左憲章

(中鐵大橋局集團第八工程有限公司，重慶 400064)

?

正交異性鋼橋面板有效寬度簡化計算方法探討

左憲章

(中鐵大橋局集團第八工程有限公司，重慶 400064)

【摘要】空間桿系法(簡稱SF法)是一種針對整體正交異性鋼橋面板的簡化計算方法，具有概念清晰、計算效率高等優(yōu)點。文章以某正交異性鋼橋面橋梁為背景，通過模型試驗及空間板殼法(簡稱SP法)分析，結合《日本道橋示方書》，對SF法進行了驗證，并建議在進行SF法分析時，對橋面板有效寬度取值可直接依《日本道橋示方書》之規(guī)定。

【關鍵詞】正交異性整體鋼橋面板；模型試驗；空間桿系法；規(guī)范驗證

近年來，隨著中國鐵路的快速發(fā)展，正交異性整體鋼橋面得到了越來越多的應用。目前，整體鋼橋面的計算主要包括空間桿系法(簡稱SF法)、空間板梁法(簡稱SPB法)及空間板殼法(簡稱SP法)。

1997年，鄭凱鋒教授提出建立與實現(xiàn)大跨鋼橋全橋全殼單元模型的方法，同時分析指出這一結構分析計算新方法所具有的通用性[1]。1999年，王應良等采用梯形縱向加勁肋的鋼橋面板第二體系應力計算的等效格子梁法,推導了等效分配梁的剛度,編寫了正交異性板鋼橋面的結構分析程序，分析了正交異性板的第二體系的應力[2]。為了分析方便，何畏等將鋼橋劃分為以下三個結構體系[3]進行研究，即：在軸力作用下，橋面板參與主梁軸向受力并通過剪力引起橫梁面外彎曲的第一體系；在豎向荷載作用下，作為縱、橫梁承擔彎矩的上翼緣部分的第二體系；作為彈性支承的各向同性薄板，在縱、橫梁位移下引起薄膜應力的第三體系[3]。2004年，陳玉驥通過下承式板桁結合梁模型試驗,對主桁和縱梁的撓度,橫梁的豎向、水平位移,縱、橫梁、主桁各桿的應力,混凝土板上的應力、裂縫分布及寬度進行了分析,研究了混凝土板與主桁結點是否直接相連以及制動撐對結構的影響[4]。2008年，韓衍群等采用有限元法對該類型橋面結構中橋面荷載的傳遞情況進行分析計算和試驗研究，分析了影響傳力比(路徑傳遞的荷載與一個節(jié)間總荷載的比)的主要因素[5]。2010年，張敏等采用空間有限單元法和模型試驗,研究南京大勝關長江大橋三主桁(拱)密布橫梁體系鋼正交異性板整體橋面結構的受力行為[6]。羅如登提出了正交異性整體鋼橋面系桿平面梁簡化計算方法，并給出了計算參數(shù)[7]。

本文以某特大橋主橋典型橋面試驗為背景，通過模型試驗及空間板殼法(簡稱SP法)分析，結合《日本道橋示方書》，對SF法進行了驗證。

1模型試驗

1.1試驗概述

某連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋，其模型示意見圖1所示。為了能更真實的反映橋面系統(tǒng)的工作狀態(tài)，本試驗取實橋鋼桁梁的一個節(jié)段(包括下弦桿、縱肋、橫梁、橫肋及橋面板等)進行研究，測試各工況下整體鋼橋面的力學性能，并以此為基礎驗證SF法簡化計算的合理性。靜載模型試驗的主要設計要求及細節(jié)與實橋相同。

圖1　榕江特大橋主橋1/2主桁三維圖

靜載試驗考慮以下工況：

工況1：第一體系下弦軸力模擬；

工況2：雙線列車活載模擬(加載位——橫梁/肋上)；

工況3：單線列車活載模擬(加載位——橫梁/肋上)；

工況4：雙線列車活載模擬(加載位——橫梁/肋間)；

工況5：單線列車活載模擬(加載位——橫梁/肋間)。

1.2測點布置

綜合考慮各工況下主要受力構件參與受力的力學性能，應力測試截面和位移測試截面布置見圖2、圖3所示。

圖2　應力測試截面布置(單位：mm)

