下承式简支钢桁架桥设计计算分析
2021-01-22蒋义
蒋 义
(苏交科集团股份有限公司,南京 210019)
1 工程概况
本桥上跨河流为规划Ⅲ级航道, 通航净空:70×7 m,主桥上部结构采用80 m(图1)下承式简支钢桁架,下部结构为柱式墩,钻孔灌注桩基础。
图1 结构立面
主桥桁梁结构构件采用节点外全焊接连接方式,主桁采用双腹杆体系三角桁,节间长度6~8 m,高跨比为1/8[1]。两片主桁主心距采用9 m,宽跨比为1/8.9。两侧桁架区间宽0.75 m。主桁弦杆采用箱形截面,上弦杆高度600 mm,下弦杆高度800 mm,水平宽度全桥取500 mm,根据弦杆受力不同,上下翼缘板厚度取16~24 mm,腹板厚度取16~24 mm。 除端斜杆采用箱形截面以增加面内外刚度外其余斜腹杆均采用工字形截面,高度取500 mm,宽度取460 mm,翼缘板厚20~24 mm,腹板厚16~30 mm。 上平联横撑、斜杆采用工字形截面,其中翼缘板宽320 mm,厚12 mm,截面高度为320 mm,腹板厚12 mm。 钢桁梁两端设置桥门架,箱形截面,翼缘板厚16 mm,腹板厚16 mm。横向联结系布置于A3、A3'、A5 和A5'位置,全桥共4 道,上端与上平联横杆焊接,下端与斜腹杆交叉点焊接。 横向联结系杆件采用工字形截面,截面高度、宽度均为240 mm,板厚12 mm。
钢桥面由桥面板、横梁及纵肋3 部分组成,其中钢桥面板板厚20 mm,全桥纵、横向连续,纵向与下弦杆焊接。横梁在每一桁架区设置2 道,全桥共23 道横梁,布置间距3000~4000 mm,采用工字形截面,上翼缘兼做桥面板,弦杆间横梁高800 mm~826 mm, 横梁腹板厚16 mm,支座位置端横梁腹板厚24 mm,下翼缘宽500 mm。 标准宽度范围内, 桥面板下部共设置了10 道U 肋和四道防撞护栏下一字肋。 U 肋高280 mm,厚8 mm,间距600 mm;一字肋高240 mm,板厚20 mm。
2 结构计算
2.1 设计参数
(1)主桥标准宽度:0.5 m(主桁弦杆)+0.25 m(检修道)+0.5 m(护栏)+7.0 m(车行道)+0.5 m(护栏)+0.25 m(检修道)+0.5 m(主桁弦杆)=9.5 m。
(2)钢桁架结构:Q345qD[2];钢材的弹性模量E=2.06×105MPa,泊松比为0.31。
(3)恒载:钢筋混凝土容重:γ=26 kN/m3;沥青砼容重:γ=24 kN/m3;钢材容重:γ=78.5 kN/m3。
(4)活载:公路-I 级,汽车荷载按2 车道计算,考虑偏载效应; 冲击系数根据 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)[3],由程序自动计入。
(5)温度作用:总体升降温按30℃取值。
(6)风荷载:横桥向100 年一遇基本风速25.6 m/s[4]。
2.2 施工阶段划分
(1)桁架支架焊接拼装;
(2)施工其余纵横向连接,铺桥面板;
(3)施工二期;
(4)桥面系等附属设施施工,全桥竣工。
2.3 荷载组合
荷载组合:基本组合(恒载+活载+温度荷载+风荷载)。
2.4 结构模型
主桥采用计算跨径80 m 钢桁架。 计算采用Midas Civil 建立空间有限元模型, 全桥共划分为1423 个单元,583 个节点,杆件采用梁单元进行模拟,桥面板采用板单元进行模拟,节点都用刚接来模拟计算[5]。 全桥计算模型如图2 所示。
图2 计算模型
2.5 主梁计算结果
(1)上弦杆
基本组合作用上弦杆最大压应力-153.7 MPa(图3)。上弦杆最大应力小于Q345qD 考虑板厚折减容许应力270/1.1=245 MPa,满足规范要求。
图3 上弦杆组合应力图(单位:MPa)
(2)下弦杆
基本组合作用下弦杆最大拉应力为138.7 MPa (图4)。下弦杆最大应力小于Q345qD 考虑板厚折减容许应力270/1.1=245 MPa,满足规范要求。
图4 下弦杆组合应力图(单位:MPa)
图5 斜腹杆组合应力图(单位:MPa)
图6 横联组合应力图(单位:MPa)
(3)斜腹杆
基本组合作用斜腹杆最大拉应力为169 MPa,最大压应力为-167.7 MPa(图5)。斜腹杆最大应力小于Q345qD 考虑板厚折减容许应力270/1.1=245 MPa,满足规范要求。
(4)横联
基本组合作用横联最大拉应力为19.8 MPa, 最大压应力为-26.2 MPa(图6)。横联最大应力小于Q345qD 考虑板厚折减容许应力275/1.1=250 MPa,满足规范要求。
