胶合木桁梁桥结构设计与计算

唐 超,宁 凡,刘佳桐

(1.湖南省交通水利建设集团有限公司，湖南 长沙 410000；2.广东省南粤交通投资建设有限公司，广东 广州 510000;3.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

0 引言

现代胶合木结构构件是通过锯木层板胶合而成，剔除了原木存在的一些木节、裂隙等固有缺陷，相比原木结构提高了材料的匀质性，从而提高了结构承载力、刚度和可靠性；并且可方便地加工成不同形状与尺寸的构件，适应桥梁等重型木结构和装配化建造。至今，国内外关于胶合木结构受力性能及应用开展了较多的研究[1]，取得了大量成果。FANOUS F[2]研究了胶合木梁桥的活荷载分布系数；SEO J[3]开展了使用荷载作用下木桥的性能评估；CHIOTAN C[4]等采用欧洲规范对木结构桥梁进行了比较设计研究；RANJITH S[5]开展了木桥的损伤预测分析；王解军[6-8]等开展了胶合木拱桥模型静力试验及廊桥的静力与稳定性分析；陈爱国[9]试验研究了H形钢-木组合梁受弯性能；还有，王明谦[10]、CHEN A J[11]等开展了螺栓连接的受力性能研究。

概之，目前国外关于现代胶合木结构理论研究与工程应用较多；而国内起步晚，目前主要集中于胶合木构件、螺栓连接及小跨径木桥等力学性能研究，对于大跨重型木结构桥梁的研究尚少。本文设计了一座我国目前最大跨径的胶合木桁梁桥(跨径30 m)，介绍其结构设计与力学验算情况，成果可为同类胶合木桥设计提供参考。

1 木桥设计

河北洞阳坡森林公园工人桥为木结构人行桥，于 2018年10月建成。该桥设计为单跨简支胶合木桁梁桥(见图1和图2)，桥长32.8 m，桥宽3 m，计算跨径L0=28.80 m。分8个节间，第一个和最后一个节间长度为0.602 m，中间6个节间长度为4.6 m；主桁高度H=3.95 m，纵梁中心距2.37 m；其中，下弦杆及桥门架杆件截面尺寸为170 mm×400 mm(b×h)，上弦杆、腹杆、上平纵联杆截面尺寸为170 mm×300 mm(b×h)。螺栓连接代表节点S1(下弦杆与斜腹杆连接)布置如图3、表1所示(限于篇幅，其它节点连接未示出)。两端桥台采用钢筋混凝土结构，桥台顶面设置橡胶板以支承木桁梁，并且木桁梁下弦杆与台座间采用螺栓连接。木桥于2018年10月建成(见图4)。

图2 木桁梁桥横截面(单位：mm)

图3 螺栓连接节点S1布置(单位：mm)

(a)立面 (b)横向

选用材料：主桁杆件采用胶合木，其强度等级为TCT21，弹性模量为8 000 N/mm2,泊松比0.356 1，容重6.2 kN/m3。

设计荷载等级：人群荷载4.5 kN/m2，计算时转换成线荷载5.33 kN/m布置在两侧下弦杆上；雪荷载参照《建筑结构荷载规范》(GB 5009-2012)全国雪压分布按50 a一遇雪压0.3 kN/m2取值，换成线荷载为0.4 kN/m；风荷载根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ69-95)，横向风力为横向风压乘以迎风面积，横向风压按公式(1)计算：

W=K1·K2·K3·K4·W0

(1)

式中:W0为基本风压值，参照《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012)全国风压分布，取0.4 kN/m2；K1为设计风速频率转换系数，取0.85；K2为风载体型系数，取1.30；K3为风压高度变化系数，采用1.00；K4为地形、地理条件系数，取0.80。

由式(1)计算可得:W=0.354 kN/m2。

表1 螺栓连接节点S1构件尺寸表Table1 DimensionstableofboltedjointS1component构件名称构件尺寸构件数量/个材料等级钢板1684×300×102Q345B钢板2500×300×102Q345B钢板31040×400×102Q345BM20L290双头螺栓20L290458.8级螺栓

2 结构受力分析与验算

2.1 有限元计算模型

采用有限元软件建立木桁梁桥整体结构空间计算模型(见图5)。主要受力桁架结构的各杆件(包括上、下弦杆、斜腹杆及桥门架)均采用梁单元模拟，共有节点83个，单元115个。整体结构计算模型不包含护栏、桥面格栅以及铺装防腐木板，该部分自重作为荷载施加到结构上；支承方式按两端简支考虑。

