徐升，蔡杰

（湖南華罡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南　長(zhǎng)沙　410076）

板桁結(jié)合斜拉橋支承體系受力行為研究

徐升，蔡杰

（湖南華罡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410076）

闡述了板桁結(jié)合梁橋在中國(guó)的發(fā)展與建設(shè)及板桁體系計(jì)算理論的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡明了研究鋼桁梁斜拉橋板桁支承體系受力行為的現(xiàn)實(shí)意義；介紹了鋼板桁斜拉橋有限元分析模型的建立方法，采用關(guān)鍵因素輪換法分析了板桁連接系各主要構(gòu)件截面剛度對(duì)其整體受力行為的影響。

橋梁；板桁結(jié)合梁；傳力特性；有限元；關(guān)鍵因素輪換法

1　板桁結(jié)合梁橋在中國(guó)的發(fā)展與建設(shè)

中國(guó)由于傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)研究等方面的原因，在板桁結(jié)合梁橋的設(shè)計(jì)和建造方面較為落后。但改革開(kāi)放以來(lái)，在建造和設(shè)計(jì)各種大跨徑板桁結(jié)合梁斜拉橋、懸索橋等方面取得了舉世矚目的成就。

由林元培擔(dān)任主設(shè)計(jì)師，于1988年12月15日動(dòng)工，1991年11月建成通車的上海南浦大橋是中國(guó)第一座鋼-混結(jié)合梁斜拉橋。2000年建成的安徽蕪湖長(zhǎng)江大橋?yàn)楣F兩用橋，作為跨世紀(jì)的一座橋梁，該橋采用了新型的板桁組合結(jié)構(gòu)，集中國(guó)當(dāng)代橋梁建設(shè)新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料、新技術(shù)于一身。

到了20世紀(jì)，板桁組合結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)方案被越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師所采納。如2008年建成通車的武漢天興洲長(zhǎng)江大橋。該橋同樣為公鐵兩用板桁結(jié)合斜拉橋，主跨504 m，是20世紀(jì)初世界上最大跨度的公鐵兩用板桁結(jié)合斜拉橋。

此前，國(guó)內(nèi)建造的板桁結(jié)合斜拉橋大多數(shù)為公鐵兩用及一小部分的鐵路橋。直到2010年，新疆果子溝大橋建成通車，板桁結(jié)合斜拉橋才獨(dú)立地成為中國(guó)公路橋梁中的一份子。該橋的建設(shè)，對(duì)中國(guó)公路鋼橋的發(fā)展起到積極的推進(jìn)作用，也為未來(lái)的橋梁建設(shè)提供了參考案例。

上述板桁結(jié)合斜拉橋的成功，展示出中國(guó)在板桁組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)與施工上已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，也昭示著板桁結(jié)合體系橋梁正在被越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師所采用，這是一種充滿生命活力的結(jié)構(gòu)。

2　板桁體系計(jì)算理論

到目前為止，各國(guó)對(duì)橋面板體系的研究已是碩果累累，從鋼橋面到砼橋面再到鋼混橋面組合體系，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)師被正交異性鋼橋面板與鋼桁梁相結(jié)合的橋面支承體系的優(yōu)越性能所吸引，而中國(guó)尚未頒布針對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)規(guī)范。因此，對(duì)正交異性鋼橋面板的研究是當(dāng)下的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

采用正交異性鋼橋面板的橋梁，其橋面系參與主梁的縱向受力，特別是在斜拉橋上，其對(duì)主梁縱向剛度的貢獻(xiàn)不可忽略。根據(jù)不同的橋型，正交異性鋼橋面的構(gòu)造形式也有所不同，如普通梁橋可采用密布橫梁搭配縱向加勁梁的形式布置橋面板，但對(duì)于斜拉橋，密布橫梁的利用率較低，更適合采用密布縱梁，同時(shí)搭配橫向加勁梁的形式進(jìn)行橋面板布置?？v橫梁之間的連接構(gòu)造及各構(gòu)件的力學(xué)行為都較復(fù)雜，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用以下兩種簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行計(jì)算：

