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连续钢桁结合梁桥负弯矩区桥面系受力影响因素和改善方法研究

来源：画鸵萌宠网

第4卷　第3期2007年6月铁道科学与工程学报

JOURNALOFRAILWAYSCIENCEANDENGINEERINGVol14　No13

June2007

叶梅新,韩衍群

(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)

摘　要:以1座下承式连续钢桁结合梁桥为例,采用有限元法研究了桥面系的受力特性,考察了中支座区域桥面系受力状态与混凝土板板厚、纵梁抗拉刚度及抗弯刚度的关系;针对纵横梁及混凝土板在中支座区域受力比其他区域突出的问题,探讨解决方案。研究结果表明:在中支座两侧节间内,随着纵梁抗拉刚度的增加,纵梁轴力增加速度逐渐减慢,且低于抗拉刚度的增加速度;随着纵梁抗弯刚度的增加,纵梁竖向弯矩也增加;采用较高的纵梁或增加混凝土板厚对降低中支座区域纵横梁的应力效果并不明显,相对而言,选择合适的纵梁高度并增加翼缘厚度或采用4根小纵梁的方法均可降低该区域纵横梁的应力水平,在中支座两侧节间内再布置横梁时纵横梁的应力可进一步降低。关键词:连续钢桁结合梁桥;桥面系;受力状态;刚度

中图分类号:U443.32　　　文献标识码:A　　　文章编号:1672-7029(2007)03-0005-06

Theeffectfactorandimprovingmethodofthemechanicalstateofthefloorsysteminanegativemomentareaofacontinuoustrusscompositebridge

YEMei2xin,HANYan2qun

(SchoolofCivilandArchitecturalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

Abstract:Basedonacontinuousthroughtrusscompositebridge,severalproblemsincludingmechanicalbehaviorofthefloorsystem,theinfluenceofthedeck’sthicknessandthelongitudinalbeam’stension/bendingstiffnessontheloadappliedatthemiddlesupportregion,werestudiedwiththefiniteelementmethod.Improvingmethodswereintroducedtoreducestressesofthefloorsystemattheregion.Theresultsshowthatinthetwopanelsnearthemiddlesupport,theincreasingspeedofthelongitudinalbeam’saxialforceturnsslowandislessthanthatoftensionstiffnesswiththegrowthoftensionstiffness;Thelongitudinalbeam’sbendingmomentgetslargewiththeincreaseofbendingstiffness;Thetransversalbeamatmiddlesupportbearsmoreloadwiththeincreaseofthelongitudinalbeam’stension/bendingstiffnessandthedeck’sthickness.Soitisineffectualtoreducestressesofthelongitudinal/transversalbeaminthemiddlesupportregionbyincreasingthedeck’sthicknessorthelongitudinalbeam’sheight.Onthecontrary,themethods,suchaschoosingappropriateheightofthelongitudinalbeamoradoptingfourlongitudinalbeamscanreducestressesofthelongitudinal/transversalbeamintheregion.Andaddingtransversalbeamwithinthetwopanelsnearthemiddlesupportregion,thestressescanreducefurther.

Keywords:continuoustrusscompositebridge;floorsystem;loadbearing;stiffness

　　钢桁结合梁桥因充分发挥了钢和混凝土的材料特性,具有刚度大、施工快捷、经济等优点,因而得到越来越广泛的应用,如日本东北新干线上第一

Ξ收稿日期:2007-03-05

北上川桥,德国的海德明登・威拉河桥等。我国既有线改造、客运专线、高速铁路上也将采用这种钢桁结合梁桥。

基金项目:铁道部科技发展计划项目(2003G003)

作者简介:叶梅新(1946-),女,上海人,教授,博士生导师,从事桥梁与结构工程研究

铁道科学与工程学报2007年6月

图1　下承式连续钢桁结合梁桥结构示意图

Fig.1Viewofthecontinuousthroughtrusscompositebridge

　　在连续钢桁结合梁桥中,一个突出的问题是在

中支座两侧节间桥面系(包括纵、横梁和混凝土板)受力较其他地方大得多,主要表现在:

