宽幅钢桁梁桥面系参与主桁共同作用效应研究

傅晨曦，周　青，华　新，韩大章

宽幅钢桁梁桥面系参与主桁共同作用效应研究

傅晨曦，周青，华新，韩大章

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005）

在设有纵横梁的钢桁梁桥面系结构中，混凝土板与纵、横梁形成组合截面，参与主桁整体结构受力。文章分别以主桁轴力、刚度为对象，分析钢桁梁桥面系参与主桁共同作用的程度。由于公路钢桁梁具有宽幅的显著特点，对5种不同桁宽的参数模型进行对比分析，研究桁宽变化对钢桁梁桥面系参与主桁共同作用效应的影响。

宽幅大跨；钢桁梁；桁宽变化；桥面系；共同作用

下承式公路钢桁梁桥与混凝土连续梁、系杆拱等常见桥梁相比具有自重轻、建筑高度低，施工周期短、对通航影响小、结构形式合理、安全可靠等优点，而且采用此类桥梁进行老桥改造时可最大程度利用老桥基础、主桥两岸接线，节约了建设资金，较大程度适应了现有的地形条件。江苏省内三级航道通航净宽80～90 m，主跨100～120 m公路钢桁梁桥在航道桥梁中应用越来越广泛。由于道路设计净空要求，车道数较多的公路钢桁梁宽度一般较宽，相对传统铁路钢桁梁桥具有宽幅的显著特点。项目背景工程为双向4车道，两侧各设置3 m人行道，本项目采用分幅设计，单幅桁梁主桁中心距13.45 m。随着车道数的增加，钢桁梁的中心距将进一步增加。

1　公路钢桁梁桥面系

公路钢桁梁的桥面构造形式主要有：钢混凝土结合桥面和钢正交异性板桥面。因为正交异性板钢桥面板制作、安装困难，用钢量较大，养护维修费用较高，公路钢桁梁通常采用钢混凝土结合桥面。

结合梁混凝土桥面板的功能是将桥面荷载传递给钢梁结构，与钢梁结构共同受力，增加钢梁结构的整体刚度，节省用钢量。混凝土板的受力极其复杂，存在多种受力体系。桥面板直接承受轮压局部荷载一般称为第三受力体系。在设有纵横梁的桥面系结构中，混凝土板还与纵、横梁形成组合截面，作为纵横梁的上翼缘板与纵横梁一起共同承受车辆活载，这一体系一般称为第二受力体系。除此之外，桥面系参与主桁整体结构受力，一般称为第一受力体系。

本文分别以主桁轴力、刚度为研究对象，分析钢桁梁桥面系参与主桁共同作用的程度，并对5种不同桁宽的模型进行对比分析，以研究桁宽变化对钢桁梁桥面系参与主桁共同作用的影响。

2　物理意义

在宽幅大跨组合梁桥面系中，桥面系参与主桁共同作用，相当于桥面系有一部分可折合到主桁下弦杆中去。这部分可折合到下弦杆中去的桥面系面积称作桥面系参与主桁共同作用的有效面积。因下弦杆以受轴力为主，所以桥面系对主桁的贡献用面积来衡量。

采用如下符号和定义：Ae表示桥面系参与主桁下弦杆共同作用的有效面积；At表示桥面系总横截面积，包括纵梁、混凝土桥面板；ρ表示桥面系参与主桁共同作用的有效面积比，ρ=Ae/At，由于Ae和ρ不容易直接求得，所以从下弦杆与桥面系的轴力分配以及桥面系对主桁刚度增大的贡献定义桥面系参与主桁共同作用的贡献；φ表示桥面系分担主桁下弦杆轴力的比例；Sc表示桥面系将主桁下弦杆的刚度增大的百分比［1-2］。

