謝遠(yuǎn)方

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司 江蘇省 南京市 210009）

摘 要：在中承式系桿拱橋結(jié)構(gòu)中，肋間橫梁主要采用鋼結(jié)構(gòu)形式，且工字型截面居多。但是隨著目前城市交通量的日益增加，車道越來越多，橋梁寬度也日益加大。肋間鋼橫梁的截面選擇以及其連接處的設(shè)計是否合理，成為日益突出的問題。結(jié)合某工程實例，對肋間鋼橫梁與小縱梁之間產(chǎn)生聲響的問題進(jìn)行分析，進(jìn)而對肋間鋼橫梁的優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行深入探討。

關(guān)鍵詞：肋間鋼橫梁；聲響；原因分析

目前，國內(nèi)中承式系桿拱橋多以吊桿橫梁受力為主，橋面系由吊桿橫梁、肋間橫梁、小縱梁和橋面板組成，橋面荷載由橋面板傳遞給橫梁，再傳遞給拱結(jié)構(gòu)。該類型橋面結(jié)構(gòu)受力明確，施工方便，但整體性較差，特別是肋間橫梁與小縱梁連接處的設(shè)計，處理不當(dāng)將會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全和使用造成影響。結(jié)合工程實例，對設(shè)計中出現(xiàn)的肋間橫梁聲響問題進(jìn)行分析，進(jìn)而對相關(guān)問題進(jìn)行深入探討。

1工程概況

本橋采用飛燕式鋼管混凝土拱橋，主橋全長180m，其具體孔跨布置為30m+120m+30m。主拱肋、邊拱肋橫橋向內(nèi)傾9°。拱肋與橋面相交處設(shè)置肋間鋼橫梁。鋼橫梁采用工字型結(jié)構(gòu)，其鋼板厚度為：頂、底板40mm，腹板28mm。橫梁結(jié)構(gòu)圖見下圖：

2主要問題

當(dāng)有重車通過橋梁時候，肋間鋼橫梁附近區(qū)域發(fā)出明顯的聲響。通過對橋面現(xiàn)場查勘，當(dāng)重車通過時，橫梁頂面的伸縮縫有輕微的上下錯位現(xiàn)象，伸縮縫未損壞，橫梁頂面的橋面無明顯的裂縫。經(jīng)判斷，可能是當(dāng)有重車快速通過橋梁時，偏心荷載使肋間鋼橫梁發(fā)生豎向和水平方向振動，靠近橫梁跨中位置振幅偏大，使得小縱梁與橫梁活動鋼支座處出現(xiàn)相對水平位移，支座摩擦發(fā)出的聲音。

3 計算模型

為了檢算鋼橫梁在汽車荷載作用下的力學(xué)性能及動力性能，采用ANSYSY有限元軟件進(jìn)行空間三維梁單元的模擬分析，并考慮剪切變形對結(jié)構(gòu)的影響。主要考慮在恒載、單車道加載、四車道加載下結(jié)構(gòu)的靜力計算及橫梁的動力特性計算和側(cè)傾屈曲分析。

4計算結(jié)果

4.1 靜力計算結(jié)果

由于肋間橫梁相臨的橫梁間距分別為5m和5.5m，作用在肋間橫梁上的不僅有豎向力，還有由于不等跨產(chǎn)生的扭矩。

恒載作用下：橫梁最大正應(yīng)力位于梁端，值為57.4MPa；扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力0.414MPa。

單車道活載作用下：橫梁跨中截面豎向最大位移2.7mm，翼緣橫向最大水平位移5.6mm；現(xiàn)場檢測橫梁中部底板豎向最大動撓度為3.4mm，檢測結(jié)果比理論計算結(jié)果偏大0.7mm，考慮現(xiàn)場檢測是在重車行駛的過程中進(jìn)行的，車輛荷載的沖擊系數(shù)與計算采用的值不可能完全吻合，因此測結(jié)果與理論計算結(jié)果基本上吻合。

四車道活載作用下：橫梁跨中截面豎向最大位移15.3mm，翼緣橫向最大水平位移39.4mm。

在恒載和四車道活載作用下，橫梁正應(yīng)力最大值出現(xiàn)于梁端，最大正應(yīng)力為172MPa；依據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB10002.2-2005）第4.2條計算可得肋間橫梁容許應(yīng)力折減系數(shù)為0.9，容許應(yīng)力為： 180MPa。橫梁最大正應(yīng)力172MPa，小于規(guī)范容許應(yīng)力值180MPa，滿足規(guī)范要求。

