桥面板与钢结构连接方式对钢桁架拱桥受力性能影响分析

阮 杰

（同济大学，上海市200092）

1 概 述

采用中跨钢桁架拱、边跨钢桁架梁的连续钢桁架拱桥以其流畅优美的造型，在一些桥梁方案比选时受到青睐。这类桥梁中钢-混凝土组合桥面系结构避免了混凝土桥面自重大、钢桥面病害多的难题，成为很多工程的首选方案。出于行车舒适度的考虑，钢桁架拱桥中组合桥面系一般全桥范围内连续布置。

连续钢桁架拱桥通常为无推力的系杆拱桥，组合桥面系将参与抵抗拱肋水平推力。由于拱梁刚度比、边中跨结构形式不同于常规系杆拱桥，连续钢桁架拱桥中的组合桥面系的受力情况需要深入研究。本文结合具体工程，研究混凝土桥面板与钢主梁、钢横梁之间采用不同连接方式，对连续钢桁架拱桥受力的影响[1-4]。

2 工程概况

上海市金山大桥采用30 m+120 m+30 m 下承式连续钢桁架拱桥。桥面布置双向六车道、两侧人行道及非机动车道，采用分离式两幅桥布置，桥宽2×18.25 m，见图1、图2。

主桥由两片桁架和5 道风撑组成，拱肋桁架竖直布置，在边跨连接上弦杆和主梁，全桥呈密布N 型钢桁架梁拱结构形式。下弦杆采用二次抛物线，下弦矢高24 m，矢跨比为1∶5；上弦杆采用二次抛物线与圆曲线结合，中跨中间部分为二次抛物线，并以反向圆曲线延伸至边跨。主跨布置13 对吊杆，间距8 m。

桥面板厚度280 mm，采用分块预制、现浇湿接缝连接的方式与钢结构形成钢- 混凝土组合桥面系。

图1 桥梁立面布置图（单位：m）

图2 桥梁平面布置图（左：1/2 风撑；右：1/2 桥面系）（单位：m）

3 有限元模型

3.1 模型的建立

取单幅主桥进行分析，全桥整体受力分析采用通用有限元软件ANSYS 建模。用梁单元BEAM189模拟钢桁架、系梁、横梁、小纵梁、风撑等，用壳单元SHELL63 模型混凝土桥面板，用杆单元LINK8 模拟吊杆等，混凝土与钢结构之间连接的剪力钉简化为刚性连接，用MPC184 单元模拟。模型顺桥向为X 轴、横桥向为Y 轴，竖向为Z 轴；X 坐标0 和180 对应边支点位置、X 坐标30 和150 对应中支点位置。

3.2 施工过程模拟与荷载组合

主桥采用先拱后梁的施工方案，即安装钢桁架拱肋并张拉临时系杆、在分段安装中跨系梁并合龙后拆除临时系杆、最后安装桥面板的方案。

有限元模型中通过单元“生死”模拟实际施工过程，钢结构安装就位后施加混凝土桥面板荷载，此时桥面板恒载均作用于钢结构；桥面板与钢结构形成组合体系后再施加预应力及二期恒载、活载等。

荷载主要研究一期恒载、二期恒载、汽车活载、整体升温作用和局部升温作用五种典型工况。

3.3 设计方案与模型

为研究混凝土桥面板与钢结构不同连接方式对全桥受力的影响，拟定了三种设计方案。

方案A：混凝土桥面板与钢系梁、钢横梁、小纵梁组成的桥面格子梁均通过剪力钉连接，桥面板在横桥向是连续满布的。

方案B：混凝土桥面板仅钢横梁和小纵梁通过剪力钉连接，与钢系梁不连接，桥面板在横桥向仅布置在车道所需范围内，见图3。

图3 桥面板与钢结构连接方案B（单位：mm）

方案C：在方案B 的基础上，将中支点附近的系梁上翼缘伸出一部分，作为端部加强的纵向板通过剪力钉与混凝土桥面加强连接，见图4。

图4 桥面板与钢结构连接方案C（图示拱脚附近）（单位：mm）

4 混凝土与钢梁连接方式对全桥的影响分析

4.1 钢拱肋受力分析

一期恒载作用下，桥面板与系梁连接方式对于拱肋下弦杆受力几乎没有影响，下弦杆受力情况接近于常规单肢钢箱拱桥拱肋全部受压、跨中轴力小、支点轴力大的特点。方案B、方案C 下弦杆轴力几乎一样，分别比方案A 少7%和10%左右，是由于方案A 桥面板一期恒载重量更大造成的。二期恒载、汽车活载作用下，拱肋下弦杆轴力情况与一期恒载作用类似，三种连接方式影响不大，见图5。

图5 拱肋下弦杆在一期恒载作用时轴力图

整体升温作用和桥面板局部升温作用时，下弦杆呈现跨中二分之一受压、其余部分受拉的基本趋势，三种连接方式中方案B、方案C 几乎相同，且跨中和拱脚轴力均小于方案A，见图6。