3　计算方法

研究建立3种有限计算模型：

（1）M0模型：将桥面板、纵梁、下平联的弹模设定为0，即只考虑裸桁进行计算，忽略桥面系的作用。

（2）A模型：建立桥面板以板单元模拟，参与桥面系共同受力，桥面板、纵梁、下平联的弹模按实际值取。

（3）B模型：不考虑桥面板参与桥面系共同受力，桥面板仅以均布荷载施加于小纵梁，纵梁、下平联的弹模按实际值取。

为了研究桁宽增大对桥面系参与主桁共同作用效应的影响，分析采用5种桁宽参数模型，模型立面见图1。

图1　各参数模型立面图（单位：cm）

参数建模时应注意以下几点：

（1）保持各杆件截面尺寸及外荷载标准不变，仅变化主桁中心距。

（2）假定桁宽极取差3.5 m，以10 m、13.5 m、17 m、20.5 m、24 m 5种不同桁宽建立各钢桁梁模型。

（3）为了使每根小纵梁承受桥面板重量保持不变，各参数模型小纵梁间距均为1.75 m，数量随桁宽增大而增加，分别为5、7、9、11、13。

各参数模型桥面系横断面见图2。

图2　各参数模型桥面系横断面图（单位：cm）

3.1φ的计算方法

由M0模型计算得到下弦杆的轴力为N0，A模型计算得到下弦杆的轴力为N1，B模型计算得到下弦杆的轴力为N2，因此桥面系分担主桁下弦杆共受轴力作用的程度可以定义为：

式（1）表示桥面板参与桥面系共同受力的情况下，桥面系分担主桁下弦杆轴力的比例；

式（2）表示桥面板仅以均布荷载作用于小纵梁的情况下，桥面系分担主桁下弦杆轴力的比例。

3.2Sc的计算方法

由薄壁杆件截面特性和板厚的关系［3］，计算Sc时，在主桁其它杆件和荷载等都不变的前提下，只要将M0的主桁下弦杆的横截面积和抗弯惯性矩同步增大，使主桁的挠度降至与A和B桥面方案下的结果相同，下弦杆横截面积和惯性矩的增大的百分比即为桥面系参与主桁下弦杆共同作用的程度Sc。事实上，在有限元分析中只要改变下弦杆的弹性模量E即可。

对M0不断增大下弦杆的刚度，荷载不变，每增大一次作一次全桥空间有限元分析，直至增大下弦杆后M0的主桁挠度与第1步中算出的A或B的主桁挠度相同，设M0最后下弦杆刚度增大的倍数为kc，则Sc=kc-1，即为桥面系将主桁下弦杆刚度增大的倍数。

求出Sc后，就可以计算Ae和ρ：

式中：Alc为下弦杆的面积。

4　轴力分析

按照上述的计算方法，对采用A桥面方案和B桥面方案的钢桁架分别进行下弦杆轴力计算，分析两种桥面方案参与主桁共同受力的程度。其中M0模型计算结果用来进行对比分析。

恒载+活载作用下，5种宽度的钢桁架跨中下弦杆轴力计算结果见表1（由M0模型计算得到下弦杆的轴力为N0，A模型计算得到下弦杆的轴力为N1，B模型计算得到下弦杆的轴力为N2）。

表1　恒+活作用下主桁跨中下弦杆轴力

3种计算模型在恒+活荷载工况下，主桁跨中下弦杆轴力随主桁中心距变化的关系见图3。由图可知，随着主桁中心距增大，下弦杆轴力随之增大，这是由于恒载与活载增大而引起的。A模型和B模型的下弦杆轴力均明显小于裸桁，说明桥面系为主桁分担了一部分轴力。而A模型下弦杆轴力均小于B模型，说明A模型桥面系比B模型承担轴力比例更大。

桥面系分担下弦杆轴力比例随主桁中心距变化的关系见图4。由图可见，5种主桁中心距模型计算所得的φ1均大于φ2，即A模型桥面系分担主桁轴力的比例要比B模型大，说明A模型中混凝土桥面板提高了桥面系的纵向刚度，使桥面系更大程度地参与主桁共同受力。对于A模型，主桁中心距的增大对φ1的影响很小，对于B模型，主桁中心距增大，φ2随之减小，桥面系参与主桁共同作用程度随之减小。

图3　主桁跨中下弦杆轴力

图4　桥面系分担下弦杆轴力的比例

5　刚度分析［3］

根据3.2中的计算方法，分析桥面系将主桁下弦杆刚度增大的倍数，从而得到桥面系参与主桁共同作用的有效面积比。

恒载+活载作用下，A模型、B模型与裸桁M0模型的钢桁架跨中下弦杆挠度分析结果见表2和表3。其中，d0为由M0模型计算得到下弦杆的挠度；d1为由A模型计算得到下弦杆的挠度；d2为由B模型计算得到下弦杆的挠度；E0为M0模型下弦杆弹模；E1为为使M0模型下弦杆挠度与A模型相等，将下弦杆弹模提高后的弹模值；E2为为使M0模型下弦杆挠度与B模型相等，将下弦杆弹模提高后的弹模值。