图5 结构有限元模型

考虑结构自重、人行荷载、雪载及风载作用，并按规范进行荷载工况组合：

组合1：1.2×恒载+1.4×人行荷载+1.1×雪荷载；

组合2：1.2×恒载+1.4×人行荷载+1.1×雪荷载+1.1×风荷载。

2.2 位移计算结果

通过计算分析，得到自重作用、人行荷载、雪荷载、风载及组合作用下的位移如图6所示。其中，x、y、z轴分别表示桥梁纵向、横向和竖向；Dx为桥梁纵向位移，从左至右为正，反之为负；Dy为桥梁横向位移，朝前为正、朝后为负；Dz为桥梁竖向位移，向上为正、向下为负。

荷载组合1作用下的结构位移见图6、跨中节点位移见表3。表中节点6和节点17分别为左、右侧主桁架下弦杆跨中节点。由表可知，组合2作用下6号节点最大竖向位移为35.18 mm，17号节点最大横向位移为51.77 mm，均大于组合1的相应值。

图6 荷载组合1作用下的结构竖向位移(单位：mm)

表3 荷载组合作用下跨中节点位移Table3 Displacementofmid-spannodeunderloadcombi-nationmm节点编号组合1组合2DxDyDzDxDyDz64.4840.362-34.7904.19351.763-35.182174.4820.367-34.8274.37251.776-31.341

2.3 应力计算结果

有限元法的单元组合应力按下式计算：

σ=N/A±My/Wy±Mz/Wz

(2)

式中：N为单元轴力；My、Mz分别为单元截面绕y轴、z轴的弯矩；A为单元截面积；Wy、Wz分别为截面绕y轴、z轴的抵抗矩。

通过两种组合工况的应力计算结果比较，发现组合2为最不利组合，各种最大应力均发生在组合2，因此这里仅列出组合2的关键应力结果(见图7、表4)。其中拉应力为“+”，压应力为“-”，I、J表示单元两端节点的编号。

(a)轴向应力

由表4可知，最大轴向拉应力发生在右侧主桁架跨中部位下弦杆15、16号单元，其值为3 670 kN/m2；最大轴向压应力发生在左侧主桁架跨中部位上弦杆27、28号单元，为-5 750 kN/m2，这表明主桁架发生横向弯曲并伴随扭转；主桁架梁端支承处下弦水平杆2号单元产生最大组合应力10 500 kN/m2。

表4 组合2作用下结构应力Table4 Structuralstressundercombination2单元位置轴向应力/(kN·m-2)弯曲应力-y/(kN·m-2)弯曲应力-z/(kN·m-2)组合应力/(kN·m-2)2I[2]1.79E+024.36E+03-9.01E+03-4.47E+032J[3]1.79E+022.91E+037.43E+031.05E+0415I[16]3.66E+032.27E+02-2.61E+031.27E+0315J[17]3.66E+03-2.26E+02-2.80E+036.31E+0216I[17]3.67E+03-2.09E+02-2.81E+036.52E+0216J[18]3.67E+032.10E+02-2.61E+031.27E+0327I[32]-5.75E+036.21E+011.97E+02-5.49E+0327J[33]-5.75E+03-1.52E+025.39E+02-5.37E+0328I[33]-5.75E+03-1.52E+025.39E+02-5.37E+0328J[34]-5.75E+036.10E+011.59E+02-5.53E+03

2.4 结构验算

a.强度验算。

根据《规范》[12]，胶合木材料设计强度及弹性模量如表5所示。

表5 胶合木设计强度及弹性模量Table5 DesignStrengthandElasticModulusofGlulam强度等级抗弯强度fm/MPa顺纹抗压强度fc/MPa顺纹抗拉强度ft/MPa弹性模量E/MPaTCT212120158000

由表4可知27、28号单元最大轴向压应力为：5 750 kN/m2=5.75 MPa

b.刚度验算。

由表3知，桁梁跨中最大竖向位移为：35.18 mm

3 结论

本文设计了一座目前我国最大跨径(30 m)人行胶合木梁简支桁梁桥，于2018年10月建成使用，运行情况良好。采用有限元软件建立木桥结构空间计算模型，按设计规范考虑结构自重、人行荷载、雪荷载及风荷载的组合作用进行分析计算，获得结论如下：

a.胶合木结构完全可用于大跨人行桥，计算结果表明木桥结构强度与刚度均满足规范要求，结构设计合理、安全可靠。

b.由于该桥跨径较大、横向宽度较窄(3 m宽)，结构横向刚度较小，风载作用下主桁架跨中横向位移较大。虽然结构横向刚度验算满足有关设计规范要求，但考虑到人行的舒适性，在今后类似桥梁设计中可适当采取提高结构横向刚度的措施。

c.桥梁建成后应及时维护，加强胶合木构件及连接件的防腐措施，确保结构的耐久性。