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【摘 要】钢——混凝土组合桁架梁桥采用了一种新型钢一混凝土组合桁架结构，该结构由三角形桁架和混凝土槽形行车板组成，在国内尚属首例。与传统的下承式铁路钢桁架相比，其具有用钢量少、刚度大、行车噪声小等优点，此外结构受力合理、施工方便。本文介绍了该类型桥梁基本组成及构造特点，简述了该类型桥梁的主要施工过程，通过有限元模型和施工中实测数据分析研究了该种新型组合桁架梁桥施工过程中主梁行车板的应力变化特征，为该桥型的设计和应用提供参考依据。
【关键词】钢——混组合桁架；应力分析；有限元法
Stress Analysis of Steel-Concrete Composite Truss Bridge Concrete Combination of Driving Plate
Wang Dong,Wang Yi-fei
(1.Lanzhou Jiaotong University Lanzhou Gansu 730000；
2.Zhongyuan Oilfield Construction Group Company Puyang Henan 457001)
【Abstract】Steel-concrete composite truss girder bridge adopted a new steel a concrete composite truss structure, this structure truss by triangle and concrete tank type driving board composition, in china's first. And the traditional railway steel truss than its steel quantity is less, traffic noise and stiffness big advantages of small. In addition, the stress and construction of structure is reasonable. This paper introduces the basic composition and structure of the bridge type characteristic, expounds the type of the bridge main construction process, through the finite element model and the construction of the measured data analysis and study of the new type composite truss girder bridge construction process of the main girder vehicle plate stress characteristics, for the design and application of the form to provide the reference.
【Key words】Steel-concrete composite truss girder bridge;Driving Plate;Stress Analysis
1. 钢——混凝土组合桁架梁桥概况
钢——混凝土组合梁桥是一种新型桥梁结构形式，钢——混凝土组合梁是指采用联接件将钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等结构构件和钢筋混凝土行车道板结合在一起共同工作的一种复合式结构，这种结构能充分发挥不同材料的优点，具有重量轻跨越能力强的特点。
本文工程背景为80m简支钢——混凝土组合桁架梁桥，本段铁路位于半径为1200m的曲线上，左、右线中心与高速公路斜交角度分别为57度和55度。桥梁跨度为80米，梁长82米，结构为钢混凝土组合桁架结构。桁架形式为无竖杆的三角形，上下弦结构采用混凝土结构。上弦杆采用1.1m宽，1.2m高的钢筋混凝土矩形截面，下弦采用槽型截面，梁高1.5m，跨中设74mm的上拱度，梁体拱度采用二次抛物线。道床板厚度采用40～45cm的钢筋混凝土板，下弦顶宽9.4m，底宽为7.8m，上弦采用三根宽1.0 m、高0.8m的横撑连接。腹杆采用直径为650×550 mm的钢箱，钢箱材质为Q345qE。纵向为全预应力结构，横向为钢筋混凝土结构。
目前，此种桥型组合结构在国内尚属首次，80m跨径也为世界最大跨径。该类桥型可以充分发挥材料的力学性能，使用钢材量大幅度降低，能适应各种轨道结构；结构的刚度较钢桁梁明显增强，而且由于只有腹杆采用钢结构，使得后期养护维修的工作量和工程造价大大降低；并且与系杆拱桥相比，建筑高度可大大降低。本文首先阐述了此类型桥梁的有限元模型分析方法，通过理论分析和工程实践对主梁行车板的应力变化进行了研究。
2. 整体有限元模型法
2.1 有限元模型法简介。
采用有限元方法对桥梁进行全桥结构仿真分析的方法，在近些年得到了普遍的应用。该方法的实质是建立完整、统一的整座桥梁结构分析体系，准确模拟承载构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式和荷载作用等；在此基础上进行大规模的全桥结构效应分析计算，由此得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。
采用有限元方法，对板桁结构的不同受力结构部分采用不同单元进行模拟，最大化的模拟结构的真实受力情况，从而建立起板桁桥的整体有限元模型来对结构进行受力分析。
2.2 全桥模型的建立。
