。

1.2 寬跨比

寬跨比是敞口式桁梁橋總體布置的另一個重要參數，由于敞口式桁梁橋無上平聯，因此該結構可等效為采用開口U形截面的單梁結構，主桁中心距增大即U形截

面寬度增大勢必會導致全橋橫向剛度以及扭轉剛度發生變化，這兩種剛度共同決定了全橋的穩定性。如圖3所示，敞口式桁梁橋寬跨比變化范圍為0.1～0.3，基于標準化設計考慮，公路敞口桁梁橋橋面寬度應為12.5 m或12.75 m，桿件選型研究對象擬定橋跨為70 m，擬定主桁中心距為14 m，寬跨比為0.2。

敞口式鋼管混凝土桁梁橋選型及參數分析/李寶地

1.3 主桁及橋面布置

對于桁梁橋而言，常用的主桁腹桿布置有華倫型腹桿桁架、單斜式腹桿桁架、菱形腹桿桁架和K形腹桿桁架等，如圖4所示。相比較而言，華倫型腹桿具有以下優勢：腹桿數量較少，桿件安裝工作量小；在承受恒載時，腹桿軸向拉、壓力最為接近，截面材料強度利用效率最高；桿件布設形式更有韻律感，景觀效果更佳。

敞口桁梁橋橋面系常采用縱橫梁體系，在橋寬不大時，可以不設置縱梁，僅在下弦桿節點之間設置單橫梁，橫梁上方布置剪力釘。橋面采用預制橋面板，預制單元之間采用濕接縫連接。預制橋面板可以有效減小后期混凝土收縮、徐變而導致的橋面板與鋼梁的剪切滑移，進而減小混凝土橋面板的拉應力。

1.4 桿件選型

目前鋼管混凝土結構仍以圓形截面為主，圓形鋼管混凝土的套箍作用在于環向受拉的鋼管對管內混凝土提供均勻的壓應力，使管內混凝土均處于三向受力狀態，從而提高抗壓強度。但是圓形鋼管的存放、運輸以及放樣安裝均存在困難，且圓管節點處構造復雜、節點通常采用相貫焊接的方式，質量難以保證，疲勞問題突出。矩形鋼管混凝土相比圓形鋼管混凝土，其套箍作用有所減弱，但在施工方面，矩形鋼管存放、運輸方便，其節點處的連接構造簡單，支座安裝更為便捷。敞口式桁梁橋上弦桿易發生面外失穩，桿件選型重點考慮上弦桿截面選型，腹桿采用與上弦桿對應截面的空鋼管，下弦桿采用矩形鋼管混凝土截面更符合裝配化施工的要求。

上弦桿截面選型須先擬定圓鋼管混凝土截面尺寸，即直徑D與鋼管厚度t0。定義矩形鋼管混凝土截面高寬比β，將圓形鋼管混凝土截面等效為高寬比分別為1.0、0.75、0.5的三種矩形截面。利用有限元軟件Midas Civil建立全橋計算模型［11］，模型中結構自重、二期恒載等均按實際重量進行模擬，車道荷載及人群荷載按《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）［12］進行施加。通過有限元計算可得出全橋屈曲臨界荷載系數與桿件內力結果，根據擬定截面尺寸計算上弦桿桿件承載力與節點承載力，得出桿件承載力安全系數，節點承載力安全系數。計算分析結果如圖5所示。

通過計算結果可知，桿件承載力安全系數隨著高寬比的減小而增大，且四邊形截面承載力均大于圓形截面承載力；節點承載力安全系數隨著高寬比的減小而減小，且四邊形截面弦腹桿組合節點承載力均小于圓形截面弦腹桿組合節點承載力，其中方形組合與圓形組合節點承載力安全系數相差不大；屈曲臨界荷載系數隨高寬比的減小而增大，說明采用扁平形上弦桿能增強全橋的面外穩定性能，方形截面臨界荷載系數小于圓形截面臨界荷載系數。對于節點承載力安全系數，通過計算公式分析可知，受桿件板厚影響較大，而前述三種方案的上弦桿及腹桿板厚均有所下降，導致節點承載力較低，方形截面組合與原方案（圓形截面組合）相差不大，現考慮板厚不變，對上弦桿鋼管混凝土截面采用方形（β=1.0）、矩形（β=0.75）、扁平形（β=0.5）三種方案進行對比。計算分析結果如圖6所示。

