部分填充混凝土组合钢桁梁桥静力分析

周叶飞，李晓坤，李延强

（1.中铁十五局集团有限公司，河南洛阳471000；2.石家庄铁道大学工程力学系，河北石家庄050043）

部分填充混凝土组合钢桁梁桥静力分析

周叶飞1，李晓坤1，李延强2

（1.中铁十五局集团有限公司，河南洛阳471000；2.石家庄铁道大学工程力学系，河北石家庄050043）

部分填充混凝土钢管结构作为一种新型的结构形式，在大跨度组合钢桁梁桥中得到了实际应用。本文以天津海河部分填充混凝土组合钢桁梁桥为研究对象，采用Ansys有限元软件，建立了桥梁结构的空间有限元模型，讨论了恒载情况下部分填充混凝土对组合钢桁梁桥静力性能的影响。结果表明:部分填充混凝土之后钢桁梁桥整体刚度得以提高，静态位移明显减小；这种结构形式能有效减小填充区域受压杆件的应力，且对受拉杆件的影响较小，能大幅提高桥梁的承载力。

钢桁梁；部分填充混凝土；静力特性；有限元分析

近年来，国外一些学者提出部分填充混凝土钢管结构桥梁的概念，并率先在斜拉桥中使用填充混凝土的钢管和钢筋混凝土桥面的组合梁作为主梁［1-2］。国内对部分填充混凝土桥梁结构的研究主要集中在钢管混凝土拱桥方面。张贝［3］通过对钢管混凝土拱桥稳定性分析，提出部分灌注钢管混凝土拱桥的构想，并用有限元方法计算分析了部分灌注钢管混凝土拱桥的面内稳定性和使用阶段的位移变形，说明了部分灌注钢管混凝土拱桥自重轻，稳定性好，并论述了部分灌注钢管混凝土拱桥施工的方便可行性。潘桥文［4］以衡阳湘江特大桥——双层桥面钢管-钢管混凝土复合拱桥为研究对象，采用Ansys建立了有限元分析模型，对桥梁的动力特性进行了分析讨论。叶卓棋等［5］分析了部分填充混凝土钢管结构的类型和工程应用。程斌等［6］对部分填充混凝土的钢桁梁焊接整体节点进行了试验研究，分析了弦杆内填充混凝土长度对节点刚度、应力应变分析、极限承载力、破坏模态等性能指标的影响。

部分填充混凝土钢管桥梁结构作为一种新型的结构形式，在大跨度组合钢桁梁桥中也得到了实际的应用，但针对这类桥梁的力学行为分析研究相对较少。本文以天津滨海新区西外环高速公路海河特大桥为研究对象，利用Ansys有限元分析软件，建立其空间有限元分析模型，对部分填充混凝土组合钢桁梁桥的静力性能进行分析，为同类工程的设计、施工提供参考。

1　工程概况

天津海河特大桥为三跨变截面连续钢桁组合桁架桥，桥梁跨径布置为（95+140+95）m，主桁中墩处梁高12m，跨中截面高3.5m，边跨连接墩处高3.0m，桥面宽度43m、横向布置为0.5m（防撞栏杆）+ 19.75m（机动车道）+0.5m（防撞栏杆）+1.5m（镂空段）+0.5m（防撞栏杆）+19.75m（机动车道）+ 0.5m（防撞栏杆）。主桥立面布置如图1所示。

