百岁溪大桥桁架受力分析

苗永慧，邢 煜

（1. 中交第二勘察设计研究院有限公司，南京 210037;2. 苏交科集团股份有限公司，南京 210019）

预应力混凝土斜拉桁架桥是近年来发展迅速的一种新兴桥型，它由连续梁桥演变而来，具有自重轻、刚度大、受力明确以及材料利用率高等优点[1]。斜拉桁架桥结构美观大方，符合桥梁美学的要求，且跨越能力强，在200 m左右的主跨范围内，其结构受力较混凝土连续梁桥有较大优势，养护及经济性又较斜拉桥更优。

预应力混凝土斜拉桁架桥结构受力特性综合了斜拉桥与连续梁桥的受力特点，将主梁内力分解为3根杆件产生的轴向力及轴向力所产生的综合弯矩。桁架上弦杆为受拉构件；下弦杆除边跨局部受拉外，其余以受压为主；腹杆分为拉腹杆及压腹杆。其中，受拉杆件配置预应力束、受压杆件选用钢筋混凝土、综合弯矩由桁架结构构成的大刚度“名义截面”来抵抗轴向拉力[2-3]，充分利用了材料的受力特性。

1 工程概况

百岁溪大桥位于宜昌市夷陵区，跨越太平镇河流百岁溪，主桥采用95.6 m+176 m+95.6 m斜拉下承式桁架结构，其中上弦杆、下弦杆以及拉腹杆为预应力混凝土结构，压腹杆为钢筋混凝土结构。桥面宽度为：净9 m（行车道）+2×1.15 m（桁架结构）+2×0.75 m（检修道）+2×0.25 m（栏杆），如图1所示。

图1 百岁溪大桥桥型布置图

2 百岁溪大桥桁架受力特性分析

2.1 空间模型建立

采用有限元分析软件Midas建立全桥空间模型，如图2所示，其中主梁、横梁、桁架、V形墩以及墩柱均选用梁单元，全桥共1 504个节点，1 720个单元。桥墩承台处固结，桥台处按盆式支座实际约束设置。

2.2 桁架计算结果

桁架结构以桥梁跨径中心线对称布置，图3为百岁溪大桥半片桁架中杆件编号及节点位置示意图。

图2 百岁溪大桥全桥空间模型图

图3 杆件编号与节点位置

（1）下弦杆

图4为下弦杆各种荷载下应力分布曲线图。由图4可知，百岁溪大桥下弦杆在自重及二期恒载作用下，边跨支点位置和中跨跨中位置均出现拉应力，而对下弦杆局部张拉预应力钢束后，下弦杆在标准组合下，均处于受压状态。

图4 下弦杆各种荷载下应力分布曲线图

表1为下弦杆在组合1由轴力和弯矩产生的应力值。由表1数据分析可知，下弦杆在某一指定工况作用下，杆件应力组成以轴向应力为主，且越靠近主墩位置，轴力与弯矩产生的应力比值越小。

表1 下弦杆在组合1由轴力和弯矩产生的应力值 MPa

（2）上弦杆

图5为上弦杆各种荷载下应力分布曲线。由图5可知，百岁溪大桥上弦杆在自重及二期恒载作用下，除边跨支点位置局部受压外，整体以拉应力为主，因此，上弦杆均应根据受力配置预应力钢绞线。

图5 上弦杆各种荷载下应力分布曲线图

表2为上弦杆在组合1由轴力和弯矩产生的应力值。由表2数据分析可知，上弦杆在某一指定工况作用下，杆件应力组成以轴向拉应力为主，且越靠近主墩位置，轴力与弯矩产生的应力比值越小。

表2 上弦杆在组合1由轴力和弯矩产生的应力值 MPa

（3）腹杆

图6为腹杆各种荷载下应力分布曲线。由图6可知，百岁溪大桥腹杆在自重及二期恒载作用下，相邻腹杆交替出现拉压应力，验证了斜拉桁架桥桁架的受力特性。对拉腹杆中设置预应力钢束后，腹杆应力均为压应力。

图6 腹杆各种荷载下应力分布曲线图

表3为腹杆在组合1由轴力和弯矩产生的应力值，由表3数据分析可知，与上下弦杆应力组成规律类似，腹杆在某一指定工况作用下，杆件应力组成以轴向拉应力为主，且越靠近主墩位置，轴力与弯矩产生的应力越小。

（4）桁架位移

因上弦杆与下弦杆在节点位移上基本相同，只是量值大小不同，故对挠度的分析以下弦杆与腹杆相交的节点为例，如表4所示。

表3 腹杆在组合1由轴力和弯矩产生的应力值 MPa

表4 节点在各种荷载作用下的DZ位移值 mm

结构产生竖向位移主要原因是自重和预应力，边跨竖向位移比中跨小。

3 结论

本文通过对百岁溪大桥这一工程实例的深入分析，对斜拉桁架桥桁架结构的特性有了一定的了解和研究，综上，得到如下几点结论：

（1）百岁溪大桥的计算结果验证了斜拉桁架桥的桁架结构原理：上弦杆受拉，下弦杆受压，指向桁架顶的为拉腹杆，反之为压腹杆，且所有杆件主要由轴向受力控制，弯矩影响相对较小。

（2）随着杆件位置靠近主墩墩顶位置，所有杆件中应力值的绝对值都在不断变大，而弯矩产生的应力占荷载组合应力的比例也随着桁架组合的“名义截面”增大而逐渐减小。

（3）斜拉桁架桥结构在满足桥梁功能的同时，兼具美观、经济性优等优点，但本文将桁架连接处理想化为铰接点，未计入节点刚域效应对桁架应力的影响，下一步将会对此课题做细化研究。

参考文献

[1]金文成，黄古剑.斜拉桁架体系桥梁的结构前景和应用前景[J].华东公路，2005（5）：58-60.

[2]张永健，黄平明.斜拉式桁架桥仿真分析[J].长安大学学报（自然科学版），2007（2）：42-45.

[3]尼颖升，李金凯.预应力混凝土斜拉桁架桥结构特征分析[J].城市道路与防洪，2010（12）：53-56.