基于改进梁板结合模型的钢桁架桥设计

秦寰宇(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉　430063)Steel Truss Bridge Design base on Improved Beam-Board Combined ModelQIN Huanyu

基于改进梁板结合模型的钢桁架桥设计

秦寰宇(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉430063)Steel Truss Bridge Design base on Improved Beam-Board Combined ModelQIN Huanyu

摘要以蒙华煤运铁路三门峡至荆门段72 m简支下承式钢桁架梁桥为背景，指出传统梁板结合有限元模型采用刚臂方式连接虚梁和桥面系所产生的问题，并对其进行改进，提出改进梁板结合有限元模型。将两种模型在静活载作用下的杆件应力与真实情况进行对比。结果表明：传统梁板结合有限元模型的约束形式使桥面系刚度大于真实情况，造成计算出的杆件应力偏小，而改进后的梁板结合有限元模型没有增大桥面系刚度，计算出的杆件应力也与真实值吻合。

关键词钢桁架桥改进梁板结合模型有限元设计

钢桁架桥主要由桁架杆件组成，用稀疏的腹杆代替整体的腹板，每根桁架杆件主要承受轴向拉压力，从而有较轻的自重和较好的跨越能力。另外，钢桁架桥由多个钢部件拼接而成，适合工厂制造，便于运输、检修与更换[1]。由于钢桁架桥的诸多优点，其在铁路桥梁方面已经得到了广泛的应用。以蒙华煤运通道72 m简支下承式钢桁架桥为背景，针对传统的梁板结合模型提出改进意见，对钢桁架桥进行设计计算。

1工程概况

1.1　项目背景

蒙华煤运专线是国内最大的煤运专线，北起内蒙古浩勒报吉站，南至江西省吉安站，全长1 817 km，规划设计输送能力为2亿吨/年。该桥位于三门峡至荆门段，跨越南水北调水渠[2]。

1.2　设计参数

该桥采用双线有砟轨道，荷载采用ZH荷载(z=1.2)[3]，设计车速120 km/h，桥面宽13.6 m，线路中心线距离4 m。主桥全长74 m，主跨72 m，梁端距支座中心1.0 m。

钢桁架桥由主桁架、水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以及桥面系组成[4]。

该桥主桁采用三角桁式，桁架高度采用12 m，节间距采用12 m。斜腹杆倾角63.4°，主桁示意如图1所示。

通过平面模型试算，初步确定主桁尺寸，如表1所示。

该桥上弦设纵向平联，采用交叉形布置。每个节间设置一道横向联系，其中边支座及桥面以上的第一个节间处为斜向桥门架，其他位置为横联，桥门架及横联均采用板式结构。

该桥采用正交异性板整体桥面系[5，6]，钢桥面由桥面板、横梁及横肋、纵肋四个部分组成，其中钢桥面板全桥纵、横向连续，纵向与下弦顶板伸出肢焊接，横向分段焊接。桥梁横断面如图2所示。

2梁板结合模型

对于钢桁架简支梁桥的计算，之前多采用梁格模型[7，8]，但由于荷载分布的不均匀性，桥面板分配到每根横纵梁上的面积不同，对于同一根横(纵)梁的不同位置，桥面板分配的面积也可能不同，而梁格法假定同一根横(纵)梁的截面不变，所以使用梁格法会产生一定的误差。

随着计算机速度的提高，现在对钢桁架桥的设计多采用梁板结合模型[9]，即将桥面板以板单元形式考虑，桥面板与横纵梁上端共节点，将荷载直接施加于桥面板上，不再将桥面板人为地分配到每个横纵梁，而是作为一个整体考虑，这样会使计算结果更加精确。钢桁架桥梁板结合三维模型如图3所示。

2.1　传统梁板结合模型及其存在的问题

传统的梁板结合模型用虚梁来代替轨道，通过在其上施加车道荷载来计算列车活载影响线最不利加载。为不影响桥面刚度，虚梁采用足够小的刚度。虚梁与桥面板上荷载扩散宽度内的节点采用刚性连接。虚梁荷载扩散宽度，按照实际轨道板外缘以45°角[10]扩散到桥面板上的宽度选取。

传统的梁板结合模型采用刚臂的方式连接虚梁和桥面板，主要是为了传递轨道上的列车活载，但却无形中将荷载分布范围内的横纵梁以及桥面板刚性化，从而增加了桥梁的刚度，导致计算结果出现偏差。