(5)上平联
基本组合作用上平联最大拉应力为77.5 MPa, 最大压应力为-66.5 MPa(图7)。上平联最大应力小Q345qD 考虑板厚折减容许应力275/1.1=250 MPa,满足规范要求。
图7 上平联组合应力图(单位:MPa)
(6)主桁杆件整体稳定验算
《公路钢结构桥梁设计规范》[6]对应力水平较高的主桁各杆件进行整体稳定验算,见表1。 由表可见,杆件整体稳定均满足规范要求。
(7)横梁
全桥共设置23 道横梁。 现取HL2 与HL3 横梁进行验算。
采用桥梁博士程序进行计算,横梁共划分为20 个单元,21 个节点,结构离散图如图8 所示。
表1 主桁杆件整体稳定验算
图8 横梁结构离散图
HL2 基本组合作用横梁最大拉应力-122.8 MPa,位于支点上缘(图9)。 最大压应力112.2 MPa,位于支点下缘(图10)。横梁最大应力小于Q345qD 考虑板厚折减容许应力270/1.1=245 MPa,满足规范要求。
图9 上缘-横梁应力图(单位:MPa)
图10 下缘-横梁应力图(单位:MPa)
HL3 基本组合作用横梁最大拉应力-126.0 MPa,位于支点上缘(图11)。 最大压应力100.1 MPa,位于支点下缘(图12)。横梁最大应力小于Q345qD 考虑板厚折减容许应力270/1.1=245 MPa,满足规范要求。
图11 上缘-横梁应力图(单位:MPa)
图12 下缘-横梁应力图(单位:MPa)
《公路钢结构桥梁设计规范》[6]对应力水平较高的主桁各杆件进行整体稳定验算, 杆件整体稳定均满足规范要求。
2.6 稳定验算
面外稳定系数达到4.0 以上, 可以认为稳定性满足要求。
对上部结构稳定性验算见图13~15。 在恒载、 制动力、横风荷载、最不利活载作用下,一阶临界荷载系数为20.8(图13),二阶临界荷载系数为21.2(图14),三阶临界荷载系数为25.4(图15),上部结构满足稳定性要求。
图13 第一阶失稳模态(K=20.8)
图14 第二阶失稳模态(K=21.2)
图15 第三阶失稳模态(K=25.4)
2.7 疲劳验算
根据公路规范抗疲劳设计进行结构疲劳验算。 疲劳荷载计算模型采用计算模型II 双车模型进行计算。 计算结构如图16~17 所示: 根据公路规范附录C 疲劳细节查询得到下弦杆疲劳细节类别为80, 损伤等效系数计算得1.5。 下弦杆最大正应力幅为25.7×1.5=38.5 MPa,小于允许值80/1.35=59.3 MPa (图16)。 下弦杆最大剪应力幅为2.3×1.5=3.5 MPa,小于规范允许值80/1.35=59.3 MPa(图17)。 下弦杆疲劳满足规范要求。
图16 下弦杆正应力包络图(单位:MPa)
图17 下弦杆剪应力包络图(单位:MPa)
根据公路规范附录C 疲劳细节查询得到上弦杆疲劳细节类别为80。 上弦杆最大正应力幅为13.5×1.5=20.2 MPa,小于允许值80/1.35=59.3 MPa(图18)。 上弦杆不承受剪力,剪应力幅不需要验算。 上弦杆疲劳满足规范要求。
根据规范附录C 疲劳细节得斜腹杆疲劳细节类别为80。斜腹杆最大正应力幅为26.6×1.5=40.0 MPa,小于规范允许值80/1.35=59.3 MPa (图19)。 斜腹杆最大剪力幅为0.73×1.5=1.0 MPa,小于规范允许值80/1.35=59.3 MPa(图20)。 斜腹杆疲劳满足规范要求。
图18 上弦杆正应力包络图(单位:MPa)
图19 斜腹杆正应力包络图(单位:MPa)
图20 斜腹杆剪应力包络图(单位:MPa)
2.8 刚度验算
主桁在恒、活载作用下的挠度见图21~22。
图21 恒载作用下主桁挠度(单位:MPa)
图22 活载作用下主桁挠度(单位:mm)
桁架活载的最大挠度为25.5 mm,小于规范要求的:L/500[6]=80000/500=160 mm 桁架刚度满足要求。
按照规范,跨中恒载加活载挠度为:47.5+25.5=73 mm,与跨度之比为1/1096>1/1600,需要设置预拱度,跨中预拱度大小为47.5+25.5/2=60.3 mm。
3 结论
(1)主桥采用80 m(计算跨径)下承式简支钢桁梁一跨跨越通航河流,在满足施工、营运期通航要求的基础上,充分发挥了下承式钢桁梁结构自重轻、跨越能力强、建筑高度小、施工速度快的特点,体现了下承式钢桁梁在公路危桥改造项目中的优势。
(2)主桥各杆件强度、稳定、刚度、疲劳验算均能满足规范要求。
(3)希望本文钢桁架桥设计计算分析能为同类型桥梁的设计建设提供一些宝贵的参考借鉴经验。