钢桁梁桥结构安全性分析

刘 锦

(陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714000)



钢桁梁桥结构安全性分析

刘 锦

(陕西铁路工程职业技术学院， 陕西 渭南 714000)

结合拟建通榆河大桥实例，运用MIDAS/Civil 2006建立有限元模型，对桥梁各个施工节段进行仿真模拟，计算桥梁钢桁架的受力，分析钢桁架结构的受力规律，并针对其受力规律加固桥梁结构。另外，对钢桁架桥梁的稳定性、杆件抗疲劳特性、节点板强度等进行计算，确保桥梁在施工过程中的安全性。

钢桁架；杆件应力；稳定性；抗疲劳特性；节点板

近年来，钢材价格日益跌落，钢结构建筑迅猛发展。钢桁架因其具有节点形式简单、重量轻、刚度大、几何特性好、抗压和抗扭性能好、施工简单、节省材料、有利于防锈与清洁维护、可应用于跨度和载荷都较大的建筑等优点，在桥梁建设中得到广泛采用。

钢桁梁桥主要承受由桥面传来的竖向和纵向荷载，并把荷载传递给主桁节点，钢桁架每个杆件的破坏都可能导致整体结构破坏[1]。同时，钢桁架结构在使用过程中，若变形持续增长，则会导致结构承载力丧失，从而发生失稳破坏[2]。因此，为保证桥梁结构安全，对这种主要承压结构建模并计算其杆件强度和刚度是非常必要的[3-4]，且桥梁建模计算也关系到工程的设计进度和优良程度[5-6]。

拟建通榆河大桥主桥采用钢桁架结构形式，本文运用MIDAS/Civil 2006有限元软件对通榆河大桥进行建模计算，研究主桥钢桁架在施工和使用期间的力学性能，并对其稳定性、杆件抗疲劳特性及节点板强度进行验证，以确保桥梁安全。

1 工程概况

拟建通榆河大桥位于江苏省盐城市滨海境内，大致呈东西走向，跨越通榆河。该桥中心线与通榆河航道中心线正交，通榆河航道为3级，桥梁通航净空为56.7 m×7 m。通榆河大桥跨径组成为3×16 m+75 m+3×16 m，桥梁全长176.64 m。上部结构主桥采用下承式钢桁架，引桥采用预应力混凝土空心板梁。下部结构采用柱式墩，钻孔灌注桩基础，桥面横向布置为11.5 m行车道+2×0.5 m护栏，桥梁全宽12.5 m。距主桥桥墩10 m处有2个老桥桥墩，建桥时予以保留并将其作为防撞墩。

通榆河大桥平面位于直线上，路线纵坡为3.5%和-3.5%，桥面双向横坡为1.5%。主桥布置见图1。

图1 主桥布置示意

通榆河大桥主桥采用75 m下承式简支钢桁梁，主桁采用带竖腹杆的三角形腹杆体系。主桁共分10节，节间长度7.4 m，弦杆平面为矩形，2片主桁的中心距为13.7 m，桥面宽度12.5 m。主桁布置见图2。

图2 主桁布置示意

主桁杆件主要包括上弦杆、下弦杆、端斜杆、斜腹杆、竖腹杆。各杆件均在工厂焊接成型，并在工地通过高强螺栓在节点处以节点板拼成整体。

2 结构分析

2.1 计算实例

本文采用MIDAS/Civil 2006有限元软件对通榆河大桥主桥整体静力进行分析和计算，对主桁各杆件，桥面系钢横梁、钢纵梁均采用空间梁单元进行模拟，采用刚性节点对构件节点进行模拟。计算主要构件受力时，采用刚性节点计算轴力。全桥共离散为601个单元，394个结点，总体计算模型见图3。

图3 主桥结构离散图

通榆河大桥施工阶段的模拟共分为3个部分，施工流程如下：钢桁梁安装→吊装混凝土预制桥面板，浇筑湿接头→施加2期恒载，成桥。

2.2 荷载类型2.2.1 计算荷载

1) 恒载：1期恒载，钢材容重78.5 kN/m3，各桁架杆件按实际断面和重量输入，两纵梁间小横梁按结构重量等效为静载施加在纵梁上；2期恒载，桥面板、防撞栏按实际重量计算值，加载在纵梁上。

