城市軌道交通鋼桁梁橋設(shè)計中的探討

　　摘 要：隨著城市軌道交通建設(shè)的日益增加，鋼桁梁結(jié)構(gòu)由于具有跨度大、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)輕巧簡潔等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。通常情況下，在設(shè)計時一般均假定桁架結(jié)構(gòu)為鉸接，這種假定同實(shí)際情況并不完全相符，節(jié)點(diǎn)不是理想的鉸。本文對鉸接和剛接兩種模型進(jìn)行比較分析，闡述了鉸接和剛接模型對鋼桁梁設(shè)計的影響。在鋼桁架梁橋中，次應(yīng)力對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計影響很大，但是由于次應(yīng)力的分析計算比較復(fù)雜，本文通過分析影響次應(yīng)力的因素，就減少鋼桁梁次應(yīng)力給出一些建議措施。

　　關(guān)鍵詞：鋼桁梁,鉸接,剛接,分析

　　引 言

　　隨著城市軌道交通的建設(shè)，鋼桁梁的應(yīng)用日益增加。在鋼桁梁計算中，一般均假定桁架結(jié)構(gòu)為鉸接，進(jìn)而計算桁架桿件的軸向應(yīng)力。事實(shí)上，上述假定同實(shí)際情況并不相符，節(jié)點(diǎn)不是理想的鉸，結(jié)構(gòu)中是不允許有任何變形的，各桿的初彎矩;各桿件的重心軸并不全部交匯于一點(diǎn)，而在節(jié)點(diǎn)處存在著偏心;桿件自重等荷載的存在等，都將導(dǎo)致桁架結(jié)構(gòu)不僅只有軸力，還將產(chǎn)生附加力。同時，結(jié)構(gòu)分析中，將鋼桁結(jié)構(gòu)考慮為僅承受拉壓，不承受彎矩的結(jié)構(gòu)，但由于構(gòu)造上的原因，桁架桿件會由于承受彎矩而產(chǎn)生所謂的次內(nèi)力。本文通過對64m單線鐵路下承式道碴橋面鋼桁梁橋的計算分析，對鉸接模型和剛接模型在鋼桁梁設(shè)計中的影響及次應(yīng)力對桁架梁的影響進(jìn)行有益的探討。

　　1 從以下幾個方面對鉸接模型和剛接模型在鋼桁梁設(shè)計中影響進(jìn)行分析：

　　1.1 對主桁架的影響

　　結(jié)合該橋設(shè)計，分別建立桁架單元和梁單元模型，對該橋做有限元整體結(jié)構(gòu)分析，計算主力組合荷載下該橋各桿件內(nèi)力，并進(jìn)行比較，探討次應(yīng)力對桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。該鋼桁梁橋全長65.1m，計算跨度64.0m，主桁中心距7.6m，節(jié)間長8.0m，桁高11.5m。主桁上、下弦桿截面形式均為口字形，斜桿截面形式為口字形和H形。主桁節(jié)點(diǎn)采用整節(jié)點(diǎn)形式。主桁上、下弦桿內(nèi)寬為500mm，豎板高度分別為540和520mm。橋面系縱、橫梁截面均為工形斷面，梁高分別為990mm和1270mm。上、下平縱聯(lián)的斜桿及支桿截面均為工形斷面，采用交叉式。鋼梁的主桁、橋面系、聯(lián)結(jié)系均采用Q345qE級鋼。該橋結(jié)構(gòu)模型見圖1。

　　主桁架是主要的承重結(jié)構(gòu)。其作用是承受豎向荷載，將荷載通過支座傳給墩臺。

　　兩種模型在主力組合的作用下，主桁架的內(nèi)力比較如表1：

　　由表1可以得出主桁架在主力作用下，斜桿、豎桿、上弦桿軸力誤差小于等于3%，這主要是由于斜桿、豎桿采用工字截面，并采用整體節(jié)點(diǎn)板，斜桿、豎桿、上弦桿受力較小，所以由于彎矩產(chǎn)生的次應(yīng)力較小，兩種模型對結(jié)構(gòu)計算的結(jié)果影響很小。但在鉸接模型與剛接模型中，下弦桿軸力最大相差23.9%，位置在跨中處。這主要是由于下弦桿截面較高，桿的截面剛度大，所在跨中位置內(nèi)力較大。剛接模型空間整體性要好于鉸接模型，能使各桿件都能充分的參與工作，因此雖然存在彎矩次應(yīng)力，但是鉸接模型計算出來的內(nèi)力仍然大于剛接模型�？紤]到剛接模型還有剪力、彎矩、扭矩等的影響，在計算中采用鉸接模型進(jìn)行設(shè)計是符合要求的。

　　1.2 對上平聯(lián)的影響

　　兩種模型在主力組合的作用下，上平聯(lián)的內(nèi)力比較如表2：

　　由表2可知：上平聯(lián)在主力作用下，鉸接模型與剛接模型軸力最大相差7.6%，剛接模型中的次內(nèi)力也很小，兩模型對結(jié)構(gòu)影響很小。

　　1.3 對節(jié)點(diǎn)的影響

　　本文對鋼橋中間節(jié)點(diǎn)E0、E4進(jìn)行了細(xì)部應(yīng)力分析，有限元分析采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，計算中分別將上述剛接、鉸接模型計算得到的內(nèi)力作為邊界條件輸入細(xì)部分析模型。

　　由于輸入荷載條件近似，僅下弦桿荷載有所差別，故分析得到的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布趨勢相近，應(yīng)力集中位置如下：

　　E0、E4號主節(jié)點(diǎn)，斜主桁(橋門架)與節(jié)點(diǎn)連接處兩側(cè)局部很小范圍內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力集中(為271.594MPa)，其余部位應(yīng)力約為80MPa左右，兩種模型對結(jié)果影響不大。