此桥桥型为新型钢——混组合桁梁桥，与以往钢——混组合桁梁桥的主要区别是上弦为混凝土矩形截面，左右分置；下弦为混凝土整体槽型板。
本文采用国际大型桥梁设计软件MIDAS/Civil进行结构分析，根据80m简支钢——混凝土组合桁架桥梁的实际构造、尺寸和受力特点建立1：1的全桥有限元模型。全桥共划分130个节点，142个单元。上下弦杆、腹杆均采用梁单元，支座采用弹性连接进行模拟，全桥支座约束设置如图2～10所示，腹杆与上、下弦杆之间采用刚性连接，约束平动和转动方向的自由度。全桥有限元模型图如图3所示。
图1 桥梁全景图
图2 有限元模型
模型整体坐标系统为：整体x轴为桥梁长度方向，横向为y，竖向为z。
3. 施工过程中主梁理论和实测应力数据对比分析
3.1 施工阶段划分。
在进行有限元数值模拟时，根据施工方案和施工顺序定义了施工阶段，共划分为3个施工阶段和1个运营阶段，施工阶段划分见表1。
3.2 截面应力分析。
选取分析的控制截面和截面应力见表2和表3，表2为理论值，表 3为实测值。不同施工阶段部分截面应力理论值与实测值变化情况见图3～图5，由于对称性，取结构的一半进行数据处理和分析。
由表中各截面应力随施工阶段的变化图可得，随着施工阶段的变化，各截面应力值具有较好的规律性，符合预应力混凝土桥梁的要求。
4. 结论
通过对80m钢——混凝土组合桁架桥主梁分析，可得出以下主要结论：
（1）主梁行车板随着施工阶段的变化，各截面应力值具有较好的规律性，没有出现异常变化情况，符合设计和规范的要求。主梁行车道板应力理论值变化范围-8.32～0.27，施工中实测值变化范围-8.74～0.88，变化范围与变化趋势保持一致，均在设计和规范要求的范围之内。
（2）在各个施工阶段的应力测试中，由于测试温度、混凝土收縮徐变及测试设备本身的测试精度等因素，致使施工过程中的实测数值略小于理论计算值，但此种模拟计算完全可以满足规范要求和工程需求。
（3）整体有限元法在对结构进行受力分析的时候可以快速准确的计算出结构的内力和变形，采用实体单元也可以计算出结构的应力。虽然整体有限元法建立模型工作量比较大，但该方法克服了常见简化理论计算中的理论假设和简化，能够比较准确的模拟出杆件之间的连接，构件的细部构造等结构细节，有助于我们准确的模拟出桥梁的力学行为特征，使之更好地指导于工程实践。
图4 下弦杆25m截面处应力随施工阶段变化情况
图5 下弦杆35m截面处应力随施工阶段变化情况
（4）通过理论与工程实践相结合的方法对桥梁主梁行车道板在不同施工阶段中应力的变化规律进行了研究，为进一步研究钢——混凝土组合桁架梁的整体工作性能、可靠度、耐久性等方面的工作做了准备。
参考文献
［1］ 王伟..组合有限元法在钢桁梁桥计算中的应用研究.工程结构.2008.
［2］ 李德，蔺鹏臻.新型钢——混凝土组合桁架铁路桥梁的力学特征研究.兰州交通大学报.2011.
［3］ 罗世瑾，吕媛媛.有限元法在桥梁结构分析中的应用.市政技术.2005.
［4］ Ivan M. Viest.Composite construction design for buildings［J］,New York.ASCE.2007.
［文章编号］1006-7619（2011）02-13-077
［作者简介］ 王栋（1982.12-），男，兰州交通大学土木学院，在读硕士研究生。
【关键词】钢——混组合桁架；应力分析；有限元法
Stress Analysis of Steel-Concrete Composite Truss Bridge Concrete Combination of Driving Plate
Wang Dong,Wang Yi-fei
(1.Lanzhou Jiaotong University Lanzhou Gansu 730000；
2.Zhongyuan Oilfield Construction Group Company Puyang Henan 457001)
【Abstract】Steel-concrete composite truss girder bridge adopted a new steel a concrete composite truss structure, this structure truss by triangle and concrete tank type driving board composition, in china's first. And the traditional railway steel truss than its steel quantity is less, traffic noise and stiffness big advantages of small. In addition, the stress and construction of structure is reasonable. This paper introduces the basic composition and structure of the bridge type characteristic, expounds the type of the bridge main construction process, through the finite element model and the construction of the measured data analysis and study of the new type composite truss girder bridge construction process of the main girder vehicle plate stress characteristics, for the design and application of the form to provide the reference.