2) 汽车活载：公路I级，双向2～3车道加载。

3) 风荷载：主桁上下端弦杆为0.52 kN/m，主桁竖腹杆、斜腹杆为0.32 kN/m。

2.2.2 荷载组合

在成桥阶段分析时，桥梁结构按承载能力极限状态进行设计，即根据各种荷载重要性的不同和同时作用的可能性，荷载效应按照基本组合考虑，取恒载、汽车活载、风荷载最不利效应组合进行设计。

2.3 计算结果

2.3.1 杆件应力计算

对通榆河大桥主桁各杆件进行了计算分析，结果表明，每个杆件都出现了较大应力。通榆河大桥主桁杆件应力分布见图4。

图4 通榆河大桥主桁杆件应力分布

从图4(a)、(c)中可以看出，上弦杆和端斜杆没有出现拉应力，最大压应力出现在端斜杆上，为-178.7 MPa。从图4(b)、(d)中可以看出，下弦杆和边斜杆没有出现压应力，最大拉应力出现在边斜杆上，为215.4 MPa。从图4(e)中可以看出，中斜杆最大拉应力为173.6 MPa，最大压应力为-144.7 MPa。从图4(f)中可以看出，竖腹杆最大拉应力为247.9 MPa，最大压应力为-141.2 MPa。

2.3.2 稳定性计算

通榆河大桥主桁高10 m，主跨75 m，高跨比为1/7.5，而钢桁架结构桥梁的高跨比通常为1/15.7～1/20.6，一般采用1/18左右[6-7]。由此可知，通榆河大桥高跨比偏大，且由图4(a)、(c)、(e)可知，通榆河大桥上弦杆、端斜杆及中斜杆都承受了很大的压应力，处于受力不利状态，因此，需对上述3种压杆进行稳定性计算。依据JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》规定，3种压杆总稳定性计算公式如下：

(1)

式中：γ0为结构重要性系数；Nd为轴心压力设计值；N为计算轴向力；χ为轴心受压构件整体稳定折减系数；Aeff,c为有效截面积；ey、ez分别为y、z轴的偏心距；Wy,eff、Wz,eff分别为有效截面相对于y、z轴的截面模量；fd为钢材设计强度值。

上弦杆截面为一矩形，长0.64 m，宽0.6 m，具体结构尺寸见图5。上弦杆压杆面内和面外稳定承载力计算结果见表1。

图5 上弦杆截面

上弦杆计算系数稳定承载力计算结果面内面外E/MPa210000210000N/MN9.87359.8735Aeff,c/m20.0710.071M/(MN·m)0.18080.0109I/m40.00420.004H/m0.640.6Wy,eff/m30.0131250.0133L/m7.47.4γ0σ168.0153.9fd200200稳定性是否满足要求满足满足

注：E为钢材弹性模量；M为构件截面计算弯矩；I为截面惯性距；H为截面高度；L为长度；σ为杆件应力。

由表1数据可知，在承载能力极限状态荷载组合下，γ0σ

同理，由计算可知，端斜杆和中斜杆的稳定性也满足规范要求。

2.3.3 杆件疲劳强度校核

由图4(b)、(d)、(e)、(f)可知，下弦杆、边斜杆、中斜杆、竖腹杆承受了很大的拉应力，需进行疲劳强度校核，故本文选用汽车荷载标准值效应对上述4种杆件进行了校核，校核时考虑了次应力作用。下桁杆件强度计算结果见表2。

由表2数据可知，下弦杆的抗疲劳强度满足规范要求。

表2 主桁-下弦杆疲劳强度计算结果

同理，由计算可知，边斜杆、中斜杆、竖腹杆的抗疲劳强度也满足规范要求。

2.3.4 A1节点板计算

在主桁节点处，腹杆、弦杆的内力是通过节点板来平衡的。节点板的应力状态比较复杂，既有压应力、拉应力，还有剪应力，且应力分布极不均匀。本文选最不利节点A1进行计算，板构造及杆件基本组合轴力示意见图6。

图6 A1节点杆件轴力示意

1) 节点中心处节点板竖向截面上的法向应力。

节点板a-a截面上、下缘法向应力计算公式为：

(2)

(3)

式中：γ0σ1、γ0σ2分别为截面上、下缘的法向应力；Aj为构件净截面积；y1、y2分别为截面上、下缘距离重心轴的距离。

由式(2)、(3)可知，上、下缘法向应力均小于钢材设计强度值，满足规范要求。

2) 节点板剪应力。

节点板b-b截面剪应力计算公式为：

(4)