（1）將橋面系作為主梁的上翼緣參與整體分析，同時(shí)考慮主桁梁與橋面系的耦合關(guān)系，稱為整體計(jì)算法。

（2）將正交異性鋼橋面板的受力按前面所述的方法分為3個(gè)體系進(jìn)行計(jì)算，第一體系，將正交異性鋼橋面板［主要是蓋（頂）板和U肋、小縱梁]看成橋梁主梁的一個(gè)組成部分，參與橋梁整體受力；第二體系即小縱梁、次橫梁和蓋（頂）板組成的結(jié)構(gòu)系，蓋（頂）板被看成小縱梁、次橫梁上翼緣的一部分；第三體系即把設(shè)置在小縱梁與次橫梁上的蓋（頂）板看成各向同性的連續(xù)板，該板直接承受作用于小縱梁與次橫梁中間的車輪荷載，同時(shí)把車輪荷載傳遞到附近的支撐體系上。最后，把三體系的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合疊加，稱為疊加計(jì)算法。

3　有限元分析模型的建立

鋼橋面板桁組合斜拉橋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，桿件較多，數(shù)值分析中工作量較大，合理的分析方法不僅能得到較為精確的結(jié)果，而且可縮短工作周期。這里主要采用整體分析方法對(duì)正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋進(jìn)行數(shù)值分析，即針對(duì)正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋建立空間有限元模型，對(duì)橋梁進(jìn)行運(yùn)營(yíng)階段的受力分析，了解多種車道荷載組合作用下不同板桁支撐體系的力學(xué)行為及橋梁主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，對(duì)于連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造細(xì)節(jié)不作深究。

正交異性鋼橋面板桁組合斜拉橋由索塔、輔助墩、斜拉索、主桁桿件、板桁支承系、帶U肋橋面板等結(jié)構(gòu)組成。其中，索塔采用梁?jiǎn)卧M，輔助墩通過(guò)帶邊界的彈性連接進(jìn)行模擬，斜拉索則采用僅受拉桁架單元進(jìn)行模擬（見(jiàn)圖1）。

圖1　全橋有限元分析模型

此外，由于主桁桿件截面所采用鋼板面內(nèi)特征尺寸與厚度之比為8～80，此類鋼板均屬于薄板。理論上，全橋在整體分析中可采用薄板單元對(duì)主桁桿件及板桁支承系進(jìn)行模擬，但由于這種建模方法所產(chǎn)生的計(jì)算自由度太多，計(jì)算工作量太大，所得計(jì)算結(jié)果無(wú)法直觀體現(xiàn)桿件的整體受力情況，且不利于后期對(duì)模型的修改。針對(duì)上述問(wèn)題，采用空間梁?jiǎn)卧M主桁桿件及板桁支承系。對(duì)于U肋及其上的橋面板，采用由等效截面得到的薄板單元進(jìn)行模擬（見(jiàn)圖2）。

圖2　局部放大有限元分析模型

4　板桁結(jié)合斜拉橋支承體系受力行為分析

采用關(guān)鍵因素輪換法分析板桁連接系各主要構(gòu)件截面剛度對(duì)其整體受力行為的影響。將各縱梁相對(duì)于上弦桿的傳力比定義為同一節(jié)段內(nèi)的縱梁內(nèi)力與上弦桿內(nèi)力之比，稱為傳力比。

4.1上弦桿截面剛度對(duì)整體受力行為的影響

保持上橫梁截面、次橫梁截面、中縱梁截面、小縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同上弦桿截面剛度參數(shù)（橫截面積不變），研究上弦桿截面剛度變化對(duì)板桁連接系受力行為的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出：隨著上弦桿截面剛度的增大，板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比呈反比例增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖3　不同上弦桿截面剛度時(shí)傳力比增長(zhǎng)趨勢(shì)

4.2中縱梁截面剛度對(duì)整體受力行為的影響

保持上橫梁截面、次橫梁截面、上弦桿截面、小縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同中縱梁截面剛度參數(shù)（橫截面積不變），研究中縱梁截面剛度變化對(duì)板桁連接系受力行為的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出：隨著中縱梁截面剛度的增大，板桁連接系中縱梁與上弦桿的傳力比呈明顯的正比例增長(zhǎng)趨勢(shì)，而小縱梁與上弦桿的傳力比呈微弱的反比例增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖4　不同中縱梁截面剛度時(shí)傳力比增長(zhǎng)趨勢(shì)

