填充长度对部分填充混凝土钢桁梁桥力学性能的影响分析

2018-04-08，

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2018年1期

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(石家庄铁道大学工程力学系，河北石家庄　050043)

0　引言

钢管混凝土拱桥具有自重轻、强度大、造型轻盈美观和施工进度快的优点，在修建大跨径桥梁时被越来越多地采用[1]。在钢管混凝土拱桥的基础上发展了很多新桥型，部分填充混凝土钢管结构就是其中之一。部分填充混凝土钢管结构桥梁的概念被提出之后，得到了广泛应用，很多学者围绕其静力、动力和稳定性进行了相关研究[2-7]，发现部分填充混凝土结构具有自重轻、稳定性好、应力水平低、整体刚度高等优点。

部分填充混凝土钢桁梁桥是在部分填充钢管结构基础上发展的一种新型桥梁结构形式，应用于桥梁建设中的优势比较明显，具有良好的应用前景[2]。尽管在国内外有一些应用，但是对部分填充混凝土钢管结构桥梁的研究还很有限，还未形成一套完善的理论体系、设计理念和共识[3]。周叶飞等[4]也提出如何合理选择填充区域将是一个新的课题，所以关于混凝土填充长度对部分填充混凝土钢桁梁桥的研究很有意义也有必要。以天津海河某部分填充混凝土钢桁梁桥为研究对象，利用ANSYS有限元分析软件，建立了钢桁梁桥的空间有限元分析模型，通过对钢桁梁桥的位移、应力、动力特性进行系统地分析，研究了混凝土填充长度系数对部分填充混凝土钢桁梁桥的影响，为同类桥梁的设计提供参考。

1　工程概况

天津海河某部分填充混凝土钢桁梁桥位于天津市滨海新区，跨越海河，为三跨变截面连续钢桁组合桁架桥，主跨跨径为140 m、边跨跨径为95 m。其中，主桁中墩处梁高12 m，跨中截面高3.5 m，边跨连接墩处高3.0 m，桥面宽度为43 m。主桥桁架结构分为上下两幅，每幅横向由6榀桁架组成，桁架横向中心间距为3.56 m，一榀桁架由上弦杆、下弦杆和腹杆组成，腹杆又分为竖杆和斜杆。上桁架、下桁架为箱型截面，其中上桁架为等高度，下桁架为变高度箱型截面。在中墩墩位线两侧的下弦杆内对称灌注混凝土，并通过焊钉进行连接。主桥横向联系分为上横撑、下横撑和下平纵联。主桥平面布置图如图1所示，部分构件截面如图2所示。

图1　主桥平面布置图(单位：m)

图2　部分构件截面

2　有限元模型

基于大型通用有限元软件ANSYS建立钢桁梁桥三维空间有限元模型，其中上弦杆、下弦杆、腹杆上横撑、下横撑、下平纵联和桥墩均采用BEAM189梁单元模拟，桥面板采用SHELL181壳单元模拟。其中杆件变截面和部分填充混凝土下弦杆组合截面均是通过ANSYS的自定义截面功能实现，变截面是利用相邻节点处两个不同截面组合而成，组合截面则是通过分别赋予不同的材料属性实现，组合截面如图3所示。每个桥墩由3个梁单元模拟，其中包括变截面梁单元1个。墩底边界条件为固结。其中，x向为纵桥向，z向为横桥向，y向为竖向。全桥有限元模型共7 325个节点，3 165个梁单元，310个壳单元，有限元模型如图4所示。

图3　组合截面

图4　钢桁梁三维有限元模型图

为研究填充长度对桥梁力学性能的影响，定义μ=L0/L为混凝土填充长度系数，其中L为中跨跨径，L0为混凝土填充长度，如图5所示。由图可知0<μ<0.5。本文根据所研究钢桁梁桥的下弦杆节段布置，分别取0、0.064、0.121、0.175、0.225、0.271和0.314等7种混凝土填充长度系数进行研究。

图5　填充位置图

3　结果分析

3.1　位移分析

由于本桥纵桥向略成曲线状，会引起钢桁梁桥产生横向位移，因此位移分析包括横向位移和竖向位移。在自重作用下，不同混凝土填充长度钢桁梁桥的横向位移及竖向位移分布分别如图6、图7所示。中墩处截面横向位移、跨中截面竖向位移随填充系数变化趋势如图8、图9所示。考虑到本桥的对称性，仅取左半桥进行分析。

