城市軌道交通鋼桁梁橋設計中的探討

魏珍珍

摘要：隨著城市軌道交通建設的日益增加，鋼桁梁結構由于具有跨度大、承載能力強、結構輕巧簡潔等特點而被廣泛應用。通常情況下，在設計時一般均假定桁架結構為鉸接，這種假定同實際情況并不完全相符，節點不是理想的鉸。本文對鉸接和剛接兩種模型進行比較分析，闡述了鉸接和剛接模型對鋼桁梁設計的影響。在鋼桁架梁橋中，次應力對橋梁結構設計影響很大，但是由于次應力的分析計算比較復雜，本文通過分析影響次應力的因素，就減少鋼桁梁次應力給出一些建議措施。

關鍵詞：鋼桁梁；鉸接；剛接；分析

Abstract : With the city track traffic construction increasing day by day, the steel truss structure is widely used because of its large span, high bearing capacity and simple structure and so on. Typically, we generally assume the truss structure is hinged in the design , but this assumption is not completely consistent with the actual situation, and the node is not ideal. This paper takes a comparative analysis of the hinged and rigid connection two models, and elaborates their influence on the steel truss girder design. In the steel truss girder bridge, secondary stress has a big influence on the bridge structure design, but as a result of the secondary stress analysis and calculation are more complex, this article through the analysis of influencing the stress factors, gives some suggestions on reducing the steel truss secondary stress.

Key words: steel truss; hinge connection; rigid connection; analysis

中圖分類號：TU3文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

引言

隨著城市軌道交通的建設，鋼桁梁的應用日益增加。在鋼桁梁計算中，一般均假定桁架結構為鉸接，進而計算桁架桿件的軸向應力。事實上，上述假定同實際情況并不相符，節點不是理想的鉸，結構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，而在節點處存在著偏心；桿件自重等荷載的存在等，都將導致桁架結構不僅只有軸力，還將產生附加力。同時，結構分析中，將鋼桁結構考慮為僅承受拉壓，不承受彎矩的結構，但由于構造上的原因，桁架桿件會由于承受彎矩而產生所謂的次內力。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計中的影響及次應力對桁架梁的影響進行有益的探討。

1 從以下幾個方面對鉸接模型和剛接模型在鋼桁梁設計中影響進行分析：

1.1 對主桁架的影響

結合該橋設計，分別建立桁架單元和梁單元模型，對該橋做有限元整體結構分析，計算主力組合荷載下該橋各桿件內力，并進行比較，探討次應力對桿件結構設計的影響。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。主桁節點采用整節點形式。主桁上、下弦桿內寬為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、聯結系均采用Q345qE級鋼。該橋結構模型見圖1。

圖1 結構模型簡圖

主桁架是主要的承重結構。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，主桁架的內力比較如表1：

表1 兩種模型主桁內力計算結果

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，并采用整體節點板，斜桿、豎桿、上弦桿受力較小，所以由于彎矩產生的次應力較小，兩種模型對結構計算的結果影響很小。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力，但是鉸接模型計算出來的內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行設計是符合要求的。

1.2 對上平聯的影響

兩種模型在主力組合的作用下，上平聯的內力比較如表2：

表2 兩種模型上平聯內力表

由表2可知：上平聯在主力作用下，鉸接模型與剛接模型軸力最大相差7.6%，剛接模型中的次內力也很小，兩模型對結構影響很小。

1.3 對節點的影響

本文對鋼橋中間節點E0、E4進行了細部應力分析，有限元分析采用實體單元進行模擬，計算中分別將上述剛接、鉸接模型計算得到的內力作為邊界條件輸入細部分析模型。

由于輸入荷載條件近似，僅下弦桿荷載有所差別，故分析得到的節點應力分布趨勢相近，應力集中位置如下：

應力集中處 應力集中處

圖4端節點剛接應力圖 圖5中節點剛接應力圖圖

E0、E4號主節點，斜主桁（橋門架）與節點連接處兩側局部很小范圍內產生了應力集中（為271.594MPa），其余部位應力約為80MPa左右，兩種模型對結果影響不大。

1.4 對預拱度的影響

為了保證線路在運營狀態下的平順性，鋼梁應當設置預拱度。常用預拱度值取恒載及一半活載作用下的結構撓度。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，進而引起預拱度值有所差異。

下表中列出了兩種不同分析模型計算得到的跨中撓度，用來進行預拱度的設置：

表3 兩種模型跨中撓度表

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

1.5 對自振頻率的影響