4.3小縱梁截面剛度對(duì)整體受力行為的影響

保持上橫梁截面、次橫梁截面、上弦桿截面、中縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同小縱梁截面剛度參數(shù)（橫截面積不變），研究小縱梁截面剛度變化對(duì)板桁連接系受力行為的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以看出：隨著小縱梁截面剛度的增大，板桁連接系小縱梁與上弦桿的傳力比呈較大幅度正比例增長(zhǎng)趨勢(shì)，中縱梁與上弦桿的傳力比呈小幅度反比例增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖5　不同小縱梁截面剛度時(shí)傳力比增長(zhǎng)趨勢(shì)

4.4上橫梁截面剛度對(duì)整體受力行為的影響

保持小縱梁截面、次橫梁截面、上弦桿截面、中縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同上橫梁截面剛度參數(shù)（橫截面積不變），研究上橫梁截面剛度變化對(duì)板桁連接系受力行為的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出：隨著上橫梁截面剛度的增大，板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比呈正比例增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中中縱梁與上弦桿的傳力比約為小縱梁與上弦桿傳力比的2倍。

圖6　不同上橫梁截面剛度時(shí)傳力比增長(zhǎng)趨勢(shì)

4.5次橫梁截面剛度對(duì)整體受力行為的影響

保持小縱梁截面、上橫梁截面、上弦桿截面、中縱梁截面、橫梁間距等不變，取3種不同次橫梁截面剛度參數(shù)（橫截面積不變），研究次橫梁截面剛度變化對(duì)板桁連接系受力行為的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7可以看出：隨著次橫梁截面剛度的增大，板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比呈正比例增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)比圖7與圖6，圖7的傳力比增長(zhǎng)趨勢(shì)出現(xiàn)鋸齒凹陷的位置就是上橫梁所在節(jié)間的位置，且兩者變化趨勢(shì)基本吻合，但次橫梁的影響力比上橫梁的大。

圖7　不同次橫梁截面剛度時(shí)傳力比增長(zhǎng)趨勢(shì)

4.6橫梁間距對(duì)整體受力行為的影響

由次橫梁截面剛度對(duì)整體受力行為影響的分析結(jié)果可知，上橫梁、橋面板次橫梁對(duì)縱梁與上弦桿傳力比的影響趨勢(shì)基本一致。因此，在觀察橫梁間距對(duì)縱梁與上弦桿傳力比的影響趨勢(shì)時(shí)，將橫梁與次橫梁視為同類構(gòu)件，取3與2.6 m間距兩組模型進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可以看出：隨著橫梁間距的減小，板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中中縱梁與上弦桿傳力比增長(zhǎng)量約為小縱梁與上弦桿傳力比增長(zhǎng)量的2倍，且兩者增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于同步。

圖8　不同橫梁間距時(shí)傳力比增長(zhǎng)趨勢(shì)

5　結(jié)論

該文分析了板桁連接系各主要構(gòu)件截面剛度對(duì)其整體受力行為的影響，主要結(jié)論如下：板桁連接系縱梁與上弦桿的傳力比主要受上弦桿、中縱梁、小縱梁及上橫梁剛度的影響，隨著中縱梁、小縱梁與上橫梁剛度的增大，中縱梁與上弦桿的傳力比逐步增大，而小縱梁與上弦桿的傳力比逐漸減??；隨著上弦桿剛度的增大，中縱梁與上弦桿的傳力比逐步減小，而小縱梁與上弦桿的傳力比將逐漸增大。

通過(guò)對(duì)板桁連接系各主要構(gòu)件截面剛度對(duì)其整體受力行為影響的研究，可客觀認(rèn)識(shí)板桁結(jié)合梁的傳力特性，充分了解板桁結(jié)合體系的傳力特性，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與科研工作都大有幫助。

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1671-2668（2016）01-0199-03

2015-11-12