在上弦桿鋼管板厚保持不變的情況下，上弦桿承載力安全系數隨高寬比減小而減小，但變化幅度較小；節點承載力安全系數仍隨高寬比減小而減小，但均＞1且減小幅度較小；臨界荷載系數隨高寬比減小而增大，說明采用扁平形上弦桿能增強全橋的面外穩定性能。在給定高寬比的情況下，保持內填混凝土面積不變，則板厚發生變化，對節點承載力影響較大；保持板厚不變，則內填混凝土面積發生變化，改變了桿件承載力的變化趨勢，但是影響相對較小；保持板厚不變，內填混凝土面積減小，導致桿件承載力與臨界荷載均降低，但均在安全范圍內。

綜上，簡支敞口桁梁橋上弦桿在進行試設計時，可初擬為圓形鋼管混凝土截面，即確定直徑D與板厚t，即可進行試算。為簡化設計計算過程，通常保持板厚不變，根據等效截面計算公式換算為矩形截面，即選取高寬比。由前述分析可知，高寬比減小，在保證板厚不發生變化的情況下，內填混凝土面積不斷減小，導致上弦桿桿件承載力與全橋臨界荷載系數均有所下降，高寬比取值在0.75左右為宜。

2 鋼管混凝土敞口桁梁橋參數敏感性分析

采用前述鋼管混凝土敞口桁梁橋結構選型設計方法，以70 m跨徑為例初步擬定原始方案：桁高6 m，高跨比為1/11.6；主桁中心距為14 m，寬跨比為0.2；節點間距分為7 m與8 m兩種，主桁立面布置如圖7所示；橋面系采用單橫梁體系，橫梁間距與節點間距保持一致；橋面板采用預制橋面板，橫橋向分三塊，縱橋向在橫梁處分割；上弦桿截面高寬比取0.75，各構件截面尺寸如表1所示。

2.1 高跨比影響

為研究高跨比對鋼管混凝土敞口式桁梁橋強度、剛度及穩定性的影響，調整桁高從4 m至8 m，每個方案桁高相差1 m，高跨比從1/17.5變化至1/8.75。計算結果如表3所示。

由表3計算結果可知，隨著桁高的不斷增大，在活載作用下，豎向撓度最大減小幅度為14.8%，豎向剛度大幅提升；橫向剛度最大增大幅度為22.3%，橫向剛度大幅降低。在最不利荷載作用下，各桿件最大應力均有所降低，其中上弦桿最大壓應力降低幅度可達20.2%，下弦桿最大應力降低幅度可達21.2%，腹桿最大應力降低幅度為7.1%，橫梁最大應力降低幅度為13.3%。全橋整體穩定系數降低5.8%。綜上所述，高跨比的增大可以提升全橋豎向剛度，但橫向剛度降低幅度更大，最終導致全橋整體穩定性下降。高跨比增大后，各桿件應力水平均有所下降，上下弦桿應力下降幅度最大。

2.2 寬跨比影響

為研究寬跨比對鋼管混凝土敞口式桁梁橋強度、剛度及穩定性的影響，調整桁高從14 m至22 m，每個方案桁高相差2 m，寬跨比從0.200變化至0.314。計算結果如表4所示。

