跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究_傅晨曦.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 江苏省交通运输科技项目（）作者简介 傅晨曦（），男，江苏江阴人，高级工程师，硕士，主要从事钢结构桥梁、预制装配式桥梁设计研发工作。引文格式 傅晨曦，周 青，韩大章，等 跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究 公路工程，（）：，（）：，跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究傅晨曦，周 青，韩大章，熊 文，宋晓东（.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京；.东南大学 交通学院桥梁工程系，江苏 南京）摘 要 对于简支钢桁梁桥，主桁受力变形会引起桥面系的变形，进而使横梁产生面外弯矩，影响整体受力性能；同时横梁面内也承受较大的弯矩，使得横梁与主桁连接部位应力较大。为改善横梁面外受力与面内受力情况，提高主桁节点与横梁连接性能，首先建立整体模型并通过参数分析研究采用不同施工方法对横梁面外弯矩的影响；然后，基于局部模型分析了横梁与主桁连接部位的受力情况，并对比了不同构造措施对此连接区域受力的改善程度。研究表明：采用纵梁滞后安装、设置长圆孔等措施可以一定程度上降低恒载作用下纵梁与主桁纵向变形不一致导致的横梁面外弯矩，但是考虑活载效应后，各种措施降低效果有所减少；对于传统的横梁与主桁连接形式，由于横梁面内弯矩较大，腹板与主桁连接角钢会出现较大的应力，采用纵梁滞后安装、设置长圆孔等施工措施不能有效降低此应力，故成为结构的薄弱环节；在横梁上翼缘与主桁连接位置采用角钢连接的加强构造形式可以有效提高节点刚度，降低主桁与横梁连接部位的应力水平；采用整体节点的构造形式则可以有效避开横梁与主桁连接的受力薄弱位置，新的连接位置距离主桁一定距离，从而大幅度降低了连接位置的应力水平。关键词 桥梁工程；简支钢桁梁；连接构造；面外弯矩；面内弯矩中图分类号.文献标志码 文章编号 （），（.，.，；.，），；，.，；，第 期傅晨曦，等：跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究 .，；，.，；，；引言钢桁梁桥，由于建筑高度较其它桥型低，总规模较小，桥梁安全性和耐久性好，施工工艺简单，具有较好的承受重载交通能力，在交通流量较大的较高等级公路上比较具有竞争力。对于纵横梁桥面系，桥面系与主桁的纵向变形存在滞后效应，不能完全协调，主桁下弦杆纵向伸缩或者桥面系纵向伸缩，均会使横梁发生面外弯曲，产生较大的面外弯矩，即为共同作用。此外，对于传统的横梁与主桁连接形式，横梁面内也存在较大的弯矩，横梁与主桁连接部位应力水平较高，使得其容易成为结构的薄弱位置。针对钢桁梁的面外受力与面内受力情况，国内外学者进行了相应的受力分析并提出了一些措施加以改善。张兴志等对某简支钢桁梁进行有限元建模分析，比选了减小桥面系与主桁共同作用的不同方案，发现纵梁预先缩短后安装可以完全抵消共同作用效应。郑纪研等从控制“第一体系”作用的角度出发，对宽幅大跨钢桁梁的受力状态进行了研究，指出可采用密布横梁桥面系来改善传统纵横梁体系面外弯矩过大的问题。程高等基于势能驻值原理建立了上弦杆的稳定平衡方程，推导出上弦杆面外屈曲荷载的解析表达式，提出了上弦杆面外屈曲荷载的简化计算公式。