图1　主桥立面布置（单位：m）

主桥桁架结构分为上下游2幅，每幅横向由6榀桁架组成，桁架横向中心间距为3.56m，一榀桁架由上弦杆、下弦杆和腹杆组成，上弦杆线形随道路纵断面线形变化，下弦杆线形为悬链线，腹杆分为竖杆和斜杆，腹杆节点之间的间距随梁高变化。上弦杆、下弦杆为箱形截面，上弦杆为等高度，下弦杆为变高度箱形截面，截面普通段采用厚24mm的钢板，下弦杆在中墩局部区域采用厚30mm的钢板。在中墩中心线两侧各17m范围内，下弦杆内灌注混凝土，并通过焊钉进行连接。主桥横向联结系分为上横撑、下横撑和下平纵联。上弦杆之间采用上横撑进行连接，上横撑为等截面工字形，截面高度80cm，与上弦杆高度相同，位置在腹杆交点位置，间距与竖杆相同。下弦杆之间除了间隔布置变截面工字形钢横撑连接以外，在部分桁架区间内设置工字形截面平纵联，保证桥梁的横向稳定性。中墩支点处断面如图2所示。

图2　中墩支点处断面（单位：cm）

2　有限元模型

采用大型通用有限元软件Ansys，建立了该钢桁梁桥的有限元分析模型，弦杆、腹杆均采用Beam189梁单元模拟，单元之间的铰接通过自由度的耦合实现，全桥有限元模型共13666个节点，6026个梁单元，有限元模型如图3所示。利用Ansys的自定义截面功能实现了杆件变截面的定义，其中，部分填充混凝土构件截面利用组合截面功能，通过分别定义钢材和填充混凝土的材料属性实现，钢材和混凝土的参数见表1。并且假设计算模型满足小变形、各向同性等条件，边界约束条件为边墩施加竖向约束，中墩设竖向、纵向、横向三向约束。

图3　钢桁梁三维有限元模型

表1　钢桁梁材料参数

3　静力性能影响分析

基于Ansys分析软件，分别建立了无填充混凝土和部分填充混凝土的钢桁梁桥模型，重点研究了恒载作用下两种钢桁梁桥的静力学性能，得出主桁的静态位移、关键弦杆、腹杆的轴力、应力分布，通过对比分析，得出部分填充混凝土对大跨度钢桁梁桥静力性能的影响。

3.1位移分析

根据计算结果得出主桁静态位移的分布，如图4所示。

图4　竖向位移对比

从图4可以看出：恒载作用下，部分填充混凝土钢桁梁桥与未填充混凝土钢桁梁桥的静态位移变化规律是一致的，大体呈对称分布；部分填充混凝土之后，对中跨位移影响较大，边跨的位移影响可忽略。中跨竖向位移绝对值均有所减小，中墩处位移变化最小，从中墩到中跨跨中位移变化量逐渐增加，中跨跨中位移变化达到最大，较填充混凝土之前减小0.944cm。这说明：部分填充混凝土后，钢桁梁桥的刚度得到了加强，能有效减小中跨跨中最大竖向位移，提高了钢桁梁桥的承载力。

3.2受力分析

3.2.1上弦杆受力分析

提取上弦杆的轴力，绘制出轴力图如图5所示。

图5　上弦杆轴力对比

由图5可知：对于钢桁梁上弦杆，部分填充混凝土后轴力有所改变，且改变与上弦杆到填充区的距离和受力状态有关。由于自重增加，填充区域上弦杆轴力有所增加，增幅在3%左右；处于受拉状态的上弦杆轴力增加，且距离填充区越远，弦杆轴力增幅越大，幅值从1%递增到9%；处于受压状态的中跨上弦杆轴力减小，且距离填充区越远减幅越小，幅值从24%递减到7%。这是由于填充混凝土之后钢桁梁刚度增加，上弦杆受压区域相对减小，所以处于受拉状态的弦杆轴力增加，处于受压状态的弦杆轴力减小。

3.2.2下弦杆受力分析

对于下弦杆，由于部分填充混凝土的原因（截面面积和惯性矩发生改变），造成轴力变化和截面应力变化幅度不同，因此分别对下弦杆的轴力变化和应力变化情况进行讨论，下弦杆的轴力分布如图6所示。限于篇幅，下弦杆应力仅列举了部分杆件，如表2所示，表中距离指与0#台之距。