由表4計算結果可知，隨著桁間距的不斷增大，在活載作用下，豎向撓度最大增大幅度為14.4%，豎向剛度大幅減弱；橫向撓度最大增大為16.1%，橫向剛度大幅降低。在最不利荷載作用下，各桿件最大應力均有所增大，其中上弦桿最大壓應力增大幅度為0.7%，下弦桿最大應力增大幅度可達3.8%，腹桿最大應力增大幅度為1.5%，橫梁最大應力增大幅度為7.2%。全橋整體穩定系數降低0.8%。綜上所述，寬跨比增大后，全橋豎向、橫向剛度均大幅降低，但全橋整體穩定性下降幅度不大。主桁間距增大后，各桿件應力水平均有所上升，橫梁應力水平受寬跨比影響最大。

2.3 主要構件尺寸變化的影響

為研究主要構件尺寸對鋼管混凝土敞口式桁梁橋強度、剛度、穩定性的影響，在計算模型中分別考慮上弦桿腹板厚度、下弦桿頂底板厚度、腹桿腹板厚度、橫梁頂底板厚度變化，擬定桿件尺寸變化如表5所示，計算結果如圖8所示。

由圖8計算結果可知，橫梁頂底板厚度的增加可以有效降低全橋豎向撓度，降低幅度可達13.9%，其余構件板厚變化對全橋豎向撓度影響程度較小；橫梁頂底板厚度的增加同時會降低全橋的橫向撓度，降低幅度可達8%，通過增加下弦桿頂底板厚度，全橋橫向撓度可降低3%，其余構件板厚變化對全橋橫向撓度影響程度較小；腹桿腹板與上弦桿腹板板厚的變化對全橋穩定性能影響最為突出，腹桿腹板板厚的增加使全橋臨界荷載值增大幅度為4%，上弦桿腹板板厚的增加使全橋臨界荷載值增大幅度為3%，橫梁及下弦桿頂底板板厚變化對全橋穩定性影響不大。

3 結語

本文以鋼管混凝土敞口式桁梁橋為研究對象，基于預制裝配設計思想，從總體布置、主桁、桿件、節點以及橋面系等方面闡述鋼管混凝土敞口桁梁橋設計選型，并通過有限元計算及參數設置對橋梁強度、剛度及穩定性進行敏感性分析，得出主要結論如下：

（1）敞口式桁梁橋高跨比一般應為1/16～1/8，鋼管混凝土敞口桁梁橋高跨比宜取1/11左右。鋼管混凝土敞口桁梁橋高跨比宜取為0.1～0.3。主桁布置采用華倫型腹桿布置最佳，可有效減小腹桿數量及桿件安裝工作量，增大腹桿截面材料強度利用效率且桿件布設形式更有韻律感，景觀效果更佳。

（2）鋼管混凝土敞口桁梁橋上弦桿在進行試設計時，可初擬為圓形鋼管混凝土截面，即確定直徑D與板厚t，即可進行試算。為簡化設計計算過程，通常保持板厚不變，根據等效截面計算公式換算為矩形截面，上弦桿截面選型宜采用寬高比為0.75左右的矩形鋼管混凝土截面，腹桿采用與上弦桿對應截面的等寬空鋼管，下弦桿采用矩形鋼管混凝土截面更符合裝配化施工的要求。

（3）桁高的增大可以提升全橋豎向剛度，但橫向剛度降低幅度更大，最終導致全橋整體穩定性下降。高跨比增大后，各桿件應力水平均有所下降，上下弦桿應力下降幅度最大。橋寬增大后，全橋豎向、橫向剛度均大幅降低，但全橋整體穩定性下降幅度不大。主桁間距增大后，各桿件應力水平均有所上升，橫梁應力水平受寬跨比影響最大。

（4）橫梁頂底板厚度的增加可以有效降低全橋豎向撓度，其余構件板厚變化對全橋豎向撓度影響程度較小，橫梁頂底板厚度的增加也會降低全橋的橫向撓度。增加下弦桿頂底板厚度可有效降低全橋橫向撓度，其余構件板厚變化對全橋橫向撓度影響程度較小。腹桿腹板與上弦桿腹板板厚的變化對全橋穩定性能影響最為突出，橫梁及下弦桿頂底板板厚變化對全橋穩定性影響不大。

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