张晔芝等从结合桥面系变形协调出发，提出了出横梁面外弯曲问题的计算公式，并结合算例分析各种因素对横梁面外弯曲问题的影响。童登国等利用有限元分析，对连续钢桁梁节点铰接、节点刚接与考虑梁端刚域的情况进行了定量比较，发现节点刚性对位移和杆件轴力的计算影响不大，但对应力计算影响明显，并建议在设计中尽可能采用紧凑型节点设计。任伟平等对横梁与整体节点连接细节进行了足尺模型疲劳试验，发现整体节点连接在寿命期间内不会发生疲劳开裂。乔晋飞等对整体节点的疲劳性能进行研究，提出一系列措施进一步改善节点的受力性能。门进杰等系统探讨了基于半刚性连接的 组合结构柱面钢板厚度、钢梁高度、翼缘宽厚比、柱混凝土强度和楼板厚度等构造措施参数对半刚性连接在循环荷载下抗弯承载力，以及初始转动刚度的影响。刘国龙对加劲悬索钢带与主桁连接处与钢带顶点与吊杆连接处节点进行了有限元分析，根据其受力形式和荷载传递路径选取合理的构造形式改善受力情况。虽然国内外学者对于钢桁梁的横梁节点连接问题进行了大量的研究，但是往往仅关注其面内或面外的受力特性，且缺乏各种措施对于主桁与横梁连接部位受力改善效果的系统研究。本文基于有限元仿真分析，研究了不同施工措施对某跨航道简支钢桁梁桥横梁面外弯矩的影响；并建立了横梁与主桁连接部位的局部模型，对比了不同构造措施对其受力的改善程度。公路工程 卷 工程背景本研究选取某跨航道简支钢桁梁桥为工程背景，该桥跨越级通航河流，采用.下承式简支钢桁梁一跨过河，每幅钢桁梁设 条车道和 条人行道，主桥总体布置图与横断面图如图 和图 所示，采用纵横梁 混凝土桥面板体系。7 300 14=102 200图 总体布置图（单位：）（：）.20090030025830501902 8201301 3453030206 19587.587.51 285300258301 345206 19587 587.51 285503030301 100图 桥梁横断面图（单位：）（：）横梁面外受力改善措施分析采用 建立全桥有限元模型，针对纵梁与主桁的纵向变形不一致而导致的横梁面外弯矩问题，采取纵梁滞后安装、跨中设置长圆孔来改善其受力性能。.纵梁滞后安装通过施工时纵梁滞后安装的措施来释放纵向变形，改善桥面系受力状态，见图。图 纵梁滞后安装方案 .设置长圆孔为了减小纵梁纵向伸缩移动对横梁的作用，可考虑在小纵梁与横梁连接处采用长圆孔变形性螺栓。长圆孔螺栓既可以有效地限制纵梁梁端的横向和竖向位移，又保证纵梁梁端可以沿着纵向伸缩移动，使由于纵向变形受限制而产生的横梁面外弯矩减小，从而改善桥面系受力，见图、图。图 长圆孔示意图（单位：）（：）图 长圆孔设置 各种措施下的横梁最大面外弯矩见表。由表 可知，各种措施能一定程度降低恒载作用下的横梁面外弯矩值，其中长圆孔效果最佳，而考虑活载效应后，各种措施降低效果进一步降低。表 不同措施下端横梁最大横向弯矩 类别面外弯矩（）减小百分比 原方案.恒载纵梁滞后安装.设置长圆孔.恒载 活载纵梁滞后安装.设置长圆孔.节点连接分析横梁面内弯矩会导致横梁与主桁连接部位应力水平过高，其与主桁连接受力较为复杂，需要对节点受力进行分析。.节点约束模拟若采用梁单元对局部模型进行模拟，则需精确模拟节点的约束情况。对于简支钢桁梁桥，横梁腹板通第 期傅晨曦，等：跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究 过两个角钢与主桁竖杆连接，横梁下翼缘通过节点板和主桁下弦杆连接，而横梁上翼缘板并没有和主桁架竖杆直接相连接。这种处于铰接和刚接之间的半刚性连接，节点板的受力性能可用初始刚度来描述。