图6　钢桁梁桥横向位移

图7　钢桁梁桥竖向位移

图8　中墩处截面横向位移

图9　跨中截面竖向位移

由图6～图9可知，随着混凝土填充系数的增加，钢桁梁桥的横向位移和竖向位移均有不同程度的变化，其中横向位移的改变量较小，竖向位移的改变量较大。对钢桁梁桥横向位移而言，中墩处截面横向位移变化趋势较大，随着混凝土填充系数的增加大致呈增加趋势，虽然其值较小，但容易使钢桁梁桥产生较大偏心矩，因此混凝土填充系数不宜太大。对钢桁梁桥竖向位移而言，中跨跨中截面处竖向位移变化较为剧烈，随着混凝土填充系数的增加，跨中截面竖向位移绝对值先减小后增加，且混凝土填充系数超过0.121后减幅逐渐减小，当混凝土填充系数为0.225时，跨中截面竖向位移绝对值达到最小值。因此对钢桁梁桥横向位移以及竖向位移而言，混凝土填充系数宜大于0.121而小于0.225。

3.2　应力分析

上弦杆和下弦杆的应力分布如图10、图11所示，部分斜杆的应力如表1所示。其中斜杆的具体位置如图12所示。

图10　下弦杆应力分布

图11　上弦杆应力分布

图12　斜杆位置及编号

表1　斜杆应力　　MPa

由图10、图11可知，由于部分填充混凝土增加了下弦杆截面面积，因此下弦杆应力受部分填充混凝土的影响较大，例如当混凝土填充系数为0时下弦杆最大压应力为49.42 MPa，而当混凝土填充系数为0.121时下弦杆最大压应力仅为37.94 MPa。随着混凝土填充长度的增加，钢桁梁桥下弦杆最大压应力和最大拉应力均逐渐减小，所以其最大应力绝对值大致呈减小趋势，因此对下弦杆而言混凝土填充系数越大越有利。与下弦杆的应力变化趋势类似，上弦杆的最大拉应力逐渐增加，最大压应力逐渐减小，最大应力绝对值呈增加趋势，因此对上弦杆而言混凝土填充系数越小越有利。当混凝土填充系数分别为0、0.064、0.121、0.175、0.225、0.271、0.314时，下弦杆的最大应力绝对值分别为49.42、49.12、49.37、37.94、38.92、32.04和32.20 MPa；上弦杆的最大应力绝对值分别为27.09、27.74、27.98、29.91、31.97、34.48和37.23 MPa。

由表1可知，随着混凝土填充系数的增加，被观测斜杆的应力发生了很大变化，最大应力绝对值大致呈先减小后增加的趋势。

由此可见，随着混凝土填充系数逐渐增加，钢桁梁桥最大应力水平先减小后增加，当混凝土填充系数为0.175时，钢桁梁桥的最大应力水平最低，钢桁梁桥的强度最大。考虑到经济因素，混凝土填充系数不宜大于0.175。

3.3　动力特性分析

不同混凝土填充长度钢桁梁桥的前10阶频率和振型特征如表2所示。

表2　钢桁梁自振频率及振型特征

由表2可知，填充混凝土长度对钢桁梁桥振型特征无影响，所有结构形式的各阶振型一致。钢桁梁桥的前三阶振型特征分别为竖向弯曲、反对称竖向弯曲和横向振动，说明钢桁梁桥的竖向刚度和横向刚度相对较小。

同时从表2中可以看出：混凝土填充长度对钢桁梁桥的自振频率影响较小，但总体呈先增大后减小的变化趋势。这是因为随着部分混凝土填充长度增加，钢桁梁桥刚度逐渐增加，但随之钢桁梁桥自重也有所增加，而自振频率的改变仅与钢桁梁桥刚度和质量分布有关，因此钢桁梁桥自振频率变化不大。当部分填充混凝土引起的刚度增加效应大于部分填充混凝土引起的自重增加效应时，桥梁自振频率呈增大趋势；当部分填充混凝土引起的刚度增加效应小于部分填充混凝土引起的自重增加效应时，桥梁自振频率减小。

由于工程中比较关心的是低阶频率，因此可仅根据前三阶自振频率选取部分填充混凝土系数。当混凝土填充系数超过0.121之后，前三阶自振频率均逐渐减小，因此混凝土填充系数不宜大于0.121。