桥面板连接方式对桁架拱受力影响研究

黎力韬 LI Li-tao

（广西交科集团有限公司，南宁 530007）

0 引言

钢桁架拱桥作为拱桥中的一种，兼顾造型优美[1-2]，能够很好地融入城市的发展规划中，成为当地的一张显耀的名片，因此越来越多的城市桥梁采用钢桁架拱桥，已经成为城市桥梁设计中最具有竞争力的桥型之一[3]。而在建造钢桁架系杆拱桥时，不同的桥面系连接形式对结构的受力性能也有所不同，导致钢桁架拱桥的传力路径也有所不同，因此有必要针对钢桁架拱桥各个部件受力的差异性进行深入研究探讨，目前国内外已经有许多学者对钢桁架拱桥进行大量研究[4-5]。而本文以某大跨度钢桁架拱桥为工程背景，结合有限元软件建立三种不同桥面系连接形式的空间有限元模型，通过对比分析在恒载作用下对混凝土桥面板和系梁的受力影响，同时对结构的变形进行分析，研究不同桥面系连接形式下系杆预应力的传递效率。

1 钢桁架拱桥总体设计

1.1 工程概况某跨河工程主桥采用42m+140m+42m三跨连续钢桁架拱桥，主桥为无推力系杆拱桥体系，上部结构通过连续钢桁架拱肋、桥面系钢梁及系杆形成平衡，支承于桥墩上。主桥总体布置图如图1所示。

图1 主桥总体布置图（单位：mm）

1.2 桥面板与系梁连接方案为研究组合桥面板连接形式对钢桁架系杆拱桥的受力影响，提出三个不同桥面系与主梁连接方案分别如下：方案一：钢混凝土桥面板与钢系梁不连接；方案二：钢混凝土桥面板与系梁仅在中支点端部12m范围内连接；方案三：钢混凝土桥面板与系梁在全桥范围内连接。

2 恒荷载下钢桁架拱桥结构受力对比分析

2.1 混凝土桥面板受力对比分析通过模型计算，提取恒荷载作用边跨和中跨混凝土桥面板顺桥向正应力平均值，得到桥面板正应力平均值沿横桥向分布规律，如图2所示。然后通过比较混凝土桥面板应力的极值衡量混凝土桥面板应力的均匀性，如表1所示。

图2 恒荷载工况下混凝土桥面板应力分布图

由图2可知，钢桁架拱桥混凝土桥面板顺桥向正应力沿横桥向分布呈现先下降后上升的分布规律，在小纵梁处的混凝土桥面板正应力最小。在恒荷载作用下，方案三边跨混凝土桥面板顺桥向应力极值最大，最大值达到3.63MPa，最小值达到-4.31MPa；其次是方案二，方案一极值最小；方案二边跨混凝土桥面板顺桥向应力极值最大，最大达到了4.69MPa，最小达到了-6.50MPa，其次是方案一，方案三极值最小。而综合最值应力结果可知，方案三混凝土桥面板顺桥向应力极值减小幅度最大，其中最大值减小了14.79%，最小值减小了28.29%，因此方案三的桥面板连接方式有利于改善结构受力。

2.2 系梁受力对比分析通过比较系梁的极值衡量系梁内力分布的均匀性，如表2所示，并通过比较系梁平均轴力来衡量系梁内力分配的变化，如图3所示。

表2 恒荷载工况下的系梁轴力极值对比

图3 恒荷载工况下轴力分布图

在恒荷载工况下，方案一边跨系梁平均轴力最大，其次是方案二，方案三最小，而中跨系梁平均轴力变化规律相反，方案三中跨系梁平均轴力最大，其次是方案二，方案一最小；三个方案中边系梁最大值均出现在中跨，而中系梁最大值均出现在边跨；方案三边系梁轴力极值最大，其次是方案二，方案一最小；中系梁则相反。综上，随着中跨系梁与混凝土板结合的紧密程度的增加，系梁内力规律为中跨系梁承担了更多内力。

3 系杆预应力传递效率对比分析

在不同连接方式下，将系杆预应力施加于桥面板，研究其传递效率，通过提取系杆力工况下混凝土桥面板受力情况，对比分析三种桥面连接方式如表3所示。

由表3可知，方案三桥面连接方式下顺桥向应力极值最小，其中较方案一连接方式而言，中跨混凝土桥面板顺桥向应力极值最大值减小了58.67%，最小值减小了48.45%；边跨混凝土桥面板顺桥向应力极值最大值减小了23.15%，最小值减小了26.49%。

由于结构系杆力施加在中跨边、中系梁处，因此，提取边系梁旁桥面板与小纵梁旁桥面板比值nAC，以及中系梁旁桥面板与小纵梁旁桥面板比值nBC，以比较预应力施加于桥面板的传递效率以及纵向传递长度，如图4所示。

为比较三个方案中预应力储备情况，提取系杆力工况下三个方案中桥面板沿纵桥向平均应力，如图5所示。

图5 系杆混凝土桥面板应力平均值分布图

由图4可知，在系杆力工况下方案三相较于方案一、二能更快地使桥面板应力在横桥向趋于平均，且跨中横桥向应力更趋于平均，但由图5可知，方案三在中跨预应力储备最少，而方案一居中，方案二最多；方案一边跨桥面板平均压应力最大，受力最优。

4 结论

结合有限元模型计算结果分析桥面系连接方式对桁架拱桥的受力影响，得到如下结论：①钢桁架拱桥混凝土桥面板顺桥向正应力沿横桥向分布呈现先下降后上升的分布规律，在小纵梁处的混凝土桥面板正应力最小。②恒载工况下，随着中跨系梁与混凝土板结合的紧密程度的增加，系梁内力规律为中跨系梁承担了更多内力。③在系杆力工况下方案三相较于方案一、二能更快地使桥面板应力在横桥向趋于平均，且跨中横桥向应力更趋于平均，但方案三在中跨预应力储备最少。