国内外研究表明，对于带双腹板的顶底角钢半刚性梁柱连接模型，顶底角钢连接破坏时绕底角钢的一个临界点转动，而顶角钢则为梁端弯矩提供抗力，以顶角钢出现塑性破坏为极限状态。考虑顶角钢肢的剪切变形，与梁翼缘力 相应的顶角钢底面的水平位移可表示为：|.|（）（）式中：为与柱翼缘相连接顶角钢肢的抗弯刚度；为螺帽直径；为顶角钢厚度；为顶角钢底面至与柱面相连接肢上的铆钉或螺栓孔中心之间距离。根据变形协调和平衡条件，水平位移与转角之间的关系，以及连接弯矩 与作用于顶角钢的力 之间的关系分别为：（）（）（）式中：为顶底角钢肢中心点之间的距离；为顶角钢厚度；为底角钢厚度；为梁截面总高度。从以上公式中消去 和，可以得出初始连接刚度：(.)（）式中：为与柱翼缘相连接顶角钢肢的抗弯刚度。为了验证该公式的适用性，按实际模型尺寸进行局部建模，采用 实体单元 模拟，泊松比取.，弹性模量为.，并按照实际位置建立螺栓孔和螺栓固定纵梁延伸断面和斜撑延伸断面，在局部模型中各杆件的断面中心建立一个节点，与断面上所有的节点耦合，用于施加模型的边界条件（见图、图）。为了模拟局部支座的支撑，在节点板下部建立厚度为 的支座。不同板件之间接触面通过设置 和 接触单元来模拟相互之间的接触关系。在横梁断面上施加 的初始面内弯矩，利用其结果进行验证。为变形后的位移云图如图、图 所示。图 局部模型 图 边界条件模型 图 实体模型面内变形云图 图 实体模型离面位移云图 公路工程 卷由于理论公式中不考虑柱的变形，而实际节点计算中节点板的变形较大，为了消除节点板弯曲变形对转角的影响，提取出节点板上横梁的对应位置处的离面位移计算出其变形。为了分析弹性模量对结果模拟的影响，同时计算了.、.和.情况下的结果，见表。表 理论公式与有限元模型面内刚度对比 弹性模量 理论公式（）有限元计算结果（）相对误差.从表 可以看出，理论公式结果小于有限元软 件计算结果，这是因为该计算公式仅考虑腹板角钢的变形，认为被连接的节点板截面刚度无限大。而当节点板截面相对较弱时，节点板的实际变形较大，不能忽略节点板这一构件。.节点连接局部有限元模型从上一节的分析结果得知，由于节点板的实际变形较大，采用理论公式算的刚度与实际结果相差较大，所以采用建立有限元实体模型对节点连接的局部模型进行模拟分析可获得更为精确的结果。局部模型的边界条件根据 整体模型的最不利荷载组合施加。.原桥模型根据局部模型计算，可以得到各个板件、螺栓、角钢的 应力云图，见图。（）主桁节点板（）横梁（）下翼缘连接板和螺栓（）横梁腹板连接角钢图 局部模型 应力云图（单位：）（：）第 期傅晨曦，等：跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究 由图 可知，主桁节点板和加劲板的应力水平基本在 以下，最大应力值出现在螺栓孔位置。横梁的上翼缘与腹板交界位置、下翼缘变截面位置有较大的应力，其余位置应力水平不高，下翼缘连接板和连接螺栓的应力值都未超标；横梁腹板的连接角钢应力较高，尤其在靠近上翼缘的位置，有较大的范围超过了屈服强度。.纵梁滞后安装图 给出了两个节间纵梁滞后安装工况各个板件、螺栓、角钢的 应力云图。主桁节点板和加劲板的应力水平基本在 以下；横梁的上翼缘与腹板交界位置、下翼缘变截面位置有较大的应力，连接螺栓的应力值都未超标；但是在横梁腹板的连接角钢在靠近上翼缘的位置，应力超过了其屈服强度。（）主桁节点板（）横梁（）下翼缘连接板和螺栓（）横梁腹板连接角钢图 局部模型 应力云图（纵梁滞后安装）（单位：）（）（：）.设置长圆孔图 给出了设置长圆孔工况各个板件、螺栓、角钢的 应力云图。