表2　A模型主桁跨中下弦杆挠度

表3　B模型主桁跨中下弦杆挠度

由表可见，恒载+活载作用下，随着主桁中心距增大，跨中下弦杆挠度相应增大，主要原因是恒载与活载随着主桁中心距增大而增大。

不同模型的跨中下弦杆挠度变化见图5。由图可见，对于不同的主桁中心距，A模型、B模型计算得到的下弦杆挠度d1、d2均比M0模型计算所得挠度d0要小，这是由于桥面系参与受力，主桁整体刚度大于M0裸桁模型。对于每种主桁中心距的模型，d1均小于d2，表明含有混凝土桥面板参与作用的A模型的刚度要大于无混凝土桥面板的B模型。桥面板参与作用，一定程度上提高了主桁刚度。另外，随着主桁中心距的增大，下弦杆弹模提高比例随之减小。

A模型、B模型桥面系参与主桁共同作用的有效面积比计算结果分别见表4、表5。由表可见，恒载+活载作用下，A模型的桥面系参与主桁共同作用的有效面积比为31.89%～84.77%，B模型的桥面系参与主桁共同作用的有效面积比为18.19%～68.88%。

图5　跨中下弦杆挠度

表4　A模型桥面系参与主桁共同作用的有效面积比

表5　B模型桥面系参与主桁共同作用的有效面积比

不同模型的桥面系参与主桁共同作用的面积比变化见图6。由图可见，对于不同的主桁中心距，A模型的桥面系有效面积比均明显大于B模型，表明A模型的桥面系参与主桁共同作用的程度要优于B模型，混凝土桥面板一定程度增强了桥面系参与主桁共同作用的面积。

图6　桥面系参与主桁共同作用的面积比变化图

随着主桁中心距的增大，桥面系参与主桁共同作用的有效面积比呈逐渐减小的趋势。主桁中心距由10 m增大至24 m，A模型的桥面系有效面积比由84.77%降至31.89%，B模型的桥面系有效面积比由68.88%降至18.19%。由此可见，钢桁梁主桁中心距越大，桥面系参与主桁共同作用的能力越小，对于宽幅钢混组合梁结构，建议增强桥面板与主桁的结合程度，使桥面系能更好地参与主桁共同受力。

6　结论

通过对宽幅大跨钢桁梁桥面系参与主桁共同作用效应研究，可得到以下结论：

（1）由轴力分析可知，A模型桥面系分担主桁轴力的比例要比B模型大，说明A模型中混凝土桥面板提高了桥面系的纵向刚度，使桥面系更大程度地参与主桁共同受力。

（2）由刚度分析可知，对于不同的主桁中心距，A模型的桥面系有效面积比均明显大于B模型，表明A模型的桥面系参与主桁共同作用的程度要优于B模型，混凝土桥面板一定程度增强了桥面系参与主桁共同作用的面积。另外，随着主桁中心距的增大，桥面系参与主桁共同作用的有效面积比逐渐减小，也即桥面系参与主桁共同作用的能力越小。

综上所述，对于采用钢混组合桥面系的宽幅大跨公路钢桁梁，建议采取措施增强桥面板与主桁的结合程度，使桥面系能更好地参与主桁共同受力。

［1］JTJ D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［2］叶见曙.结构设计原理（第三版）［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［3］梁炯.两主桁四线高速铁路斜拉桥桥面系结构形式和刚度问题的研究［D］.长沙：中南大学，2012.

Research on Interaction Effects of Deck System Involved in the Main Truss of Wide Steel Truss Bridge

Fu Chenxi， Zhou Qing， Hua Xin， Han Dazhang
（Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company， Nanjing 210014， China）

In the steel truss bridge deck system with longitudinal and horizontal girders， a composite section formed by concrete slab and longitudinal and horizontal girders participates in the overall structure of the main truss. In this article， the axial force and stiffness of main truss are used to analyze the degree of participation in interaction of deck system and the main truss. Because the steel truss bridge in highway department has a notable feature of wide， the interaction effects of deck system involved in the main truss considering the wide variations are researched， comparing 5 parametric models with different truss width.

wide long-span； steel truss bridge； wide change of truss； deck system； interaction effects

U443.32

A

1672-9889（2015）06-0017-04

傅晨曦（1986-），男，江苏江阴人，工程师，主要从事桥梁结构设计与研究工作。

（2014-12-23）