1)在中支座及旁边3根横梁中,中支座横梁承受的荷载大,旁边两根横梁承受的小,而其他横梁受力差别不大。

2)在与中支座不相邻节间,纵梁及混凝土板的应力在不同节间差别不大,但在中支座两侧节间纵梁及混凝土板的应力都大幅增加,特别是在中支座处应力更突出,有时,中支座处纵梁及混凝土板的应力均是其他地方的2倍以上,且把中支座两侧节间纵梁加高、增大横梁截面加大,应力下降并不明显,因为内力也随之增大。因此,如何改善中支座区域桥面系的受力状态是连续钢桁结合梁桥设计中的一个关键[4-6]。人们对如何降低和控制中支座附近混凝土板应力的研究较多[7-8],本文作者主要讨论纵、横梁的受力情况。以1座下承式连续钢桁结合梁桥为工程背景,采用有限元法研究了桥面系的受力特性,考察中支座区域桥面系受力状态与混凝土板板厚、纵梁抗拉刚度及抗弯刚度的关系;针对桥面系在中支座区域受力较其他区域突出的问题,探讨解决方案。

该桥为双线铁路桥,跨径为(60+96+60)m,桁高12.56m,主桁中心距14.6m,节间长12m;桥面系由纵、横梁和混凝土板组成,混凝土板与纵横梁结合,纵梁为“I”字型截面,高2m,上翼缘400mm×16mm,腹板1964mm×16mm,下翼缘400mm×20mm;横梁均为“I”字型截面;上翼缘800mm×40mm,腹板1910mm×16mm,下翼缘950mm×50mm;混凝土桥面板宽度为13.36m,厚27cm。其结

)。构如图1所示(以下称该设计方案为‘原方案’

[1-3]

1　桥面系受力特性分析

采用大型有限元软件对该桥做空间分析,计算

模型见图2。分析计算中,主桁各杆、纵、横梁均采用空间梁单元,混凝土采用空间壳单元;主桁各杆之间、横梁与主桁下弦杆之间、纵梁与横梁之间都按刚结处理,并考虑纵梁、横梁、混凝土板三者之间的偏心。因为结构的受力和施工方法密切相关,为了便于说明问题,以下结果均为成桥状态在二期恒载(160kN/m)作用下的计算结果,计算时未考虑混凝土收缩徐变的影响。约定坐标原点在左桥端,横梁号从左桥头依次编为横梁1-横梁19。

图2　桥面系计算模型图

Fig.2Calculationmodelofthefloorsystem

图3所示为二期恒载作用下纵梁下翼缘正应

力(图中,应力以拉为正,压为负,以下相同)。由图3可见,与中支座不相邻节间,纵梁应力在不同节

间内差别不大,在±50MPa内变化;但在中支座两侧节间,纵梁应力快速增加,在中支座处,应力高达112MPa,是其他地方的2倍以上。

第3期叶梅新,等:连续钢桁结合梁桥负弯矩区桥面系受力影响因素和改善方法研究

1,5,6和7的传力比γ随混凝土板板厚t变化曲

线。由图5(a)可见,当板厚t=0即桥面系为纵横梁明桥面时,中支座横梁(横梁6)传的桥面荷载也较其他横梁较多,随着t的增加,支座横梁传的荷载增加,而与支座相邻横梁传的荷载减小,当t从0增大到45cm时,γ从1.30增大到1.75,增加了35%。可见,在钢桁结合梁桥中,中支座横梁的受