圖3　位移測試截面布置

1.3實測結果與有限元結果對比

1.3.1實測與SP模型對比

僅以工況3為例，通過實測數(shù)據(jù)與SP模型的分析結果對比，說明SP法分析結果的合理性(圖4～圖7)。通過SP法和SF法分析結果的對比，間接證明SF法的合理性。

圖4　工況3C截面豎向位移

圖5　工況3橋面中心豎向位移

圖6　工況3C截面橫肋下緣應力

圖7　工況3C截面橋面板橫向應力

從圖4～圖7可見，橋面縱、橫向?qū)崪y位移與SP法分析得到的結果基本一致，相互驗證了實測結果的可靠性與SP法的有效性。

1.3.2SP法分析結果與SF法結果對比

由于實測數(shù)據(jù)測點較少，且實測數(shù)據(jù)具有一定的離散性，在SP法與實測能夠較好吻合的情況下，對比SP法與SF法分析結果將能夠更好的反應出理論計算的規(guī)律性(圖8～圖13)。

圖8　工況3A-A橫梁應力

圖9　工況3B-B橫肋應力

圖10　工況3C-C橫肋應力

圖11　工況3下弦桿應力

圖12　工況3C-C截面豎向位移

圖13　工況3V-V截面豎向位移

由圖8～圖13可見，SF法分析結果與SP法分析結果基本一致，對于橫梁/肋在接近跨中部位差值最小，且靠近下弦桿附近偏差較跨中部位略大。

2整體鋼橋面板有效寬度規(guī)范驗證

2.1《日本道橋示方書》有關鋼橋面板有效寬度的規(guī)定

對于鋼橋面板加勁肋：

式中：λ為鋼橋面板有效寬度；2b為縱肋的相鄰腹板中心間距(計算縱肋有效寬度時)，或橫肋/梁的相鄰腹板中心間距(計算橫肋/梁有效寬度時)；l為等效跨徑。各種鋼梁構件的等效跨徑如表1所示。

表1　鋼橋面板有效寬度計算

2.2不同橋面板折算寬度對截面特性及構件內(nèi)力的影響

對于橫梁/橫肋，將等效工字型截面劃分區(qū)域如圖14所示，其等效截面特性公式推導如下：

等效截面面積： A=A1+A2+A3

等效截面形心坐標：

等效截面慣性矩: I=I1+I2+I3

圖14　截面特性計算示意

由于不同的折算方法，將對結構各構件的剛度(截面特性A、I分別對應構件拉壓剛度及抗彎剛度)有所影響，但結構在外荷載下的內(nèi)力分配僅與各構件的相對剛度有關，而與各構件的絕對剛度無關。為對比不同折算剛度對結構內(nèi)力的影響，現(xiàn)對不同折算方法下，進行結構內(nèi)力分析如下。

分別考慮以下三種不同的橋面板有效寬度：

①按《日本道橋示方書》，取U肋上翼緣寬度b1=0.238 3 m，板肋上翼緣寬度b2=0.120 9 m，橫梁(肋)上翼緣寬度b3=1.106 2 m；

②將情況①中橋面板有效寬度乘以系數(shù)0.9；

③將情況①中橋面板有效寬度乘以系數(shù)0.72；

三種情況下，橋面系桿件的抗彎剛度差為12 %，采用不同的橋面板寬度得到的橫梁與橫肋的內(nèi)力值如表2所示。

表2　取不同橋面板有效寬度時橫梁(肋)的彎矩對比

注：所列構件均為橫梁/肋中部的測點；內(nèi)力值為工況2下內(nèi)力值。

從表2可以看到，在計算橋面桿系內(nèi)力時，將橋面板折算到橋面桿系建立空間桿系模型時，不同橋面板有效折算寬度使得橋面桿系剛度差異在12 %左右時，橋面桿系的內(nèi)力差異也不超過0.5 %。分析其原因是由于結構構件內(nèi)力是按照剛度進行分配的，對不同的橋面板寬度的折算方法僅僅是使得橫梁/肋的絕對剛度不同，但是橫梁/肋間的相對剛度比例變化較小，且橫梁/肋與弦桿等其他構件的剛度比變化較小，因此構件內(nèi)力分配差異較小?？梢?，在采用空間桿系方法建模時，橋面系有效折算寬度可直接采取《日本道橋示方書》的有關規(guī)定計算，與此同時應力也可直接通過SF模型提取，而不需再根據(jù)等效后的截面特性手動計算。