　　1.4 對預(yù)拱度的影響

　　為了保證線路在運(yùn)營狀態(tài)下的平順性，鋼梁應(yīng)當(dāng)設(shè)置預(yù)拱度。常用預(yù)拱度值取恒載及一半活載作用下的結(jié)構(gòu)撓度。采用不同的分析模型，計算得到荷載作用下的撓度顯然會有所不同，進(jìn)而引起預(yù)拱度值有所差異。

　　下表中列出了兩種不同分析模型計算得到的跨中撓度，用來進(jìn)行預(yù)拱度的設(shè)置：

　　由于采用鉸接模型后，結(jié)構(gòu)剛度有所下降，荷載作用下跨中撓度略有增大，計算得到的橋梁預(yù)拱度分別為56.88mm(剛接)，58.55mm(鉸接)，誤差小于3%。實(shí)際工程中可以根據(jù)擇優(yōu)選擇剛接或鉸接模型，對預(yù)拱度的設(shè)置影響不大。

　　1.5 對自振頻率的影響

　　結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其之間的連接方式對結(jié)構(gòu)的整體剛度有顯著的影響，根據(jù)動力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)整體剛度又對系統(tǒng)自振頻率產(chǎn)生直接影響。以本橋為例，主桁桿件采用剛接或鉸接均對鋼橋自振產(chǎn)生顯著的影響。

　　現(xiàn)有鐵路普遍存在橋梁剛度不足，列車通行時鋼橋橫豎向振幅過大等現(xiàn)象，該問題與設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)分析方法不準(zhǔn)確、分析模型過于簡化有關(guān)。本文對兩種模型進(jìn)行計算：

　　(1) 主桁桿件之間采用鉸接;

　　(2) 主桁桿件之間采用剛接;

　　結(jié)構(gòu)自振特性采用有限單元法計算;鋼橋上部結(jié)構(gòu)桿件以空間梁單元模擬，橋門架以空間板單元模擬;橋面鋪裝及其他二期荷載轉(zhuǎn)換為分布質(zhì)量，不考慮剛度影響;自振頻率計算采用子空間迭代法。計算得到該橋自振頻率及振型：

　　對于上述不同的分析模型，計算得到的結(jié)構(gòu)第一階橫豎向自振頻率對比如下圖所示：

　　通過對比分析可以得到以下結(jié)論：

　　鉸接或剛接模型對鋼橋自振特性分析結(jié)果影響不大：當(dāng)采用剛接模型，結(jié)構(gòu)模型整體剛度略有提高，自振頻率增大，但變化不明顯，因此在結(jié)構(gòu)動力特性計算中，采用空間剛接或鉸接模型影響均能滿足計算精度需求。

　　參考現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》，對于下承式鋼桁梁橋橫向一階自振頻率應(yīng)當(dāng)滿足：

　　對于本橋即有：f>2.33Hz，計算結(jié)果顯示，本橋一階橫向自振頻率2.59Hz，表明本橋橋梁剛度滿足設(shè)計要求，整體剛度較好。

　　2 鋼桁梁結(jié)構(gòu)中次應(yīng)力：

　　鋼桁梁結(jié)構(gòu)中由于以下原因會產(chǎn)生很大的次應(yīng)力：由于節(jié)點(diǎn)板的半剛性連接使桿件剛性增大;軸向力對桿件重心的偏心;桿件自重的影響、橫向連接桿件變形的影響等均會產(chǎn)生彎矩次應(yīng)力。

　　由于構(gòu)造引起的次應(yīng)力要想完全避免是不可能的，但是在鋼桁梁設(shè)計中，可以采取以下措施來減少次應(yīng)力的產(chǎn)生：調(diào)整桿件截面以及節(jié)點(diǎn)板剛度，減少桿件寬度，避免采用分式節(jié)間，利用幾何角法設(shè)置預(yù)拱度，限制桿件長細(xì)比或桿件高長比等措施。

　　3 結(jié)束語

　　鋼桁架結(jié)構(gòu)是一種空間結(jié)構(gòu)，各桿之間的連接是剛性連接，目前應(yīng)用計算機(jī)來計算空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)不很困難，最佳的計算方法應(yīng)該是按照剛性連接的空間結(jié)構(gòu)來分析，這樣設(shè)計出的結(jié)果才能更好的符合實(shí)際情況。但在實(shí)際工作中有時還是沿用簡化的計算方法，雖然簡化的方法不能考慮次應(yīng)力的影響，但是由于將鋼桁梁橋跨分成若干個平面結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)空間整體性的影響不能考慮，計算的結(jié)果包括軸力、應(yīng)力、撓度、頻率等都偏于安全，能滿足工程設(shè)計要求。

　　結(jié)構(gòu)構(gòu)造的原因所產(chǎn)生的次應(yīng)力，是不可能完全避免的。在日本鋼結(jié)構(gòu)專家小西一郎的《鋼橋》中指出“節(jié)點(diǎn)剛性所產(chǎn)生的次應(yīng)力，在桿件長細(xì)比甚小的情況下，數(shù)值會變得相當(dāng)可觀，此時在確定桿件截面尺寸和計算節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時，必須計入次應(yīng)力影響。”在設(shè)計中應(yīng)控制桿件截面高度不超過長度的1/10~1/15，以減小次應(yīng)力的影響。除此之外，還可以采取調(diào)整桿件截面高度，盡可能的將節(jié)點(diǎn)做的緊促些，盡可能的使各桿件軸線交于一點(diǎn)等措施來減小次應(yīng)力的影響。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]鋼橋[M] 北京：中國鐵道出版社，2003

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