由图 可知，横梁腹板的连接角钢在靠近上翼缘的位置，有较大的范围超过了屈服强度。由上述分析结果可知，横梁腹板的连接角钢应力水平较高，即使通过纵梁滞后安装、设置长圆孔等措施也不能降低，这是因为横梁面内弯矩较大（），引起的面内弯曲应力较高，由整体模型可知，面内弯矩引起的横梁最大应力为，而 面 外 弯 矩 引 起 的 最 大 应 力 为.，远小于面内弯矩的受力水平。公路工程 卷（）主桁节点板（）横梁（）下翼缘连接板和螺栓（）横梁腹板连接角钢图 局部模型 应力云图（全桥长圆孔）（单位：）（）（：）横梁面内受力情况改善措施分析由第 节可知，原桥横梁腹板的连接角钢应力水平较高，可以通过在横梁上翼缘设置加强角钢与主桁节点板连接以增强整体刚度，改善连接位置的受力性能，见图。.横梁上翼缘加角钢图 给出了横梁上翼缘设置角钢后各个板件、螺栓、角钢的 应力云图。由图 可知，主桁节点板和加劲板的应力水平与原模型相比变化不大；横梁的应力水平有所降低，上翼缘与腹板交界位置、下翼缘变截面位置不图 横梁上翼缘加强角钢 再有较大的应力，下翼缘连接板和上翼缘连接板的应力基本小于 ；此外，横梁腹板的连接角第 期傅晨曦，等：跨航道简支钢桁梁桥主桁节点与横梁连接性能研究 （）主桁节点板（）横梁（）下翼缘连接板和螺栓（）横梁腹板连接角钢图 局部模型 应力云图（横梁上翼缘加角钢）（单位：）（）（：）钢应力明显降低，在靠近上翼缘的位置不再有超过屈服强度的应力存在。.整体节点在横梁翼缘加角钢可以有效地降低横梁与主桁连接部位的应力水平，但是角钢的应力仍较大，为进一步改善此种情况，可直接采用整体节点。对于整体节点，其在工厂制作时将一小段横梁与节点板直接加工在一起，形成一个大的节点，然后在现场与横梁连接，其中腹板和底板采用螺栓连接，顶板采用焊接，从而避开节点板与主桁节点板连接处的受力薄弱性，改善连接位置的受力性能。为了对比横梁与主桁连接方式改变对结构的受力影响，在本文中仅仅改变该位置的结构，弦杆等未按照真实的整体节点方式考虑。图 为采用整体节点方式后的局部模型 应力云图。由图 可知，横梁与主桁连接位置的应力水平大幅度降低，不再成为控制位置，应力基本小于 ；整体节点与横梁连接位置的角钢应力基本在 内；螺栓的应力值都未超标。为了更好地对比各种方案下的结构应力，表 给出了横梁与主桁连接角钢、横梁上翼缘处的应力 公路工程 卷水平对比。由表 可知，采用跨中长圆孔、纵梁滞后安装等方案未能够有效降低结构薄弱位置的应力水平；采用上翼缘加角钢的形式则能有效改善连接部位的受力，降低应力水平；采用整体节点板的形式则能避开原结构的受力薄弱位置，大幅度降低结构连接位置的应力水平。（）整体（）腹板和连接角钢（）腹板连接角钢和螺栓图 局部模型 应力云图（整体节点板）（单位：）（）（：）表 各方案下结构应力 方案角钢 横梁上翼缘 原桥两个节间滞后安装全桥长圆孔上翼缘加角钢整体焊接节点板 结论.采用纵梁滞后安装、跨中设置长圆孔等措施可以一定程度上降低纵梁与主桁的纵向变形不一致导致的横梁面外弯矩，但是无法改善端横梁与主桁连接部位的面内受力情况。.对于传统的横梁与主桁连接形式，腹板与主桁连接角钢会出现较大的应力，成为结构薄弱环节，需要加强该位置的连接。.横梁上翼缘与主桁采用角钢连接的形式可以有效降低主桁与横梁连接部位的应力水平，采用整体节点的构造形式则可以避开这个位置的薄弱环节，并大幅度降低连接位置的应力。参考文献 ，（），（）：卫星，李俊，姜苏，等 铁路正交异性桥面上承钢桁梁典型病害分析及加固方法研究 重庆交通大学学报（自然科学版），（）：，（下转第 页）第 期胡可宁，等：悬索桥索夹螺杆轴力超声检测系统的研制 定，表 为螺杆轴力的超声测量数据与压力环监测数据对比，相对偏差约为 。