部分填充混凝土钢管组合结构桥梁通过在部分钢管 (单管或钢管桁架弦杆) 或节点内填充混凝土进而改善桥梁结构受力性能, 是一种新型的桥梁结构形式^[1]。钢管内填混凝土可有效避免钢管局部屈曲, 降低杆件与节点局部应力集中, 提高桥梁结构的整体刚度与抗疲劳特性, 防止钢管锈蚀, 增强结构的耐久性, 且具有钢桥施工工业化的特点, 因此, 此类桥梁应用于桥梁建设中的优势比较突出, 具有良好的工程应用前景^[2,3]。

国内外学者与工程技术人员对部分填充混凝土钢管结构桥梁已开展了一些研究工作^[4,5,6,7,8]。然而对于部分填充混凝土矩形钢管组合桁架连续刚构桥力学性能的研究还较少, 因此开展部分填充混凝土矩形钢管组合桁架连续刚构桥静动力性能的分析与研究具有重要的理论与工程实际意义。

以一座部分填充混凝土矩形钢管组合桁架连续刚构桥———某车行天桥为工程实例, 利用大型通用有限元软件ANSYS建立其三维有限元模型, 计算了恒载作用下桥梁主桁挠度、弦杆与腹杆轴力、部分下弦杆应力等静力响应与桥梁自振振型、频率等动力特性, 对比分析了填充混凝土对其静动力性能的影响, 为此类桥梁的分析与设计提供依据。

某车行天桥位于黄延高速K15+644.312里程处, 其上跨黄延高速主线, 起止桩号为K0+25.194—K0+122.154, 桥梁全长96.96m。桥梁主体结构为部分填充混凝土矩形钢管组合桁架连续刚构桥, 跨径布置为24m+40m+24m。桥面宽度5.5m, 横向布置为0.5m (护栏) +4.5m (行车道) +0.5m (护栏) , 设置双向2%桥面横坡。

大桥桥跨立面布置为三角形腹杆桁架体系, 桁高2.5m, 桁高与跨径之比为1/16, 节间长度4m, 共22节间。主桁弦杆截面形式为空间矩形, 上弦杆采用闭口形式PBL开孔预埋钢板, 下弦杆中支点附近13m节段、边支点附近2.5m节段采用□300×300×12的PBL加劲型矩形钢管混凝土, 其余下弦杆采用□300×300×12的带肋空钢管;腹杆为空钢管杆件, 截面尺寸为200mm (8mm厚) ×300mm (12mm厚) , 上平联采用倒“T”形PBL开孔预埋钢板, 下平联采用H200×200×8 (12) , 横联采用□200×150×12空钢管。混凝土桥面板通过上弦PBL开孔钢板连接件与主桁连接, 桥面板按裂缝控制设计, 板内布置6束抗裂预应力钢束, 桥面板采用C40微膨胀混凝土。主桥立面布置如图1所示, 桥跨主要杆件截面如图2所示。

大桥主墩采用双肢“Y”形PBL加劲型钢管混凝土桥墩, 墩梁刚性连接。桥墩钢管截面尺寸为□400×300×16, 双肢桥墩顺桥向之间设置3道1m高连板, 内部灌注混凝土;横桥向之间设置3道横撑, 横撑杆件为截面尺寸□600×300×16的带肋钢管。

两侧桥台采用桩接盖梁轻型桥台, 桥台背墙厚0.4m, 耳墙长4.4m, 厚0.5m;盖梁横桥向长5.5m, 顺桥向长1.8m, 高1.5m。桥墩承台为八边形, 其横桥向长5.7m, 顺桥向长7.85m, 高2m。基础均采用钻孔灌注桩, 桥台处采用21.2m的桩, 桩长25m;桥墩处采用41.3m的桩, 桩长23m。车行天桥中墩支点处剖面如图3所示。

大型通用有限元软件ANSYS不仅拥有丰富的单元类型与材料模型库, 而且提供了数种求解器 (广泛的模拟求解技术) , 能够对结构、热、流体与电磁等各类工程场问题进行精确仿真分析, 已被广泛地应用于土木工程领域各类问题的求解计算中^[9]。

主桁弦杆、腹杆、横联与平联均采用Beam188空间梁单元模拟, 桥墩各杆件采用Beam188空间梁单元模拟, 桥面板采用Shell181空间板单元模拟。主梁桁架结构、钢管混凝土桥墩所用板材均为Q345D钢材, 主桁下弦杆、双肢桥墩连接处以及桥墩内灌填混凝土为C50微膨胀型混凝土, 桥面板采用C40微膨胀型混凝土, 全桥材料属性参数如表1所示。