式中：γ0τ为截面剪应力；Z为水平力；l为计算水平截面节点板长度；δ为节点板厚度。

由式(4)可知，节点板剪应力小于钢材设计强度值，抗剪能力满足规范要求。

3) 撕裂应力计算。

受拉斜杆A1-E2承载能力计算公式为：

F=fdAj

(5)

式中：F为受拉斜杆A1-E2的承载能力。

查通用规范可知，受拉斜杆A1-E2的设计强度值fd为200 MPa，抗剪设计强度fvd为115 MPa。而通过测量A1节点板可知，净截面积Aj为27 360 mm2，边长L1-2(1-8)、L2-3、L3-4、L3-5(6-8)、L7-8分别为32、17.9、56.9、85.5和76.6 cm，栓孔直径d为26 mm，节点板厚度δ为24 mm。因此，由公式(5)可知受拉斜杆A1-E2的承载能力F为5 472 MPa。A1节点板撕裂面有4个，分别记为A1、A2、A3、A4，下面分别对其强度进行计算。

A1截面的抗撕裂拉力为:F1=[fd×(L1-2-d)+fvd×(L6-8+L1-8+L2-3+L3-5-d)] ×δ=[200×(32-2.6)+115 ×(85.5+32+17.9+85.5-2.6)]=5 800 kN。

由计算可知，F1>F，撕裂面A1的抗撕裂能力大于受拉斜杆A1-E2的承载能力，A1面不会发生撕裂破坏。

同理，可计算出撕裂面A2、A3、A4的承载能力F2、F3和F4，其分别为6 368、5 852和6 362 kN，并由此可知，各撕裂面的抗撕裂能力均大于受拉斜杆A1-E2的承载能力，因此不会发生撕裂破坏。

2.4 计算结果分析

1) 从图4可以看出，杆件的应力分布在40～250 MPa之间，其中竖腹杆拉应力最大，位于主桥距离支座7.4 m处，且拉杆拉力分布呈现由两端向中间递减的趋势。按照JTG D64—2015的要求，容许应力值为243.5 MPa，而通榆河大桥竖腹杆的拉应力为247.9 MPa，超过了允许值，其他杆件应力均较小，均在应力容许范围内。

2) 杆件的稳定性、抗疲劳特性、节点板强度均满足安全要求。

3 结论

本文对拟建通榆河大桥主桥钢桁架杆件的应力、稳定性、抗疲劳特性及节点强度进行了计算，并得出以下结论：

1) 该桥钢架结构破坏形式为杆件的受拉破坏，而不是失稳破坏、疲劳破坏等其他破坏形式。

2) 桥梁的上弦杆、下弦杆、端斜杆、中斜杆、竖腹杆均受力较大，其中受力最大的竖腹杆拉应力超出规范容许值，为安全起见，竖腹杆应给与加固处理。

[1] 王新堂，杨晓明，李俊华.平面预应力钢桁架整体可靠性分析[J].特种结构，2005，22(4)：61-64.

[2] 刘尚蔚，袁冬卯，仝 亮，等.基于Inventor 的大型钢架桥三维建模方法[J].华北水利水电学院学报，2013，34(2)：71-74.

[3] 郭蓬勃.钢桁架输煤栈桥可靠性检测分析[J].四川建筑，2013，33(2)：150-151.

[4] 白 桦，李 宇，李加武，等.钢桁架悬索桥颤振稳定性能研究[J].振动与冲击，2013，32(4)：90-95.

[5] 陈兆毅，王艳军.并行地段铁路斜交连续刚架桥设计研究[J].铁道勘察，2013，5(1)：69-72.

[6] 霍航鹰.浅谈连续钢架桥[J].工程建设，2003，13(1)：7-9.

[7] 周亮亮.某门式刚架桥计算[J].工程与建设，2015，29(2)：197-198.

Analysis to Structural Safety of Steel Truss Girder Bridge

LIU Jin

In this paper, we take the to-be-built Tongyu River Bridge as example and use MIDAS/Civil2006 to set up finite element model, to simulate all construction nodes of steel truss girder bridge. We calculated stress on steel truss girder and analyzed the rules of stress on steel truss girder structure, and reinforced bridge structure accordingly. Besides, we carried out calculation of stability of steel truss girder bridge, anti-fatigue characteristics of members, strength of gusset plates, to assure safety of bridge during construction.

Steel truss girder; member stress; stability; anti-fatigue characteristics; gusset plate

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.014

2016-05-28

刘 锦(1983-)，男，陕西省渭南县人，硕士，助教。

1009-6477(2016)05-0056-05

U448.36

A