板桁组合结构受力分析

魏 民

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

板桁组合结构受力分析

魏 民

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

对板桁组合结构受力特征进行了分析，揭示了其桥面板荷载的分布规律，提出了板桁组合体系主梁的简化模型方法，针对不同形式的桥面板对荷载传递路径及大小进行了分析，得出了一些有意义的结论。

正交异性板，板桁组合体系，荷载传递路径

0 引言

正交异性钢桥面板，是用纵横向互相垂直的加劲肋(纵肋和横肋)连同桥面盖板所组成的共同承受车轮荷载的结构。这种结构由于其刚度在互相垂直的两个方向上有所不同，造成构造上的各向异性,正交异性钢板结构桥面板的自重约为钢筋混凝土桥面板或预制预应力混凝土桥面板自重的1/2～1/3，对于大跨径的悬索桥及斜拉桥，可大大减少结构自重。

正交异性板除作为桥面外，还是主梁截面的组成部分，它既是纵横梁的上翼缘，又是主梁的上翼缘。

正交异性板常用作钢箱梁行车道桥面板，钢箱梁结构较柔，对于刚度要求较大的结构适应性不强，如大跨径铁路悬索桥，钢桁架刚度较大，如将正交异性板与钢桁梁组合，对于大跨径的铁路悬索桥主梁设计无疑是一个新的途径。

德国的Fuldatl桥主梁就是采用的板桁组合体系，该结构充分发挥了桁架与正交异性板的性能特点，很大程度上改善了主桁架的受力，国内香港青马大桥主梁也是采用的该种构造。

如何以简便的模拟方式来获得结构的最为真实的力学性能，最理想的情况就是采用一维梁进行简化处理，这样效率最高，但是如何得到简化的依据及精度，本文对板桁组合体系结构的真实受力情况进行初步分析，从中找到较为实用的规律特征，为简化模型提供铺垫。

1 板桁组合体系分析

1.1 主要分析方法

总结已有的正交异性钢桥面板的结构形式及其受力特性；为了解正交异性整体钢桥面板的加劲梁的受力特征，以假想铁路悬索桥为背景，对不同结构形式的整体正交异性板合成桥面系加劲梁悬索桥进行加载分析。

1.2 正交异性板主要构造形式

国内外在建或者已建的正交异性整体钢桥面板因桥梁结构形式、荷载形式、桥梁跨度等不同的影响因素，钢桥面板的构造亦各不相同，主要有纵横梁式整体正交异性板、多横梁式整体正交异性板、密布横梁式整体正交异性板。

纵横梁式整体正交异性桥面板与普通正交异性板相同，在节点处设置一大横梁，在节间设置若干小横梁，但不与弦杆相连。另外在需要加劲的部位布置若干纵梁，这样可以较为直接的分担桥面荷载，提高桥面板的局部的竖向刚度。

多横梁式整体正交异性板在纵横梁式整体正交异性板的基础上将节间小横梁与弦杆相连，并可适当的减小纵梁尺寸。

密布横梁式整体正交异性板则是在多横梁式整体正交异性板的基础上去掉纵梁，加密节间小横梁。

上述三种形式的整体正交异性板合成桥面系的构造及受力特点：其中多横梁式整体正交异性板的受力及构造特点均介于纵横梁式整体正交异性板与密布横梁式整体正交异性板之间，本文只对纵横梁式与密布横梁式整体正交异性板做对比分析，对于多横梁体系结构的受力，应该介于纵横梁与密布横梁之间。

1.3 板桁组合体系有限元分析

板桁组合加劲梁的桥面系与主桁的相互约束作用强，较以往只以主桁作为主要承力构件的分离式桥面系受力有所不同：该桥面系通过支座与桁架相连，与主桁相互约束能力弱，其对主桁的抗弯、抗压刚度的贡献有限，几乎不参与第一系统受力，主要以第二、三系统受力为主；合成桥面系加劲梁其桥面系盖板、小横梁或者副桁架与弦杆相连，从而形成稳定体系，其主桁相互约束能力强，能够很大程度分担主桁受力，参与了三个系统受力，其中第一系统受力占据很大程度。

数值分析已经成为力学分析的主要方法之一，而合理的力学模型的获得则是有限元分析成功的基础。为了获得上述两种桥面结构的主桁、纵梁、横梁、桥面系等主要受力构件在不同荷载作用下的真实力学情况，本文采用大型通用有限元软件ANSYS，分别对上述两种桥面系结构进行建模分析，空间力学模型单元离散如下：