橫梁最大剪應(yīng)力位于梁端腹板的中部，腹板最大剪應(yīng)力為40.5MPa，小于規(guī)范限值120MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2 動力特性

肋間橫梁前五階自振頻率見表1：

橫梁前五階模態(tài)見圖4：

（a）一階振型 （b）二階振型

（c）三階振型 （d）四階振型

（e）五階振型

由振型圖可以看出，橫梁前兩階振型是橫梁橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)，對應(yīng)頻率分別為3.38Hz和4.25Hz。

肋間橫梁現(xiàn)場實測表明，橫梁一階振型為順橋向彎曲，即橫梁側(cè)向彎曲，一階振型與理論計算結(jié)果一致；現(xiàn)場實測橫梁一階側(cè)向彎曲頻率為2.25Hz，理論計算橫梁一階側(cè)向彎曲頻率為3.38Hz。橫梁實測頻率見下圖：

4.3 側(cè)傾屈曲分析

梁的側(cè)傾屈曲也稱為梁的彎扭屈曲。求解彎扭屈曲時，恒載保持不變，活載橫向按跨中布四道考慮，縱向按偏載加載模式布置。邊界條件為梁端固結(jié)。計算屈曲模態(tài)如圖6。

從屈曲模態(tài)可以看出，肋間橫梁的一階屈曲為彎扭屈曲。屈曲荷載系數(shù)為4.58；即在恒載和四輛重車同作用下，橫梁不會發(fā)生側(cè)傾屈曲。橫梁在恒載和四輛重車共同作用下的安全系數(shù)為4.58。

4.4 處理方案

經(jīng)檢算，鋼橫梁在設(shè)計荷載作用下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)是安全的。

為了消除聲響采取以下措施：增設(shè)橫梁側(cè)向支撐，從而減少橫梁計算長度，改善橫梁動力特性。具體方法是將邊跨側(cè)小縱梁與鋼橫梁固結(jié)，限制橫梁側(cè)向位移，取消鋼橫梁上伸縮縫，改至橋臺處，以減少跳車對鋼橫梁的影響。設(shè)置橫向支撐后的肋間橫梁前五階自振頻率見表2。

設(shè)置側(cè)向支撐后的，原來的第一階側(cè)彎振型變?yōu)榕まD(zhuǎn)振型，一階扭轉(zhuǎn)頻率是3.99Hz，橫梁一階側(cè)彎出現(xiàn)在第五階振型，頻率為22.62Hz，較大的改善了鋼橫梁的動力特性。

5結(jié)論

綜合分析，本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計上是安全可靠的。此次出現(xiàn)鋼橫梁與小縱梁摩擦聲響的問題，雖然不影響結(jié)構(gòu)使用，但是對如何完善此類橋梁設(shè)計，避免類似情況發(fā)生，以免給社會造成不必要的影響，還有很多方面需要我們在設(shè)計過程中給予充分重視。

（1）關(guān)于鋼橫梁的截面形式的選擇，箱型截面的側(cè)向剛度明顯由于工字型截面，抗扭性能更優(yōu)；

（2）小縱梁與鋼橫梁之間細(xì)部構(gòu)造處理，不能簡單的按照鉸接處理，因結(jié)合橋面寬度、結(jié)構(gòu)體系，綜合考慮其連接形式；

（3）伸縮縫得設(shè)置，應(yīng)盡量避免直接在鋼橫梁上設(shè)置伸縮縫；

（4）對于此類城市橋梁設(shè)計，由于橋面很寬，設(shè)計時應(yīng)充分考慮超載車輛的影響，同時，該類橋梁宜設(shè)置警示標(biāo)志，嚴(yán)禁超載限載車輛通過。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉軍.系桿拱橋力學(xué)特性與穩(wěn)定性分析[D].大連理工大學(xué) 2009.

[2] 張燕青.確定系桿拱橋合理吊桿索力的方法及其應(yīng)用[D].浙江大學(xué) 2014.

[3] 米曦亮，李東.中承式系桿拱橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 橋梁建設(shè).2010（06） .