2.3規(guī)范驗證

為驗證《日本道橋示方書》有關橋面折算寬度的合理性，在計算空間桿系模型橋面桿系應力時，采用規(guī)范取用的橋面板有效寬度值進行計算，并與SP模型對應點應力進行比較以驗證規(guī)范對橋面板有效寬度取值的合理性。

鑒于SF模型在構件連接部位可能出現(xiàn)模擬失真的情況，且橫梁/肋在力學模式上與彈性支承的簡支梁類似，跨中正彎矩區(qū)應力響應值更大，故僅以橫梁/肋跨中截面位置處的應力進行對比驗證，結果見表3～表6所示。

表3　工況2空間桿系模型考慮有效寬度的橫梁應力與SP模型應力比較/驗證

表4　工況3空間桿系模型考慮有效寬度的橫梁應力與SP模型應力比較/驗證

表5　工況4空間桿系模型考慮有效寬度的橫梁應力與SP模型應力比較/驗證

表6　工況5空間桿系模型考慮有效寬度的橫梁應力與SP模型應力比較/驗證

從上表可知，采用《日本道橋示方書》有關鋼橋面板有效寬度之規(guī)定，將橋面板折算到非橋面桿系上，采用SF法計算得到的橫梁/肋跨中截面的應力與采用SP法得到的對應截面的應力誤差不超過8%。

3結論及建議

通過以上分析，本文得到以下結論：

(1)SP法分析結果與實測結果在各工況下應力及位移吻合良好；

(2)在橋面板不同折算方法情況下，使得折算后的抗彎剛度相差12%情況下，SF法分析得到橫梁/肋構件彎矩差異不到1%；

(3)根據(jù)《日本道橋示方書》有關鋼橋面板有效寬度之規(guī)定，采用SF法計算得到的應力與SP法計算得到結果在橫梁/肋跨中部位相差不超過8%。

根據(jù)以上結論，針對整體正交異性鋼橋面板分析建議如下：

(1)概括而言，在對整體鋼橋面板橋設計初期，建議采用SF法；

(2)具體地講，在采用SF法時，橋面板折算可直接參照《日本道橋示方書》有關橋面板有效寬度之規(guī)定。

參考文獻

[1]鄭凱鋒，唐繼舜，王應良.鋼橋全橋全殼單元模型的空間計算方法 [J]．鐵道工程學報，1997(2)：17-22．

[2]王應良，李小珍，強士中．梯形加勁肋正交異性板鋼橋面分析的等效格子梁法 [J]．西南交通大學學報，1999，34(5)：545-549．

[3]何畏，李喬.板桁組合結構體系受力特性及計算方法研究 [J]．中國鐵道科學，2001，22(5)：65-72．

[4]陳玉驥，葉梅新．高速鐵路下承式板桁結合梁的受力分析 [J]．中南大學學報，2004，35(5)：849- 855．

[5]韓衍群，葉梅新，羅如登．整體橋面鋼桁梁橋橋面荷載傳遞途徑的研究 [J]．鐵道學報，2008，30(1)：65-69．

[6]張敏，葉梅新，張曄芝.密布橫梁正交異性板整體橋面受力行為 [J]．中國鐵道科學，2010，31(3)：28-34．

[7]羅如登．高速鐵路正交異性整體鋼橋面結構形式-受力性能和設計計算方法研究 [D]．長沙：中南大學，2010：2-5．

[作者簡介]左憲章(1981～)，男，工學碩士，工程師，主要從事橋梁施工技術。

【中圖分類號】U443.31

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-03-02