1)索塔系统。桥塔塔柱、横梁均采用梁单元Beam44，为使主缆IP点达到理想成桥状态，需对塔柱梁单元也进行预抛高处理。2)缆索系统。悬索桥为柔性结构，主缆、吊索只受拉，模型中采用Link10单元模拟，施加杆单元初应变。3)加劲梁系统。整体正交异性板合成桥面系非常复杂，模型中对于主桁架及下平联采用梁单元Beam44进行模拟；为了获得较为真实的桥面板受力情况，对于桥面系中的上弦杆、桥面板、纵梁、横梁、加劲梁均采用板壳单元Shell63进行模拟。4)约束系统：本模型采用全漂浮体系，未有纵向限位等方面的考虑。

选取对桥面板最不利的两种工况进行分析：

工况一：上弦杆产生最大拉应力。

工况二：下弦杆产生最大压应力。

后文中均以工况一和工况二来描述两种工况。

2 板桁组合体系主要分析成果

2.1 板桁组合体系有限元分析

第一系统受力分析时，桥面系与主桁共同作用，一起承担节间纵向力。对于纵横梁式整体正交异性板，纵梁参与第一系统作用的程度主要与弦杆面积、纵梁面积、横梁面外刚度及横梁与主桁连接节点刚度有关。钢桥面系参与主桁第一系统的共同作用程度大约在40%～60%，由此可以看出桥面系受力在第一系统中所占的比重很大，在设计的时候应该给予足够的关注。

2.2 板桁组合体系桥面板传力途径

桥面系荷载的传递规律是板桁合成桥面系构造的受力性能的主要研究内容之一。力的传递规律能够最为直观的反映结构的受力特点，评判结构是否合理。不管对于纵横梁整体正交异性钢桥面板、多横梁整体正交异性钢桥面板，还是密布横梁整体正交异性钢桥面板结构，桥面盖板均与上弦杆连接(本文不考虑盖板通过桁架间接地与弦杆连接的桥面系结构)，所以对于上述三种结构桥面荷载传递路径均有两条：

1)路径一：先纵向后横向：钢桥面板、纵肋、纵梁纵向节点大横梁上，再横向传递到上弦杆节点上。

2)路径二：先横向后纵向：钢桥面板、小横梁横向传递到上弦杆上，再纵向传递到上弦杆节点上。

不同的荷载传递路径必将引起不同的结构响应，同样的，对于不同结构形式的合成桥面系结构，其两种传递路径的比值亦不同，且一般情况下一个结构中上述的两种传递路径同时存在，且仅有此两条传递路径。我们可以假设路径一的传递比为R1，那么路径二的传递比R2=1-R1。提取有限元计算中加载节间的荷载沿两条路径的传递比如图1，图2所示。

在结构中，荷载通过钢桥面板的传递比，不管是纵向传递还是横向均不到5%；对于纵横梁体系，荷载沿U肋传递约为25%，沿着纵梁传递至大横梁占据了大部分，约为70%。综上，荷载沿着第一条路径传递占到了95%以上，第二条传递路径不到5%，纵横梁体系荷载基本上通过第一条传递路径进行受力，对于纵横梁体系将纵梁与桥面板简化为一虚拟纵梁来承受桥面荷载是可行的。

密布横梁体系的钢桥板纵横向的传递比仍很小，亦不到5%，而U肋的传力比却高达60%，节间横梁的传递比约为30%。综上，荷载沿着第一条路径传递比约为65%，荷载沿着第二条路径的传递比约为35%；对于密布横梁体系来说，荷载沿着纵横向传递均占据较大比例。

3 结语

1)板桁组合结构的受力体系中，桥面板参与第一体系受力，并且比重极大，根据结构形式的不同约占40%～60%，在进行设计中应该给予足够重视。2)桥面荷载作用下，纵横梁体系与密布横梁体系面外受力有较大的区别。纵横梁体系的荷载纵向传递比约为95%，横向传递约为5%；对于密布横梁体系，荷载纵横传递比65%，横向传递比35%。

[1] 张 敏，叶梅新，韩衍群.下承式半结合钢桁结合梁桥第一系统受力性能[J].中南大学学报(自然科学版)，2010,41(3):91-92.

[2] 王荣辉,徐林荣,曾庆元.板桁组合结构空间计算的板桁梁段有限元法[J].工程力学,1999,16(4):168-169.

[3] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[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，工程师

TU398

A