【Key words】Steel-concrete composite truss girder bridge;Driving Plate;Stress Analysis
1. 钢——混凝土组合桁架梁桥概况
钢——混凝土组合梁桥是一种新型桥梁结构形式，钢——混凝土组合梁是指采用联接件将钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等结构构件和钢筋混凝土行车道板结合在一起共同工作的一种复合式结构，这种结构能充分发挥不同材料的优点，具有重量轻跨越能力强的特点。
本文工程背景为80m简支钢——混凝土组合桁架梁桥，本段铁路位于半径为1200m的曲线上，左、右线中心与高速公路斜交角度分别为57度和55度。桥梁跨度为80米，梁长82米，结构为钢混凝土组合桁架结构。桁架形式为无竖杆的三角形，上下弦结构采用混凝土结构。上弦杆采用1.1m宽，1.2m高的钢筋混凝土矩形截面，下弦采用槽型截面，梁高1.5m，跨中设74mm的上拱度，梁体拱度采用二次抛物线。道床板厚度采用40～45cm的钢筋混凝土板，下弦顶宽9.4m，底宽为7.8m，上弦采用三根宽1.0 m、高0.8m的横撑连接。腹杆采用直径为650×550 mm的钢箱，钢箱材质为Q345qE。纵向为全预应力结构，横向为钢筋混凝土结构。
目前，此种桥型组合结构在国内尚属首次，80m跨径也为世界最大跨径。该类桥型可以充分发挥材料的力学性能，使用钢材量大幅度降低，能适应各种轨道结构；结构的刚度较钢桁梁明显增强，而且由于只有腹杆采用钢结构，使得后期养护维修的工作量和工程造价大大降低；并且与系杆拱桥相比，建筑高度可大大降低。本文首先阐述了此类型桥梁的有限元模型分析方法，通过理论分析和工程实践对主梁行车板的应力变化进行了研究。
2. 整体有限元模型法
2.1 有限元模型法简介。
采用有限元方法对桥梁进行全桥结构仿真分析的方法，在近些年得到了普遍的应用。该方法的实质是建立完整、统一的整座桥梁结构分析体系，准确模拟承载构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式和荷载作用等；在此基础上进行大规模的全桥结构效应分析计算，由此得到相对详尽、精确和可靠的分析结果。
采用有限元方法，对板桁结构的不同受力结构部分采用不同单元进行模拟，最大化的模拟结构的真实受力情况，从而建立起板桁桥的整体有限元模型来对结构进行受力分析。
2.2 全桥模型的建立。
此桥桥型为新型钢——混组合桁梁桥，与以往钢——混组合桁梁桥的主要区别是上弦为混凝土矩形截面，左右分置；下弦为混凝土整体槽型板。
本文采用国际大型桥梁设计软件MIDAS/Civil进行结构分析，根据80m简支钢——混凝土组合桁架桥梁的实际构造、尺寸和受力特点建立1：1的全桥有限元模型。全桥共划分130个节点，142个单元。上下弦杆、腹杆均采用梁单元，支座采用弹性连接进行模拟，全桥支座约束设置如图2～10所示，腹杆与上、下弦杆之间采用刚性连接，约束平动和转动方向的自由度。全桥有限元模型图如图3所示。
图1 桥梁全景图
图2 有限元模型
模型整体坐标系统为：整体x轴为桥梁长度方向，横向为y，竖向为z。
3. 施工过程中主梁理论和实测应力数据对比分析
3.1 施工阶段划分。
在进行有限元数值模拟时，根据施工方案和施工顺序定义了施工阶段，共划分为3个施工阶段和1个运营阶段，施工阶段划分见表1。
3.2 截面应力分析。
选取分析的控制截面和截面应力见表2和表3，表2为理论值，表 3为实测值。不同施工阶段部分截面应力理论值与实测值变化情况见图3～图5，由于对称性，取结构的一半进行数据处理和分析。
由表中各截面应力随施工阶段的变化图可得，随着施工阶段的变化，各截面应力值具有较好的规律性，符合预应力混凝土桥梁的要求。
4. 结论
通过对80m钢——混凝土组合桁架桥主梁分析，可得出以下主要结论：
（1）主梁行车板随着施工阶段的变化，各截面应力值具有较好的规律性，没有出现异常变化情况，符合设计和规范的要求。主梁行车道板应力理论值变化范围-8.32～0.27，施工中实测值变化范围-8.74～0.88，变化范围与变化趋势保持一致，均在设计和规范要求的范围之内。
（2）在各个施工阶段的应力测试中，由于测试温度、混凝土收縮徐变及测试设备本身的测试精度等因素，致使施工过程中的实测数值略小于理论计算值，但此种模拟计算完全可以满足规范要求和工程需求。
（3）整体有限元法在对结构进行受力分析的时候可以快速准确的计算出结构的内力和变形，采用实体单元也可以计算出结构的应力。虽然整体有限元法建立模型工作量比较大，但该方法克服了常见简化理论计算中的理论假设和简化，能够比较准确的模拟出杆件之间的连接，构件的细部构造等结构细节，有助于我们准确的模拟出桥梁的力学行为特征，使之更好地指导于工程实践。
图4 下弦杆25m截面处应力随施工阶段变化情况
图5 下弦杆35m截面处应力随施工阶段变化情况
（4）通过理论与工程实践相结合的方法对桥梁主梁行车道板在不同施工阶段中应力的变化规律进行了研究，为进一步研究钢——混凝土组合桁架梁的整体工作性能、可靠度、耐久性等方面的工作做了准备。
参考文献
［1］ 王伟..组合有限元法在钢桁梁桥计算中的应用研究.工程结构.2008.
［2］ 李德，蔺鹏臻.新型钢——混凝土组合桁架铁路桥梁的力学特征研究.兰州交通大学报.2011.
［3］ 罗世瑾，吕媛媛.有限元法在桥梁结构分析中的应用.市政技术.2005.
［4］ Ivan M. Viest.Composite construction design for buildings［J］,New York.ASCE.2007.
［文章编号］1006-7619（2011）02-13-077
［作者简介］ 王栋（1982.12-），男，兰州交通大学土木学院，在读硕士研究生。