图6 拱肋下弦杆在整体升温作用时轴力图

按作用基本组合考虑各项荷载综合作用，连接方案B 和C 均能相比方案A 降低上弦杆跨中轴力约6.5%，见图7。

图7 拱肋下弦杆在基本组合下时轴力图

各工况下三种连接方式对拱肋下弦杆的受力与上弦杆类似。

可以看出，三种连接方案均能使得桥面系承担拱肋水平推力，恒载和汽车活载作用下钢拱肋受力差别不大，但方案B 和方案C 相当于降低了结构整体刚度，可减小温度作用下拱肋轴力，将优于方案A。

4.2 钢系梁受力分析

一期荷载均由钢结构承担，因三种连接方案混凝土自重不同，钢系梁轴力分布基本一致，仅数值略有不同。二期恒载由钢-混凝土组合桥面系共同承担，相对于方案A，方案B 和方案C 降低了中跨钢系梁中跨跨中和中支点附近的内力峰值；方案C 内力数值介于方案A 和方案B 之间。汽车活载作用下钢系梁的受力情况与二期恒载作用类似，见图8。

图8 梁在二期恒载作用时轴力图

整体和局部升温作用下，方案B 和方案C 对应的钢系梁内力均小于方案A，且方案C 内力数值介于方案A 和方案B 之间，见图9。

图9 系梁在整体升温作用时轴力图

按作用基本组合考虑各项荷载综合作用，方案B 和方案C 均能降低系梁中跨跨中轴力约3.5%，中支点附近则是方案B 增加轴力约7%、方案C 增加轴力约12%。由于方案C 为连接桥面板将支点附近的系梁上翼缘加宽，系梁截面增加大后足以承担增加的轴力，综合来看基本组合下方案C 对系梁受力有利，见图10。

图10 系梁在基本组合下轴力图

4.3 混凝土桥面板受力分析

桥面板从二期恒载开始参与受力，此时三种连接方案下桥面板均参与中跨系梁整体受拉及边跨下弦杆局部受弯，且中跨拉应力明显大于边跨部分。三种连接方案在中跨均为方案A 拉应力最大、方案B 最小，方案C 居中，见图11。

图11 桥面板在二期恒载作用下顺桥向正应力图

汽车活载、整体温度作用时有与二期恒载作用类似规律。

局部升温作用下，三种连接方式对应的桥面板顺桥向应力在全桥大部分区域一致，方案A 在边跨范围内比方案B 和方案C 对的顺桥向应力峰值大约20%，在中跨范围内比方案B 和方案C 对的顺桥向应力小约10%，见图12。

图12 桥面板在局部升温作用下顺桥向正应力图

按作用频遇组合考虑各项荷载综合作用，三种连接方案顺桥向应力略有区别，呈现方案B 和方案C 均小于方案A 的趋势。总体而言，组合桥面板参与体系1 整体受力时频率组合正应力较小，中跨存在0.5～1.0 MPa 拉应力，边跨存在0.6 MPa以下压应力，正常使用状况不至于开裂，桥面板主要受体系2 和体系3 局部受力控制设计，见图13。

图13 桥面板在频遇组合下顺桥向正应力图

5 不同连接方式对桥面板应力分布的影响

对应三种连接方案，选取汽车活载偏心布置的二分之一桥宽，按照1m 间距选取共9 个截面进行桥面板顺桥向应力的横桥向分布研究，其中截面1 是二分之一桥宽处，截面9 是靠系梁处，截面2-8 依次从桥宽中央向系梁侧。顺桥向选取中支点、1/8 主跨、1/4 主跨、3/8 主跨和中跨跨中等五个关键部位，绘出每个部位对应频遇组合下三种连接方案的应力横桥向分布，见图14～图16。

可以看出，三种方案对桥面板应力横桥向分布影响不大，应力分布规律和顺桥向应力均值基本一致，故混凝土桥面板即使不与钢系梁直接连接，也能通过与横梁、拱脚加劲连接将拱肋水平力有效地传递到混凝土桥面板全断面，连接方案B 和连接方案C 在工程上是可行的。

图16 连接方案C 时桥面板频遇组合顺桥向正应力图

6 结 论

本文对分析了连续钢桁架拱桥中混凝土桥面板与纵横梁均连接（方案A）、仅与横梁连接（方案B）和大部分均与横梁连接但在拱脚位置与系梁加强连接（方案C）等三种设计方案，对比分析在一期和二期恒载、汽车活载、整体和局部温度作用下拱肋、系梁和桥面板的受力影响，得到以下结论：

（1）三种连接方式均能保证钢- 混凝土桥面系有效参与连续钢桁架拱桥整体受力，混凝土桥面板与钢系梁不连接，也能通过与横梁的连接将拱肋水平力有效地传递到桥面板全断面。

（2）三种连接方式对恒载和汽车活载工况下全桥各部分受力影响不大，对整体温度和桥面板局部温度作用下，方案B 和方案C 能减小拱肋、系梁和桥面板内力。

（3）连接方案B 和方案C 对于全桥的受力基本一致，方案C 能减少拱肋附近的应力突变，在构造上也不存在较大困难，是更优的处理方式。