图6　下弦杆轴力对比

表2　部分下弦杆应力MPa

从图6可知：部分填充混凝土后，填充区下弦杆轴力整体呈增大趋势，增幅在10%左右；中跨轴力变化与受力状态有关，处于受拉状态的下弦杆轴力减小，减幅在6%～13%之间，处于受压状态的下弦杆轴力增加，增幅普遍在3%左右，在受力状态改变处（拉压分界处）幅值突变到最大幅值30%。边跨轴力改变与到填充区的距离有关，填充区附近轴力有所增加，增幅在2%左右，而远离填充区下弦杆轴力有所减小，且距离越远，变化越不明显，如边跨跨中减幅在3%左右，而边墩附近的下弦杆，轴力基本无变化。

从表2可以看出：由于填充混凝土后，杆件抗压刚度增大，因此受压区下弦杆的应力大幅减小，减幅在87%左右，下弦杆的承载能力得到大幅提高。

3.2.3腹杆受力分析

根据计算结果列出部分腹杆轴力，如表3所示。由表3可见：部分填充混凝土后，斜杆的轴力基本上没有变化，大部分竖杆轴力减小，且距离填充区越远受影响越小，只有中墩处少数腹杆轴力变化剧烈，这是由于填充混凝土之后，主桁自重的增加导致填充区域上部腹杆轴力增加。

表3　腹杆轴力

4　结论

综上所述，部分填充混凝土之后钢桁梁桥整体刚度得到提高，静态位移明显减小；填充区域的下弦杆应力大幅度减小，且对未填充段影响不大；中墩处腹杆轴力变化剧烈，应适当予以关注。说明部分填充混凝土能增加钢桁梁桥的刚度，减小填充区下弦杆应力水平，提高承载力。这些优点决定了部分填充混凝土结构有很好的应用前景，但如何合理选择填充区域将是一个新的课题。

［1］NAKAMURA S，MOMIYAMAM Y，HOSAKA T，et al.New Technologies of Steel Concrete Composite Bridges［J］.Journal of Constructional Steel Research，2002，58（1）：99-103.

［2］陈平，李亮，陈念斯.大跨度钢管加劲梁斜拉桥的设计［J］.世界桥梁，2003（1）：10-13.

［3］张贝.部分灌注钢管混凝土拱桥稳定性研究［D］.西安：长安大学，2002.

［4］潘桥文.双层桥面飞燕式钢管-钢管混凝土复合拱桥动力分析［D］.福州：福州大学，2006.

［5］叶卓棋，杨健，刘永健，等.部分填充混凝土钢管结构桥梁研究［J］.建筑科学与工程学报，2010，27（2）：96-101.

［6］程斌，钱沁，黄仁锋.部分内填混凝土钢桁梁焊接整体节点试验［J］.中国公路学报，2013，26（3）：117-123.

AbstractAs a new form of structure，partially concrete-filled steel tube structure is used in long span composit steel truss bridge.In this paper，the research object is a partially concrete-filled composite steel truss bridge across Haihe River in T ianjin.W ith Ansys，a 3D finite element model was built.T he effect of partially filled concrete on static performance of steel truss bridge was discussed under dead load.T he results show that，with partially filled concrete，stiffness of the bridge is increased leading to a lower static displacement.T his structure effectively decreases stress of concrete-filled compression members，and has little effect on tension members.T he carrying capacity of bridge is largely increased.

KeywordsSteel T russ；Partially filled concrete；Static characteristic；Finite element analysis

（责任审编孟庆伶）

Static Analysis of Partially Concrete-filled Composite Steel Truss Bridge

ZHOU Yefei1，LI Xiaokun1，LI Yanqiang2
（1.China Railway 15th Bureau Group Co.，Ltd.，Luoyang Henan 471000，China；2.Department of Mechanics Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China）

U448.21+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.03

1003-1995（2016）04-0009-04

2015-11-27；

2016-02-16

周叶飞（1981—），男，工程师。