下承式钢桁结合梁在竖向对称荷载作用下的受力性能分析

席国政

（山东省交通科学研究院， 山东 济南 250100）

0 引言

下承式钢桁结合梁桥是混凝土桥面板与钢桁架结合而共同受力的一种新型组合结构，该结构具有抗弯刚度大、抗扭刚度大、建筑高度低、行车噪声小、舒适度高等优点。本文运用有限元软件分析了下承式钢桁结合梁桥在竖向对称荷载作用下的受力性能。

1 桥梁概况

图1 为由某铁路设计院设计的一座96 米简支下承式钢桁结合梁桥，该桥为无竖杆平行弦桁架的结构、纵横梁板式的桥面系。桥梁跨度96 米、桁高12.3 米、主桁中心距11.2 米、共8 个节间其长度均为12 米。该桥设计标准：旅客列车设计行车速度200km/h，货物列车设计行车速度120km/h，双线且线间距5.0 米。

2 计算模型

2.1 材料特性

表1 钢桁结合梁桥材料特性

2.2 计算工况

① 一期恒载：钢结构128.5KN/m，混凝土桥面板81.5KN/m。

② 二期恒载：包括人行道、挡碴墙、线路设备和管线，活动检查车轨道等桥面二期恒载其重按161.5KN/m。

(2) 中-活载：计算时顺桥向采用普通活载，横桥向取特种活载。

计算工况：一期恒载+二期恒载+双线对称活载，假设施工时不设临时支撑，则一期恒载由钢结构承担，而二期恒载和活载则由整个组合结构承受。

2.3 模型建立

采用梁单元模拟主桁及纵、横梁，且建模均在其中面上，每个主桁节间划分为12 个梁单元，斜腹杆及上平联均化为1 个梁单元；利用板壳单元进行混凝土桥面板模拟，纵、横梁与桥面板通过剪力钉结合起来，剪力钉纵、横向间距均为200mm。等效的箱型梁由主桁腹杆的剪切变形等效构成其腹板、由上弦杆及上平联按纵向拉伸应变能等效构成其上翼缘。为简化分析，引入如下假定：

①结构变形后，仍满足平截面假定并相互平行；③栓钉在结合面上连续分布；

②在纵梁的轴向抗拉刚度中考虑横梁面外弯曲刚度的等效；④考虑相对滑移；

⑤主桁截面周边不考虑在横截面内投影形状的改变。

3 主要计算结果及分析

3.1 结构的位移分析

结构的荷载传递路线：荷载的施加→桥面板→纵梁→横梁→主桁，该路线中前者均弹性支承在后者上，因此，任意一点桥面板上的位移均可用下式表示：

其中： δx—下弦杆的位移;δhx—相对位移(横梁与主桁下弦杆间);

δzh—相对位移(纵梁与横梁间);δbz—相对位移(混凝土板与纵梁间)。

图2 为工况作用时横梁竖向位移，最大竖向位移发生在跨中横梁处，其变化趋势由跨中横梁向端横梁递减，最大值为98.5mm，最小值在端横梁处基本为零。

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由表2 可知，混凝土板与纵、横梁的平截面假定等能够得到很好的满足，且存在纵向滑移力位于纵梁顶及混凝土板底。

3.2 结构的内力分析

(1) 整体受力特点

结构的整体受力特点：①取桥面系作为研究体系Ⅰ。混凝土板在竖向荷载作用下通过剪力连接件将荷载传至纵横梁，使横梁与下弦杆交接处产生竖向剪力。②取主桁作为研究体系Ⅱ，主桁在横梁所传的竖向力作用下产生竖 向弯曲，使上、下弦杆受压、拉。

(2) 结构各杆件的内力

① 主桁：上、下弦杆主要承受轴向力。上、下弦杆受压、拉，其值均为从两端向跨中递增。由于均为节点荷载作用在上、下弦杆上，其面内外弯矩均很小。

② 斜腹杆

斜腹杆以受剪为主，上、下弦杆以承受轴力为主。上、下弦杆的荷载通过腹杆进行传递。竖向集中荷载作用在下弦杆节点，下弦杆产生下挠，并通过斜腹杆传至上弦杆，上弦杆产生下挠，下弦杆两端节点竖向位移被限制，使两边斜杆受压。因此一般斜腹杆的受力形态由两边向中间为受压、受拉、受压，交替变换。

③ 纵梁

纵梁为弯拉构件，弯矩表现为在每个节间跨中处及节间端处为底面受拉、顶面受压。由图4.a、b 可知，纵梁以受弯为主、受轴力为辅；下弦杆则与之相反。

④ 横梁

横梁受面内外弯矩的作用，并将作用于桥面板上的荷载传至下弦杆。将横梁x=0、12、24、36、48m 处分别对应于横梁0-4 等。端横梁承受最大的竖向荷载。由图4.c 可知，横梁受纵梁的弹性支承作用，其限制两纵梁间面内弯矩的增加，此处存在负弯矩，若采用刚性支承则其值将为正。由图4.d可知，横梁的面外弯矩小于面内弯矩，且面外弯矩由横梁1 到横梁3 逐渐减小，而横梁4 基本为零。

4 结语

本文对下承式钢桁结合梁桥运用有限元软件进行建模，详尽分析了结构在竖向对称荷载作用下的受力特点。分析结果表明，横梁竖向位移变化趋势为由跨中向两端递减，存在纵向滑移力位于纵梁顶及混凝土板底。文中计算分析及结论对研究此类结构受力性能具有一定的借鉴意义。