图3　纵梁下翼缘正应力曲线

Fig.3Distributionofstressonthebottomofalongitu2

dinalbeam

力较钢桁梁桥更大;t的变化对与支座相邻节间荷

载的传递有影响,而对其他节间影响较小。由图5(b)可见,随着t的增加,中支座横梁的最大竖向弯矩略有增加,当t从0增大到45cm时,弯矩增大了16%。

图5(c)所示为板厚t不同时纵梁下翼缘在中支座处正应力变化曲线,图中σN,σM和σN+M分别代表轴力、竖向弯矩和(轴力+竖向弯矩)引起的纵梁下翼缘正应力。由图5(c)可见,当桥面系由明桥面(t=0)变化到钢混结合梁桥面(t≠0)时,纵梁竖向弯矩引起的应力有所降低。这是因为结合梁中的混凝土分担了一部分弯矩,从而使得由纵梁本身承受的弯矩降低;但还应注意到,随着板厚的增加,纵梁轴应力也相应增加,说明纵梁承受的轴力也增加,使得纵梁应力下降不明显。这主要是因为t增加,纵梁和混凝土板在该处共同承受的弯矩也增大。可见,增大混凝土板厚对改善纵梁在中支座附近的应力并不明显,反而增加了中支座处横梁应力。

图4　横梁承受的荷载与1个节间桥面总荷载比Fig.4Ratiooftheloadburdenedbyatransversebeamtothetotalloadinapanel作用在桥面上的荷载通过混凝土板和纵梁传到横梁上,再由横梁传到下弦节点上,横梁两端的竖向剪力之和即为横梁传的荷载,定义横梁传递的荷载与一个节间总荷载比值称为传力比,记为γ,图4所示为各横梁上的传力比γ。由图4可见,在与支座不相邻节间,每根横梁传递的荷载差别不大,但与支座相邻节间,特别是与中支座相邻节间,中支座横梁传递了节间内的大部分荷载,而相邻另一横梁传递了较少一部分,中支座横梁传的荷载是其他横梁的1.6倍以上,相应地,由这些荷载引起的竖向弯矩,中支座横梁约是其他横梁的1.6倍以上。

2　桥面系刚度对中支座处纵横梁受

力的影响

2.1　混凝土板厚的影响

在原方案中,保持其他条件不变,改变混凝土板板厚t,计算不同t时桥面系(包括纵、横梁和混凝土板)的响应,见图5。其中,图5(a)所示为横梁

铁道科学与工程学报2007年6月

　　由图7可见,随着纵梁I的增加,纵梁在中支座处的竖向弯矩增加,而纵梁轴力略有减小,但减小幅度不是很大。随着纵梁I的增加,纵梁竖向弯矩增加速度略有减慢,当纵梁I从I0增到6I0时,竖向弯矩是增大前的3.9倍,可见,竖向弯矩的增加速度低于I的增加速度;相应地,纵梁I增加,传到该横梁上的桥面荷载增加,使得中支座横梁的竖向弯矩有所增大。虽然纵梁竖向弯矩的增大速度小于I的速度,但并不能说明增大纵梁I时弯矩引起的纵梁下翼缘应力就一定降低,因为还与纵梁形心到下翼缘的距离有关。

在原方案中,保持其他条件不变,改变纵梁高度h,计算了不同h时纵梁的应力响应,见图8。由图8可见,随着纵梁高度的增加,在中支座处,纵梁的轴应力变化不大,因为纵梁面积变化不大,但纵梁该处的竖向弯曲应力降低并不明显。如上所述,随着纵梁高度的增加,虽然纵梁惯性矩增大,但纵梁在中支座处承受的弯矩随之增加,另外,纵梁形心距也随之增大。由此可见,通过增加纵梁高度来降低纵梁在中支座附近应力的方法效果并不明显,且使得传到中支座横梁的桥面荷载增加,加剧了中支座横梁的负担。

(a)-横梁承受的荷载与1个节间桥面总荷载比;

