90m钢桁架桥杆件失效影响...—以万安县二线船闸工程为例_朱亚伟.pdf

34 工程前沿 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究90 m 钢桁架桥杆件失效影响计算分析以万安县二线船闸工程为例朱亚伟中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350000摘要：下承式钢桁架桥具有自重轻、跨越能力强的优点，同时可在自动化工厂进行焊接组装，运到现场直接拼装，有效缩短了施工工期，非常适合有航道需求的河流。但也因为钢桁架桥由细长构件组成，因此对钢材抗疲劳的要求较高，一旦部分构件发生疲劳破坏，或者受到撞击失稳破坏，将对结构体产生较大的不利影响。文章以江西省吉安市万安县二线船闸工程为研究背景，利用 Midas Civil 软件建立空间模型对发生杆件失效的钢桁架桥梁进行模拟分析，研究发生杆件失效后钢桁架桥下弦杆应力应变状态，研究成果可为桁架桥后续运营阶段维修提供依据和参考。关键词：下承式钢桁架桥；杆件破坏；应力应变；结构分析Abstract:The through steel truss bridge has the advantages of light weight and strong spanning capacity.At the same time,it can be welded and assembled in the automated factory and transported to the site for direct assembly,which effectively shortens the construction period and is very suitable for rivers with waterway requirements.However,because the steel truss bridge is composed of slender components,the requirements for steel fatigue resistance are higher.Once some components are damaged by fatigue or impact instability,the structure will be greatly adversely affected.Taking the second-line ship lock project in Wanan County,Jian City,Jiangxi Province as the research background,this paper uses Midas Civil software to establish a space model to simulate and analyze the steel truss bridge with member failure,and studies the stress and strain state of the lower Calculation and Analysis of Member Failure Influence of 90 m Steel Truss Bridge Taking the Second-line Ship Lock Project in Wanan County as an ExampleZHU YaweiThe Fifth Construction Co.,Ltd.of CCCC Fourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Fuzhou 350000,Fujian,China011.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.02.作者简介：朱亚伟，男，本科，工程师，研究方向为水运工程施工。1 研究背景钢桁架桥表面长时间风吹日晒涂装容易老化破坏，加剧内部钢材的腐蚀速率，在荷载作用下产生不利的影响1-2。螺栓脱落也是钢桁架桥常见病害，主要原因包括本身质量缺陷问题，施工处置不当导致受力不均，以及在成桥运营阶段车辆循环荷载作用下，螺栓局部应力过大而断裂3。车辆失控撞击桥梁导致桥梁损坏的事故时有发生，下承式钢桁架桥结构形式独特，桥门架、斜杆、竖杆等杆件均距离行车道较近，一旦发生重型车辆撞击，就会导致杆件失稳破坏，甚至完全断裂失效，而下弦杆直接承受桥面板传递的荷载，下弦杆一旦发生失稳将引起严重的事故4-5。文章将对杆件进行最不利状况下的模拟分析，即在单个杆件失效破坏情况下，对直接承载桥面板的下弦杆应力应变进行分析，选取容易遭受撞击、车辆循环荷载作用，且应力幅值较大的桥门架、竖杆、斜杠进行研究。2 工程概况文章模拟江西省吉安市万安县二线船闸跨航道下chord member of the steel truss bridge after member failure.The research results can provide basis and reference for the maintenance of the truss bridge in the subsequent operation stage.Key Words:through steel truss bridge;member damage;stress and strain;structural analysis分类号：U441 工程前沿35工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月承式简支钢桁架桥。该钢桁架桥跨径为 90.0 m，该桥梁跨越河流为级通航河流，采用带竖杆的三角形腹杆体系6，选用 Q345Qd 型号钢材，节间长 9.0 m，主桁高度为 10.5 m。矢跨比为 1/8.57，两片主桁中心距为13.1 m，宽跨比为 1/6.87，桥面宽度为 12.0 m。主桁弦杆、端横梁与桥门架采用箱型截面，上下翼缘板钢板厚度为 16 24 mm，腹板钢板厚度为 16 20 mm。