敞开式钢管混凝土桁架桥抗疲劳计算

林卫建

（兰州乾元交通规划设计咨询有限公司，甘肃 兰州 730030）

随着我国经济的高速发展，公路和铁路桥梁建设也得到了快速发展。在运输荷载不断加重的情况下，很多钢桥出现疲劳裂纹，甚至发生了疲劳破坏。钢桥在反复交变载荷作用下，微观裂纹逐渐发展直至结构破坏。钢桥的疲劳破坏属于脆性破坏，危险性较大。

1 工程概述

某桥梁位于兰州市红古区城区出入口处，跨越兰青铁路，主跨为71m 简支钢桁架。该桥上部结构采用20+71.16+20/2×20+71.16+2×20m 简支钢桁架+预应力混凝土简支小箱梁，主跨采用顶推法进行施工。

主桥上部结构为简支钢桁梁，上、下弦杆和端部横梁灌注C50 自密实补偿收缩混凝土。各构件截面尺寸如下：

（1）上弦杆：桥跨中部36m 采用1 000mm×24mm钢管，端部15.5m 采用1 000mm×18mm 钢管。

（2）下弦杆：桥跨中部28m 采用900mm×900mm×30mm 矩形钢管，端部21.5m 采用900mm×900mm×26mm 矩形钢管。

（3）腹杆：端部3 根腹杆采用700mm×26mm钢管，其余采用630mm×26mm 钢管。

（4） 端 横 梁 采 用1 000mm×560mm×22mm矩形钢管；中横梁采用工字钢，上翼缘尺寸为450mm×20mm，腹板为495mm×20mm，下翼缘为700mm×45mm。主梁一般构造如图1、图2 所示。

2 模型建立

采用Midas Civil 2019 建立桥梁上部结构模型，其中上下弦杆、腹杆和横梁采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟。全桥模型共有结点1 802 个、梁单元1 398 个、板单元1 128 个。

图1 梁体跨中处横断面图（单位：mm）

图2 梁体纵断面图（1/2 跨）（单位：mm）

3 抗疲劳验算

采用《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）中的疲劳荷载计算模型I 进行疲劳加载，作用分项系数取1.0，并考虑相应的车道折减系数和冲击系数。疲劳荷载计算模型I 采用等效的车道荷载，集中荷载为0.7Pk，均布荷载为0.3Qk，并按铁路规范提高1.3 倍。验算横梁与下弦杆连接处、腹杆与上下弦杆连接处的疲劳应力；疲劳荷载作用下，横梁正应力包络图见图3，剪应力包络图见图4，腹杆正应力包络图见图5。

图3 横梁正应力包络图

图4 横梁剪应力包络图

图5 腹杆正应力包络图

表1 横梁、腹杆抗疲劳验算结果（正应力）（单位：MPa）

表2 横梁抗疲劳验算结果（剪应力）（单位：MPa）

图6 梁体竖向挠度

抗疲劳验算时，依据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）中相关规定，取横梁与下弦杆连接处细节类别为90、横梁基材细节类别为100、腹杆与上下弦杆连接处细节类别为80。验算时采用的公式如下：

4 竖向刚度验算

依据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）中的相关规定，计算竖向挠度时，采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值对结构进行加载，频遇值系数为1.0，梁体竖向挠度计算结果见图6。

5 结语

本文以上弦杆不设横向联系的钢管混凝土桁架桥为例，对此结构进行抗疲劳验算和竖向刚度验算，得出结论如下：

（1）桁架桥不设置上弦杆间联系，桥梁结构通过合理设计，其抗疲劳性和竖向刚度也可满足规范要求。

（2）敞开式钢管混凝土桁架桥不设置上弦杆间联系，不仅提高行车安全性，而且更加美观。