(b)-中支座横梁最大竖向弯矩;(c)-纵梁下翼缘在中支座处正应力

图5　混凝土板厚t对纵横梁受力的影响

Fig.5Theeffectofthicknessoftheconcretedeckonthe

longitudinal/transversebeam

2.2　纵梁刚度的影响

在钢桁结合梁桥中,纵梁主要承受轴力和竖向

弯矩作用。下面分别考察纵梁抗拉刚度、抗弯刚度对中支座处纵横梁受力的影响。在原方案中,①改变纵梁面积A且保持惯性矩I、高度及形心位置不变;②改变纵梁惯性矩I且保持面积A、高度及形心位置不变,计算这2种情况下桥面系的响应,分别见图6和图7。其中,A0和I0分别代表原方案中纵梁的面积和惯性矩。为方便比较,图6和图7统一用原方案的计算结果对数据进行单位化。

由图6可见,仅增大纵梁A时,纵梁在中支座处轴力增加,而纵梁竖向弯矩略有减小,但减小幅度不是很大。当A从A0逐渐增大到4A0时,纵梁轴力增加速度略有减慢,且低于A的增加速度;相应地,中支座横梁竖向弯矩都有所增加。可见,当纵梁A增大时,可降低纵梁在中支座附近的应力,因为轴力的增加速度远小于面积的增加速度。

3　改善措施

根据以上计算结果可知,纵梁高度选择要适当,仅仅依靠增加纵梁高度对降低中支座附近纵横梁应力的效果并不是很明显,另外,增加混凝土板的厚度也收效甚微;而增加纵梁面积可降低纵梁在中支座附近的应力。因此,可采用降低纵梁高度并增加翼缘板厚(面积一定)或增加纵梁根数(增加面积)的方法来改善其在中支座附近的受力状态。

(a)-纵梁在中支座处的内力;(b)-中支座横梁最大竖向弯矩

图6　纵梁面积A对纵横梁受力的影响

Fig.6EffectofareaAofthelongitudinalbeamonthelongitudinal/transversebeam

第3期叶梅新,等:连续钢桁结合梁桥负弯矩区桥面系受力影响因素和改善方法研究

(a)-纵梁在中支座处的内力;(b)-中支座横梁最大竖向弯矩

图7　纵梁惯性矩I对纵横梁受力的影响

Fig.7EffectofInertiamomentIofthelongitudinalbeamonthelongitudinal/transversebeam

(a)-纵梁在中支座处下翼缘正应力;(b)-中支座处横梁最大竖向弯矩

图8　纵梁高h对纵横梁受力的影响

Fig.8Theeffectofheightofthelongitudinalbeamonthelongitudinal/transversebeam

　　在原方案的基础上,保持其他条件不变,设计

了以下3种方案。

1)方案1:优化纵梁截面。保持纵梁位置不变,在纵梁面积一定的情况下,降低纵梁高度并增加翼缘板和腹板厚。

2)方案2:在中支座两侧节间内增加小横梁。在中支座两侧节间内增加3根小横梁,等距布置,间距3m,并增大该节间下弦杆截面、减小该节间

纵梁高度。

3)方案3:采用多纵梁。增加两根纵梁,并减小4根纵梁高度,纵梁布置见图9。

各方案纵梁截面特性和计算结果见表1。其中,括弧内百分比为相对于原方案的减小量。由表2可见,3种方案都可降低中支座处纵横梁的应力,特别是方案2效果更明显。

表1　各方案纵梁截面特性和中支座处纵横梁计算结果

Table1Thegeometriccharacteristicsofthelongitudinalbeamandthecalculationresultsofthelongitudinal/transversebeaminthemiddle

supportregion方案原方案

截面型式“工”字型

截面组成/(mm×mm)上翼缘400×16腹板1964×16下翼缘400×20上翼缘400×20

方案1

“工”字型

腹板1248×20下翼缘400×32上翼缘400×16

方案2方案3

“工”字型“工”字型

腹板964×16下翼缘400×20同方案2

同方案2

90(20%)

3231(16%)

0.030

74(34%)

1933(50%)

0.046

96(14%)

3263(15%)

0.046

112

3854

面积/m2纵梁下翼缘正应力/MPa横梁最大竖向弯矩/(kN・m)

铁道科学与工程学报2007年6月

[2]陈玉骥,叶梅新.高速铁路下承式板桁结合梁的受力分

析[J].中南大学学报:自然科学学报,2004,35(5):849

-855.