节点处钢材连接采用焊接方式，桥面板为预制混凝土板浇筑板间接缝组成的格构体系。此次研究对单跨 90.0 m的钢桁架结构进行建模分析2，采用 Midas Civil 软件建立空间有限元模型，钢桁梁采用梁单元模型，文章主要研究部分杆件失效对下弦杆的影响，故桥面板偏安全考虑，忽略刚度对桥梁影响，换算成荷载施加在纵梁与下弦杆上，全桥共计 264 个节点，496 个单元。90 m 钢桁架桥成桥状态计算模型如图 1 所示。图 1 90 m 钢桁架桥成桥状态模型3 钢桁架桥杆件失效影响计算3.1 计算参数文章根据公路桥涵设计通用规范（JTG D602015）6、公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）7中的有关条文规定，桥涵结构按照承载能力极限状态设计考虑，采用基本组合进行研究，具体设计参数如下：（1）主桥标准宽度：0.5 m（主桁弦杆）+0.3 m（检修道）+0.5 m（护栏）+11.0 m（车行道）+0.5 m（护栏）+0.3 m（检修道）+0.5 m（主桁弦杆）=13.6 m。（2）钢桁架结构：钢材型号为 Q345qD8；弹性模量 E=2.06105 MPa，泊松比为 0.31。（3）恒载：钢筋混凝土容重为 26 kN/m3；沥青混凝土容重为 24 kN/m3；钢材容重为 78.5 kN/m3。（4）活载：公路-I 级，汽车荷载按 2 车道计算，考虑偏载效应；冲击系数根据 公路桥涵设计通用规范（JTG D602015）6中的相关要求，经特征值分析计算输入。（5）温度作用：总体升温按 24 取值，整体降温按照-21 取值。3.2 工况分析步骤（1）钢桁架桥分节段焊接拼装；（2）激活钢桁架桥弦杆、纵梁等单元，铺桥面板；（3）施加施工二期恒载；（4）桥面系等附属设施施工，全桥竣工；（5）分别断开桥门架、斜杠、竖杆，进行应力应变计算分析。3.3 荷载组合荷载组合为恒载+活载+温度荷载+风荷载。3.4 成桥运营阶段下弦杆分析对状态完好成桥模型进行计算，经计算下弦杆上缘最大组合应力为 93.1 MPa，下缘最大组合应力为115.9 MPa，挠度为 122.4 mm，均满足公路桥涵设计通用规范（JTG D602015）6、公路钢结构桥梁设计规范（JTG D642015）7中的相关要求，如图 2、图 3 所示。图 2 下弦杆截面上缘基本组合应力（单位：MPa）图 3 下弦杆截面下缘基本组合应力（单位：MPa）36 工程前沿 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究此桥为轴对称结构，为提高计算效率，仅对钢桁架桥一半结构构件进行分析，即分别对桥门架，竖杆、，斜杆、，与下弦杆连接处进行断开单元处理，如图 4 所示，模拟杆件破坏失效对下弦杆的影响。计算数据如表 1 所示。下弦杆截面上缘基本组合应力如图 5 所示，由图 5可知，桥门架失效对下弦杆影响最大，下弦杆应力较断开前应力值约增大 5 倍，且上缘最大组合应力从拉应力变为压应力，应力值已超出钢材的屈服强度，且变形也增大 1 倍，说明下弦杆已经发生失稳破坏。同时，可以看出斜杆失效对下弦杆应力影响较大。越靠近支座处，斜杆破坏对下弦杆应力增长影响越大，基本符合桁架桥的受力特点，即失效斜杆对下弦杆应力应变影响排序为，其中、号杆失效时，下弦杆应力超过钢材强度设计值，桥梁主体存在较大的安全隐患。下弦杆最大挠度值如图 6 所示，下弦杆挠度值变化与下弦杆应力变化趋势基本一致。最大组合应力（MPa）失效构件93.1 MPa下弦杆上缘最大组合应力-600-400-2000200400600-800图 5 下弦杆截面上缘基本组合应力（单位：MPa）编号构件下弦杆上缘最大组合应力/MPa下弦杆下缘最大组合应力/MPa挠度变化/mm桥门架-591.3618.3279.5竖杆150.1165.2122.7斜杆366.1337.2171.7竖杆93.1116.0122.5斜杆302.6262.0160.9竖杆170.0175.1122.6斜杆190.4187.4149.6竖杆93.1116.7122.4斜杆133.3136.4134.2竖杆153.7183.0143.8表 1 下弦杆应力与挠度变化表注：表 1 中应力正值为拉应力，负值为压应力。图 4 失效杆件图 6 下弦杆最大挠度值失效构件桥门架竖杆竖杆竖杆竖杆竖杆斜杆斜杆斜杆斜杆122.1 mm300250200150100500挠度下弦杆最大挠度（mm）4 结论（1）江西省吉安市万安县二线船闸跨航道下 90 m下承式简支钢桁架桥门架失效，对桥梁下弦杆应力应变值影响最大，下弦杆已发生失稳破坏，严重时将导致桥面板脱落,发生严重事故。（2）斜杆失效相对于竖杆失效，对下弦杆应力应变值影响较大，越靠近支座处的斜杆失效对下弦杆应力影响越大，斜杆失效会导致下弦杆钢材应力超出钢材的强度设计值。（3）下承式钢桁架桥应做好防腐处理与日常维护工作，设计时应考虑到桁架桥防撞措施。对下承式钢桁架桥进行检测和维护时，发现有病害时需尽快修复处理，防止桥梁老化严重，发生严重安全事故。参考文献1 蒋义.下承式简支钢桁架桥设计计算分析J.福建交通科技,2020(6):101-104.2 章宏辉,杭京,沈建华,等.钢桁架桥典型病害调研及工程实例分析J.广东公路交通,2021(5):26-32.3 曹骏驹.120 m下承式简支钢桁架桥设计分析J.现代交通技术,2020,17(6):57-60.4 李晓璐.大跨度钢桁架桥抗震性能评价及摩擦摆支座隔震性能分析D.天津:天津大学,2016.5 赵延衡.桥梁钢结构细节设计M.成都:西南交通大学出版社,2011.6 中交公路规划设计院有限公司.公路桥涵设计通用规范:JTG D602015S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.7 中交公路规划设计院有限公司.公路钢结构桥梁设计规范:JTG D642015S.北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.8 崔健.钢桁架桥节点的优化设计及其有限元分析D.沈阳:沈阳建筑大学,2021.