横向非对称简支钢桁梁桥受力性能研究

陈熠锋

(广州公路工程集团有限公司, 广东 广州 510075)

钢桁梁由主桁、联结系、桥面系、桥面组成,作为主要承重结构,承受竖向荷载,并将荷载通过支座传递给墩台。随着工程项目边界条件的变化,桥梁结构形式更加复杂,须更慎重地考察其受力状态。近年来,不少学者对钢桁梁桥受力性能进行了研究。张兴等采用MIDAS/Civil软件建立有限元模型,对跨径120 m的跨采空区上承式简支钢桁梁进行了计算分析[1]。肖文义利用桥梁博士对穗莞深(广州—东莞—深圳)城际轨道交通线东江南特大桥进行静力分析,使用有限元分析软件ANSYS建立了该桥动力分析模型[2]。贺胜采用MIDAS/Civil建立银西(银川—西安)高速铁路银川机场黄河特大桥96 m简支钢桁梁梁单元模型,通过计算主桁杆件的刚度、内力及应力,并与相应规范进行比较,分析了结构设计的可行性[3]。目前对钢桁梁桥的研究集中于主桁对称、等高度形式的钢桁梁[4-6]。横向非对称钢桁梁桥结构及受力形式较复杂,目前研究较少。戴新安等应用MIDAS/Civil建立120 m+82 m非对称下承式连续变高度铁路钢桁梁桥模型,对其受力性能进行了计算分析[7]。本文以深圳地铁6号线民乐停车场横向非对称简支钢桁梁桥为工程背景,利用MIDAS/Civil,结合相关规范分析其受力性能,为此类工程设计提供参考。

1 工程概况

深圳地铁6号线民乐停车场简支钢桁梁桥的桁高为12.55 m,主桁计算跨径一侧为55 m,另一侧为77 m,纵向节间距为11 m,两片主桁横向弦杆中心间距为16.75 m。4个角点设置支座,支座中心与梁端的距离为0.7 m。桥面停车区设纵梁+检修立柱,功能为停放地铁列车;非停车区设通长工字钢+压型钢板,为人行通道。该工程采用整体节点板和高强度螺栓连接工艺,部分位置采用现场焊接方式。上下弦杆、端竖杆、端横梁采用箱形截面,其余均为工字形截面。

2 有限元建模

基本假设:1) 所有杆件均属于弹性分析范围,符合胡克定律;2) 所有刚接属于理想刚接;3) 所有杆件都是均质的。

利用MIDAS/Civil建立该桥全桥模型,施工阶段按实际流程模拟。桥面板除停车区纵梁建入模型外,其余构件刚度较小,对整体计算结果影响非常小,按荷载加载。全桥共588个节点、681个梁单元(见图1)。由于节点板厚度较大,且采用高强度螺栓连接,节点的刚度很大,各构件相交位置均采用共节点的方式模拟,仅停车区纵梁与横梁之间采用弹性连接。支座采用一般支撑模拟。全桥仅定义一种Q345材料,由于模型未模拟实际存在的节点板、高强度螺栓等构件,建模时自质量系数调整为1.3。

图1 全桥有限元模型

3 静力计算分析

钢桁梁的主要受力结构为主桁,外部荷载通过桥面传递给纵梁,纵梁再传递给横梁,最后传递给两侧主桁。主桁由上下弦杆、腹杆组成。根据结构受力情况,进行两种荷载组合下主桁计算分析:主力组合,为恒载+车辆活载+人群活载+摇摆力+支座沉降;主力+附加力组合,为主力+温度荷载+制动力+风荷载。其中时效荷载均采用包络的方式,如温度荷载考虑升温、降温、无变化3种情况包络,再与其他荷载包络,程序自动考虑最不利组合。

3.1 主桁位移分析

为方便描述,以77 m主桁最左端为位置基准点,从左至右编号,77 m主桁上下弦杆位置范围为0～77 m,55 m主桁上下弦杆位置范围为22～77 m。

3.1.1 竖向位移分析

两种荷载组合作用下,77 m、55 m主桁上下弦杆的竖向位移分别见图2、图3。“+”表示位移向上,“-”表示位移向下。

图2 77 m主桁的竖向位移

图3 55 m主桁的竖向位移

由图2、图3可知:两侧主桁弦杆竖向位移最大值均出现在各自跨中;上下弦杆位移变化趋势相同,两侧主桁分别呈整体下移状态。竖向位移主要由恒载+车辆活载作用产生,温度及横向风等活载作用的影响很小。

3.1.2 横向位移分析

两种荷载组合作用下,77 m、55 m主桁上下弦杆的横向位移分别见图4、图5。“+”表示向77 m侧位移,“-”表示向55 m侧位移。

图4 77 m主桁的横向位移

图5 55 m主桁的横向位移

由图4、图5可知:钢桁梁上弦杆横向位移较大,主力+附加力组合作用下,77 m、55 m主桁上弦杆横向位移分别达43 mm、39 mm,由于两侧主桁不对称,77 m主桁竖向挠度较大,带动钢桁梁横向倾斜变形;上弦杆横向位移方向、大小基本一致,呈直线分布。横向位移主要由恒载、车辆活载产生,其次为横向风作用,温度等作用的影响很小。

3.2 主桁应力分析

为方便描述,对主桁各杆件进行编号(见图6、图7)。“+”为拉应力,“-”为压应力。

图6 77 m主桁杆件编号

图7 55 m主桁杆件编号

3.2.1 弦杆应力分析

两种荷载组合作用下上下弦杆各杆件应力见图8～11。

图8 77 m主桁下弦杆应力

由图8、图9可知:77 m主桁下弦杆件均为受拉杆件;77 m主桁上弦杆件除两端8#、14#杆件受拉外,其他均受压。

图9 77 m主桁上弦杆应力

由图10、图11可知:55 m主桁下弦杆件均为受拉杆件;55 m主桁上弦杆件除两端36#、40#杆件受拉外,其余均受压。

图10 55 m主桁下弦杆应力

图11 55 m主桁上弦杆应力

3.2.2 腹杆应力分析

两种荷载组合作用下腹杆应力见图12、图13。

图12 77 m主桁腹杆应力

图13 55 m主桁腹杆应力

由图12、图13可知:77 m主桁腹杆应力由两端往中间减小,但并不对称,右侧腹杆应力比左侧腹杆应力大,右、左侧最大应力之比为1.4∶1.0;55 m主桁腹杆应力也是由两端往中间减小,不对称,左侧腹杆应力比右侧腹杆应力大,左、右侧最大应力之比为1.6∶1.0。

由于77 m主桁的竖向位移比55 m主桁大,引起主桁横向倾斜变形,导致腹杆的次内力较大,应力也较大。

4 结论

对于横向非对称简支钢桁梁,上下弦杆竖向位移关于各主桁中心对称,与常规钢桁梁规律基本一致;上弦杆横向位移很大,主要由两侧主桁竖向位移差引起主桁横向变形,风荷载作用影响较小;上下弦杆应力规律正常,与常规钢桁梁规律基本一致;两侧主桁腹杆应力均不对称,主桁横向变形产生的结构内力对受力性能影响很大,若采用常规计算方式,即将钢桁梁划分为若干平面、各平面只承受该平面荷载,则计算结果将与实际有较大出入。