CHENYu2ji,YEMei2xin.Forceofthroughplate-trusscompositebeamonhigh-speedrailway[J].JCentSouthU2niv:ScienceandTechnology,2004,35(5):849-855.[3]叶梅新,张晔芝.负弯矩作用下钢—混凝土结合梁性能

研究[J].中国铁道科学,2001,22(5):41-47.

YEMei2xin,ZHANGYe2zhi.Behaviorofsteel-concretecompositebeamsundertheactionofnegativemoment[J].ChinaRailwayScience,2001,22(5):41-47.

[4]叶梅新,秦绍清.既有线路提速改造中下承式钢桁结

图9　不同纵梁布置方案对比

Fig.9Comparisonofdifferentplacementsofthelongitudinal

beam

合桥的应用研究[J].铁道科学与工程学报,2004,1(2):

69-74.

YEMei2xin,QINShao2qing.Studyofthroughtrusscompos2itebridgesinthespeed-upreconstructionoflinesunderser2vice[J].JournalofRailwayScienceandEngineering,2004,1(2):69-74.

[5]叶梅新,江峰.芜湖桥板桁组合结构的研究[J].铁道学

4　结　论

1)在连续钢桁结合梁桥中,纵横梁及混凝土板

在中支座两侧节间的受力较其他区域大,设计中应

特别关注。

2)在中支座两侧节间内,随着纵梁抗拉刚度的增加,纵梁轴力增加速度逐渐减慢,且低于抗拉刚度的增加速度,因此,增大该节间纵梁面积可降低中支座附近纵梁的应力;随着纵梁抗弯刚度的增加,纵梁竖向弯矩增加,因此,采用较大高度的纵梁对降低中支座附近纵梁的应力效果并不明显。随着混凝土板厚的增加,纵梁竖向弯矩降低,但轴力增加,因此,增加板厚对降低中支座附近纵梁的应力效果也不明显。

3)中支座横梁的受力随纵梁抗拉/抗弯刚度、混凝土板板厚增加而增大。

4)选择合适的纵梁高度并增加翼缘厚度或采用4根小纵梁均可降低中支座附近纵横梁的应力,在中支座两侧节间内再布置横梁时纵横梁的应力可进一步降低。参考文献:

[1]张晔芝.高速铁路连续结合梁的响应分析[J].铁道学

报,2001,23(5):65-69.YEMei2xin,JIANGFeng.Studyontheconcreteslab-steeltrusscompositestructuresforWuhuYangtzeRiverBridge[J].JournaloftheChinaRailwaySociety,2001,23(5):65-69.[6]秦顺全.芜湖长江大桥板桁组合结构斜拉桥建造技术

[J].土木工程学报,2005,38(9):94-98.

QinShun2quan.Constructiontechnologyofcompositeplatetrussstructureforthecable-stayedWuhuYangtzeRiverBridge[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2005,38(9):94-98.

[7]侯文崎,叶梅新.连续结合梁桥负弯矩区混凝土板裂

缝宽度控制方法研究[J].铁道学报,2003,25(1):109-112.

HOUWen2qi,YEMei2xin.Methodsforcontrollingcrackwidthofconcreteslabinnegativemomentareaofcontinuouscompositebridges[J].JournaloftheChinaRailwaySociety,2003,25(1):109-112.

[8]侯文崎,罗如登,叶梅新.钢—高配筋现浇混凝土结合

梁裂缝宽度试验研究[J].中国铁道科学,2001,22(5):

41-47.

HOUWen2qi,LUORu2deng,YEMei2xin.Oncrackwidthofsteelcast-in-placeconcretecompositebeamswithhighreinforcementratio[J].ChinaRailwayScience,2001,22(5):41-47.

报,2002,24(6):84-88.

ZHANGYe2zhi.Analysisonresponsesofcontinuouscompos2itebeamsinhigh-speedrailways[J].JournaloftheChinaRailwaySociety,2002,24(6):84-88.

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