分析横梁板厚对板桁结合结构受力特性的影响

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摘要：板桁结合结构的钢桥，桥面系沿着纵向经过不同板厚的横梁受力不同，分析横梁板厚的变化对应力的影响规律，从而合理地选择横梁的板厚。以重庆市千斯门嘉陵江大桥为工程依托，运用有限元软件Midas FEA对实桥建立有限元模型，进行有限元分析。得到横梁板厚越大，桥面板纵向受力绝对值越小，板厚变化16mm时，在桁架附近桥面板应力最大改变1.22MPa，占应力的20.4%，而在中纵梁处桥面板应力变化也高达1.29MPa，占应力的 8.1%，桥面板应力变化与横梁板厚度的变化基本成正比。

关键词：板桁结合；Midas FEA；有限元；横梁厚度

Abstract：Structural steel plate-truss deck, along the longitudinal beams with different thickness have different effects of stress, analyzing the change of the thickness of the beam on the influence law of stress, so as to reasonably choose the beam thickness.Chongqing qiansi men Jialing River Bridge as the project background, using the finite element software Midas FEA to establish the finite element model of the bridge, finite element analysis. Get the bigger beam thickness, the smaller the absolute value of longitudinal force of bridge deck, 16 mm thickness changes, the biggest change panel stress is 1.22MPa in the vicinity of the truss, accounts for stress 20.4%, While in the stringer the stress changes of up to 1.29MPa, accounting for 8.1% of the stress, bridge panel stress is proportional to the beam plate thickness changes in the basic.

Key words：Plate-truss composite; Midas FEA ;finite element; thickness of the beam

中图分类号：U 441+.5 文献标志码：A 文章编号：

1.前言

钢桁结合梁是国内近年来出现的新型桥梁结构，是钢桁架结合桥面板一同受力的结构，由主桁、桥面板、纵肋、铁路纵、横梁和公路纵、横梁组成。由于板桁结合结构的钢桥横梁板厚不同对桥面受力特性产生影响，桥面系沿着纵向经过不同板厚的横梁受力不同，分析横梁板厚的变化对应力的影响规律，从而合理地选择横梁的板厚。

目前国内外研究板桁组合桥梁的受力体系较多，主要针对板桁结合结构的受力特点和计算方法，但研究横梁厚度对对板桁结合结构受力影响的较少，本文根据实桥，建立工程有限元模型进行分析。

2. 分析方法及横梁板厚的确定

实桥中桥面板、桁架等构件全部焊接成为整体，焊接用共节点摸拟，模型采用板单元模拟，本计算结果均是结构在自重和索力的作用下，不同横梁板厚的结构响应，再减去选取的基本结构（大、小横梁板厚分别为14mm和8mm）的响应，得到横梁板厚差的相对值。

本桥梁设计大横梁厚度为18mm，小横梁厚度12mm，为了更全面地了解横梁厚度对受力的影响，又考虑大横梁直承受和传递拉索索力，故设大、小横梁厚度差为6mm，取大横梁最小厚度为14mm，小横梁最小厚度为8mm，在此基础上以4mm等差增加横梁厚度，大、小横梁板厚最大取到30mm、24mm。

3.工程背景

千斯门嘉陵江大桥采用双塔单索面部分斜拉桥的形式，全桥采用半漂浮体系。全桥桥跨布置为222.5+445+190.5（m），桥宽为24m，桁宽为15m，桁高为13.5m。桥跨布置和典型横断面见图1和图2。

图1 千斯门嘉陵江大桥桥型布置图

图2 主梁标准断面图

千斯门大桥主桥上层桥面采用板桁结合正交异性钢桥面板，主桁主要杆件均为焊接箱形截面。其中下弦杆截面宽1200mm，高1600mm，板厚24~60mm；上弦杆截面宽1200mm，高1200mm，板厚24~44mm；腹杆截面宽1200mm，高1200mm，板厚20~44mm，主桁节点均采用整体节点，节点板最大厚度70mm（塔支座处），有索区及桥塔根部处无索区桥面板厚24mm，上层桥面每2米左右设置一道横梁。

4.结构计算与分析

4.1有限元模型的建立

运用有限元软件Midas FEA建立模型的三个节段，进行局部数值模拟分析。模型共有节点808751个，共划分单元572069个，模型情况如下图所示：

图3有限元整体模型

图4上层桥面结构模型

图5上、下层竖向结构模型

值模拟中用到的材料如表1所示：

表1模型材料表

模型中的边界约束为：7#拉索端，下层桥面采用其它固结竖向位移自由的约束，上层桥面采用固结约束， 9#拉索端自由的悬臂结构。

4.2工况的确定

（1）恒荷载工况

模型中荷载工况仅考虑自重和7#、8#、9#拉索的索力，不考虑活载等其他荷载。

（2）横梁板厚取值

横梁板厚选取如表2所示

表2大、小横梁板厚

4.3计算结果及其分析

将上述不同横梁厚度工况进行分析，分析桥面板在各个横梁厚度下的纵向应力。

提取8#拉索与7#拉索间横梁处的板单元值，提取结果位置如图6所示：

图6提取结果值位置

横梁板厚相对工况1的应力值如下图所示：

图7第一排桥面纵向应力分布对比

图8 第一排桥面相对应力

图9第二排桥面纵向应力分布对比

图10 第二排桥面相对应力

图11第三排桥面纵向应力分布对比

图12 第三排桥面相对应力

图13第四排桥面纵向应力分布对比

图14 第四排桥面相对应力

通过上述统计可知,横梁板厚变化越大，桥面板纵向应力绝对值减小越明显，第一排位置在拉索之后距拉索最近，其结果在中纵梁附近影响较小，离中纵梁越远，相对应力越大，而且锯齿状与纵向桥面板加劲有关，在桁架附近相对应力变化较大，厚度差4mm时，应力变化0.41MP，占桥面板应力的7.4%，厚度差16mm时，应力变化最大1.22MPa，占桥面板应力的20.4%。第二排是大横梁，受结果影响应力变化复杂，厚度差16mm时，在中纵梁中间应力变化1.20MPa，在桁架处应力受影响较大。第三排在中纵梁中间影响较大，越远离中纵梁，应力变化越大，厚度差16mm时，应力变化1.29MPa占应力的 8.1%，在桁架附近差应力变化较小。第四排距离拉索较远在桥面板中间段变化不大，在桁架附近差应力变化较大，而且随厚度的增大，差应力减小，而在边板应力应力明显提高。

在外边板和中间板的应力随横梁板厚的增加应力绝对值减小，越靠近桁架变化越明显。而桁架处随横梁板厚的增加纵向受力变化复杂，但总体变化基本呈线性趋势，在中纵梁中间，随横梁厚度的增加，桥面板纵向应力变化较大，应力绝对值减小。由此可知横梁厚度取值对体系受力有一定影响，应综合考虑。

5.结语

(1) 通过局部分析， 横梁板厚越大，桥面板纵向应力绝对值越小，而且影响与纵向桥面板加劲有关，厚度增加16mm时，在桁架附近桥面板应力最大可提高1.22MPa，占应力的20.4%，而中纵梁处桥面板应力也高达1.29MPa，占桥面板应力的8.1%。

(2)桥面板应力与横梁板厚度变化基本成正比，中纵梁中间引起桥面板应力变化较明显，中纵梁竖板附近影响较小，越远离中纵梁，应力变化越大，在桁架附近差应力变化较大。参考文献（Reference）

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作者简介：高珍，1986.12，甘肃，女，学生，工学学士，桥梁新结构。