2.2　改进的梁板结合模型

为了克服传统的梁板结合模型使桥梁刚度增大的问题，需要对虚梁与桥面板的连接进行重新定义，达到只传递力而不产生约束的效果。

改进的梁板结合模型在虚梁上建立了若干个与桥面板平行的辅助刚性横梁，用于分配虚梁上的车道荷载。刚性横梁的长度与活载在桥面板上的分布宽度相同，节点位置与桥面板上节点位置相对应，如图4所示。

刚性横梁上的节点与桥面板上对应节点采用弹性连接和刚性连接相结合的方式。

(1)横向和竖向连接采用较小刚度的弹性连接，这样可以避免刚性横梁对桥面板水平和竖向的约束作用。

(2)顺桥向采用刚性连接，可以减少自由度，减小计算消耗。因为纵向虚梁刚度很小，所以此处采用刚性连接不会对桥面板产生约束作用。

2.3　两种模型对比分析

实际设计时，一般采用车道荷载，通过计算影响线来确定每个杆件的最不利受力情况。为了方便对比验证，此处选取静活载[3]作用在跨中时的情况，采用传统和改进的梁板结合模型，对蒙华煤运通道72 m简支下承式钢桁架桥进行分析，并与真实的传力情况进行对比。静活载作用在跨中时的加载如图5所示。

此情况下，可采用手动分配的方法来模拟轨道真实传递到桥面板的力。假设单线铁路横桥向荷载分布宽度为b，将线均布荷载转换为(102/b)kN/m2的面荷载，将集中荷载转换为(300/b)kN/m的线荷载，分别加载在对应的荷载分布范围内，即是桥面板受力的真实情况。将两种模型的主桁应力计算结果与主桁真实应力情况进行对比，如表2所示。

由表2可以看出，传统梁板结合模型与手动分配的结果有一定差距，特别是最大拉应力，比真实情况减小了1/6～1/7，这将导致结构设计时偏于不安全。而改进梁板结合模型的计算结果与真实情况几乎无差距，证明了改进梁板结合模型的正确性。

3杆件优化设计

通过改进梁板结合模型对各个杆件的尺寸进行调整，使各个杆件的应力既满足要求又不产生大量富余。对于受拉杆件，需采用净截面进行验算，而有限元模型没有考虑螺栓孔等截面削弱，均采用毛截面计算，造成其计算结果相比实际偏小。因此，对于受拉杆件，需用程序提取出内力之后，采用净截面进行重新验算。此外，对于节点板，还需要验算抗撕破强度[11]。最后，根据验算结果对不满足条件的截面再次进行调整，以确定各个杆件的最终尺寸。

4结论

以蒙华煤运通道72 m简支下承式钢桁架桥为背景，对传统的梁板结合模型进行改进，可得出以下几条结论：

(1)传统梁板结合模型采用刚臂连接桥面板和虚梁，使桥面系刚度增大，杆件应力减小，从而使计算结果偏于不安全。

(2)改进梁板结合模型能够将活载正确传递到桥面板而不改变桥梁本身的性质，能够正确计算各个杆件的真实内力，为今后简支钢桁架桥的设计提供了参考。

参考文献

[1]王朝华.下承式钢桁梁桥在城市桥梁中的应用及结构设计[J].山西建筑，2014，40(1):185-186

[2]中铁第四勘察设计院集团有限公司.蒙华铁路三荆段桥梁施工图设计说明书[R].武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2014

[3]赵博.重载铁路48 m下承式钢桁梁结构形式优化研究[J].铁道勘察，2015(2):103-106

[4]TB10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范[S]

[5]荣振环，张玉玲，刘晓光.苏通大桥正交异性板模型计算分析[J].铁道建筑，2008(1):1-4

[6]彭岚平，徐升桥，高静青.钢桁梁有砟桥面结构设计研究[J].铁道勘察，2007(增刊):14-19

[7]徐少平.成昆线正交异性板钢桁桥性能计算评估[J].四川建筑，2011，31(1):121-125

[8]王富万，杨文兵.梁格法在桥梁上部结构分析中的应用[J].华中科技大学学报，2006，23(1):80-90

[9]彭敏.64 m曲线钢桁梁设计[J].城市道桥与防洪，2012，3(3):70-72

[10]TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S]

[11]吴冲.现代钢桥[M].北京:人民交通出版社，2005

中图分类号：U448.21+1； U442.5

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)06-0069-03

作者简介：秦寰宇，男，2015年毕业于华中科技大学桥梁工程专业，硕士，助理工程师。

收稿日期：2015-09-07