本文超声检测系统在伍家岗长江大桥施工建设期间进行了测试应用，检测效率较好，每分钟可以完成 根的螺杆测量，成桥前的螺杆轴力检测结果满足设计要求。表 超声测量与压力环数据随机抽样对比 序号传感器编号压力环监测值 超声测量值 相差监测.监测.监测.监测.监测.监测.结论本文基于悬索桥索夹螺杆的轴力超声检测原理，研制了螺杆轴力的超声检测系统，系统采用压电超声探头，并设计了数字带通滤波器降低信号噪声。在实验室与工程现场对螺纹规格、长度为 的 索夹螺杆进行了试验测试与结果分析，得到以下结论：对于试验螺杆，本超声检测系统测量螺杆轴力的试验误差不超过.，工程测量误差不超过.；本超声检测系统检测效率高，能够快速地在悬索桥索夹螺杆轴力的检测工程中快速推广应用。参考文献 林阳子，孙向东，陆学村 桥梁索体系病害分析及特殊检测维修技术 广东土木与建筑，（）：唐亮，王熠，崔冰，等 悬索桥索夹螺杆应力无损检测研究公路，（）：伊建军，彭旭民，王波，等 悬索桥索夹螺杆轴力超声检测技术 桥梁建设，（）：张鹏飞 悬索桥索夹螺杆预紧力下降原因分析与预防性养护对策 公路，（）：曹昌玉 悬索桥索夹螺杆拉力检测及索夹补偿紧固施工技术探讨 交通世界，（）：，公路桥涵养护规范 ，公路桥梁技术状况评定标准 杨晓辉，伍川，庞景轩，等 螺栓拧紧扭矩对其扭矩系数的影响 中国工程机械学报，（）：丁旭，巴洪，武新军 用于螺栓轴力测量的电磁超声声时测量方法 仪器仪表学报，（）：丁旭，武新军 在役螺栓轴力电磁超声测量系统的研制无损检测，（）：，李栋，朱晓磊，陆晓峰 超声纵横波螺栓载荷在线检测方法研究 中国测试，（）：甘文成，王雪梅，倪文波，等 基于 和 的超声波螺栓应力测量系统设计 仪表技术与传感器，（）：刘家斌，王雪梅，倪文波 螺栓轴向应力 超声波渡越时间自动标定系统研究 中国测试，（）：徐春广，李焕新，王俊峰，等 残余应力的超声横纵波检测方法 声学学报，（）：潘勤学，邵唱，肖定国，等 基于形状因子的螺栓紧固力超声检测方法研究 兵工学报，（）：孙朝阳，王增勇，李建文，等 声弹效应测量螺栓轴向应力的有限元计算分析 振动与冲击，（）：陈明，伊建军，钟继卫，等 悬索桥索夹螺杆张拉施工控制技术研究与应用 世界桥梁，（）：杨晓燕，伊建军，荆国强，等 悬索桥索夹螺杆分组张拉工艺研究 世界桥梁，（）：（上接第 页）陈学民 钢桁梁活动纵梁病害分析及整治措施 铁道技术监督，（）：，：张晔芝，张敏 高速铁路纵横梁体系结合桥面横梁面外弯曲问题的研究 铁道学报，（）：卫星，李俊，强士中 钢桁梁整体节点典型构造细节的抗疲劳性能分析 公路交通科技，（）：姜言泉 我国公路桁架桥的发展状况 山东交通科技，（）：张兴志，朴泷，孙英杰 减小桥面系与主桁共同作用效应的技术措施方案比选 世界桥梁，（）：郑纪研，单法伟，华新，等 宽幅大跨钢桁梁主桁与桥面系共同作用解决方案研究 上海公路，（）：程高，张之恒，姬子田，等 半穿式钢桁梁桥上弦杆面外稳定性研究 公路工程，（）：，张晔芝，张敏 高速铁路纵横梁体系结合桥面横梁面外弯曲问题的研究 铁道学报，（）：童登国，艾宗良 连续钢桁梁桥节点刚度对结构受力的影响研究 铁道建筑，（）：任伟平，李小珍，李俊，等 大跨度钢桁梁主桁节点与横梁连接试验研究 钢结构，（）：乔晋飞，李凤芹 钢桁结合梁整体节点及细节构造设计与研究 铁道工程学报，（）：，门进杰，王家琛，樊冠磊，等 梁柱节点半刚性连接弯矩 转角关系模型研究 土木工程学报，（）：刘国龙 板桁组合结构钢桥关键节点受力特性分析研究 重庆：重庆交通大学，