平行弦桁架式人行钢引桥主桁架布置形式探讨★

唐 洁，罗胜平，周乐序，吴 娴，唐 蔚

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 410219)

0 引言

人行钢引桥制作及施工安装较为便利,在道路、景区、厂区、码头、船闸等地方应用较多[1]。目前使用较多的人行钢引桥长度24 m～60 m,其中长度30 m～36 m居多,高度3 m～4.5 m,宽度2.5 m～4.5 m。人行钢引桥一般由主桁架、上平联、下平联及花纹钢板等部分焊接形成,小跨度人行钢引桥可不设上平联。主桁架是整个钢引桥的主要受力部分,在人行钢引桥设计时,主桁架往往成为设计人员关注的重点,而主桁架布置形式的选择为主桁架设计的首要任务。结合以往设计经验和在用的人行钢引桥,主桁架布置形式种类较多,形式各异,设计人员面对众多的主桁架布置形式,可能无法高效的确定出最佳的主桁架布置形式。本文旨在通过Civil Midas建模计算多种不同的人行钢引桥主桁架布置形式,探讨分析不同主桁架布置形式的差异,为人行钢引桥设计人员确定出最佳的主桁架布置形式提供参考依据。

1 模型介绍

1.1 钢引桥主桁架

主桁架由上弦杆、下弦杆、端斜杆、斜腹杆及竖腹杆等构件组成,主桁架构件一般采用型钢。弦杆一般采用单根型钢或不超过3段的型钢拼接而成,斜杆或腹杆一般采用单根型钢。主桁架一般由弦杆与斜杆及腹杆通过节点板焊接形成。根据JTS 167—2018码头结构设计规范[2]要求,对于平行弦桁架钢引桥的高跨比宜为1/8～1/15,横向刚度要求桥宽不应小于跨度的1/20。本文以36 m×3.2 m×3.2 m(长×宽×高)人行钢引桥为例进行分析计算。借鉴以往的设计经验及运用案例,平行弦桁架式钢引桥主桁架布置形式常见的有以下五种,见图1。

1.2 计算模型

针对36 m×3.2 m×3.2 m人行钢引桥主桁架,计算可采用Civil Midas(2019年版)建立二维平行弦桁架结构模型,上、下弦杆视为梁单元,端斜杆、斜腹杆及竖腹杆视为桁架单元(仅受轴向拉力与压力)。主桁架构件型钢选型见表1。上、下弦杆采用方钢,斜杆及腹杆采用矩形钢,表中构件型号均取自国家标准GB/T 6728—2017结构用冷弯空心型钢[3]。

表1 主桁架构件型号汇总表

根据主桁架构件选型,对五种主桁架布置形式进行建模,弦杆与斜杆及腹杆之间通过节点板焊接连接,建模可假定为固结,主桁架与下方支承结构之间为铰接。图2仅示意Ⅰ类主桁架布置形式,其他四种主桁架布置形式采用类似步骤进行建模。

人行钢引桥主要承受竖向荷载为主,包括自重、人群荷载、雪荷载等。根据JTS 144-1—2020港口工程荷载规范[4],桥面人群荷载标准值可取3 kPa,雪荷载标准值可取0.7 kPa。人行钢引桥一般不设封闭围护结构,横向风载可忽略不计。荷载施加方式包括人群荷载为均布荷载,自重和雪荷载为节点荷载。各荷载的分项系数见表2。

表2 荷载作用分项系数

2 结构计算

钢引桥计算工况分承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态工况下主要分析构件应力,正常使用极限状态下主要分析主桁架挠度。

2.1 构件应力

图3给出Ⅰ类主桁架构件的应力分布图。根据图3中上、下弦杆应力分布可知,上弦杆受压,下弦杆受拉,且弦杆应力从主桁架两端向中间增大。端斜杆受压,腹杆应力分布与弦杆应力分布相反,从主桁架两端向中间减小。由于施加的荷载呈对称分布,图3中的应力分布也为对称分布。其他四类主桁架构件的应力分布规律与Ⅰ类主桁架构件的应力分布规律一致。

表3给出了承载能力极限状态下五种布置形式的主桁架构件最大应力,均满足规范要求。表3中各构件应力数据对比表明,上弦杆承受压力,其中第Ⅴ类主桁架中上弦杆受力最大,第Ⅲ类主桁架中上弦杆受力最小,二者相差约5.4%。下弦杆承受拉力,其中第Ⅴ类主桁架中下弦杆受力最大,其他四类主桁架中下弦杆受力几乎接近,相差不超过3%;但五种主桁架下弦杆受力最大值与最小值相差约48.2%。考虑到第Ⅴ类主桁架布置形式中不设竖腹杆,但下平联均一致,在同样的荷载受力情况下,下弦杆所受弯矩最大,因而应力最大。

表3 主桁架构件最大应力统计 MPa

端斜杆承受压力,第Ⅴ类主桁架中端斜杆中应力最小,其他四类端斜杆应力一致。而随着主桁架腹杆布置形式变化,斜腹杆及竖腹杆受力状态也相应变化,总体来看,第Ⅴ类主桁架的斜腹杆应力绝对值最大,其他四类主桁架的斜腹杆应力几乎一致。对于竖腹杆,第Ⅳ类主桁架的竖腹杆应力最小,第Ⅰ类主桁架和第Ⅲ类主桁架的竖腹杆应力接近。

2.2 主桁架挠度

图4为第Ⅰ类主桁架在正常使用极限状态下的挠度分布(Z方向)。图中数据表明,主桁架两端挠度小,跨中挠度大,其中Ⅰ类主桁架跨中挠度wmax=35.77 mm,小于JTS 152—2012水运工程钢结构设计规范[5]“第3.3.1款”要求的L/700=36 000/700=51.43 mm。其他四类主桁架的挠度分布规律与Ⅰ类主桁架的挠度分布规律一致。

表4列出正常使用极限状态下五种布置形式的主桁架最大挠度,均满足规范要求。从表4可知,第Ⅰ类主桁架的挠度最大,第Ⅳ类主桁架的挠度最小,两者相差约5.89%,但五类主桁架最大挠度总体上相差不大。

表4 主桁架最大挠度统计 mm

3 结论

本文以平行弦桁架式人行钢引桥为例,通过Civil Midas建模计算分析了五类不同的主桁架布置形式的构件应力及挠度,在同等构件截面尺寸和承受同样的荷载工况一致的前提下,分析相应计算结果后可得:

1)第Ⅰ类—Ⅳ类主桁架的上下弦杆、端斜杆、斜腹杆等构件应力相差不大,竖腹杆应力因主桁架布置形式不同而差异较大,其中第 Ⅳ 类主桁架的竖腹杆应力最小;第Ⅴ类主桁架的下弦杆应力显著比其他四类主桁架的下弦杆应力大。

2)第Ⅰ类主桁架的挠度最大,第Ⅳ类主桁架的挠度最小,但五类主桁架最大挠度总体上相差不大。

3)针对五类主桁架布置形式,在构件应力和挠度均满足规范要求的前提下,结合结构力学平行桁架体系角度来看:当建设投资充裕时,推荐采用第Ⅰ类主桁架布置形式,理论零杆仅有1根,构件受力情况较好;当建设投资紧张时,推荐采用第Ⅴ类主桁架布置形式,不设竖腹杆,所用材料最省,但下弦杆应力较大,在设计中需采取一定补强措施。