由2种或多种材料组成的组合 (复合) 截面, ANSYS中可以采用用户自定义截面方式创建。在ANSYS中创建好组合截面后, 分别将钢材与混凝土2种材料定义不同材料编号;利用Mesh200 (不求解单元) 划分截面网格, 并用Secwrite命令生成截面文件;用Sectype与Secread命令读入截面文件, 且要使创建截面时的材料编号与使用截面时真实的材料编号相一致。PBL加劲下弦杆复合截面如图4所示。

有限元模型中未建立两侧桥台, 仅通过作用于两侧桥台位置主桁下弦杆节点处相应位移约束予以实现;桥墩墩底为固端约束, 桥面板与上弦杆通过共用节点进行连接, 有限元模型边界条件如表2所示, 其中x方向为顺桥向 (纵桥向) , y方向为竖桥向, z方向为横桥向。

全桥三维有限元模型如图5所示, 共包含1 256个结点, 328个梁单元, 704个板单元。

以该车行天桥为实例, 采用ANSYS软件分别建立了弦杆未填充混凝土与部分弦杆填充混凝土2类组合桁架连续刚构桥三维有限元模型, 计算了自重作用下桥梁的挠度、上下弦杆轴力与应力、腹杆轴力等静力响应, 对比分析了部分填充混凝土对组合桁架连续刚构桥静力特性的影响。

图6为自重作用下2类桥梁主桁挠度分布对比。从图6可以看出, 部分填充混凝土与未填充混凝土的组合桁架连续刚构桥的挠度变化规律基本相同, 中跨跨中位移最大;部分填充混凝土能有效减少中跨跨中位移 (中跨跨中位移较填充混凝土之前减少1.75mm) , 但对边跨跨中位移影响较小, 表明部分填充混凝土能增大组合连续刚构桥的竖向抗弯刚度, 提高桥梁的承载力。

分别计算了填充混凝土前后桥梁结构在自重作用下的静力响应, 由于篇幅所限, 仅列出上、下弦杆的相关计算结果, 如图7所示。利用桥梁结构的对称性, 仅取左侧半桥进行分析。

从图7可以看出, 由于下弦杆填充混凝土增大了桥梁结构自重, 填充混凝土区域上、下弦杆轴力整体呈现增大趋势;边跨受压下弦杆轴力增加, 且越靠近填充区增加越多;中跨跨中附近由于填充混凝土后桥梁整体刚度增加, 正弯矩有所降低, 故受拉下弦杆与受压上弦杆轴力均有所降低。

表3列出了填充混凝土前后上下弦杆的应力变化, 利用对称性仅列出左半幅桥弦杆应力, 上弦杆编号从左侧桥台起依次往右, 分别为上弦杆1~上弦杆11;下弦杆编号从左侧桥台起依次往右, 分别为下弦杆1~下弦杆11。

从表3可以看出, 填充混凝土后, 由于下弦杆有效面积的增大, 5, 6, 7号下弦杆应力明显降低, 最大降幅达到31.24%;上弦杆应力均有增加, 但其绝对应力增量并不大。因此, 填充混凝土对填充段下弦杆受力较为有利, 能明显降低填充段下弦杆的应力, 提高下弦杆承载力。

为了研究填充混凝土对连续刚构桥动力性能的影响, 利用ANSYS软件模态分析功能, 采用子空间迭代法对弦杆未填充混凝土与部分弦杆填充混凝土2类组合桁架连续刚构桥的动力特性进行计算, 2类桥梁前10阶频率与振型如表4所示, 部分弦杆填充混凝土组合桁架连续刚构桥前6阶自振振型如图8所示。

从表4可以发现, 桥梁振动第3, 6, 8阶振型为竖向弯曲振动, 其余各阶振型为纵桥向、横桥向弯曲振动、局部侧扭振动与桥墩弯曲振动。填充混凝土后桥梁第3, 6, 8阶 (竖向振动) 自振频率均增大, 最大频率相对增加量为3.144%, 主要是由于填充混凝土后引起桥梁结构的整体竖向抗弯刚度增加 (桥梁自重增加效应较竖向抗弯刚度增加效应小) 所致;而第1, 2, 4, 10阶频率均略有降低, 这主要是由于填充混凝土引起桥梁纵桥向与横桥向的刚度增加效应小于自重增加效应所致;部分填充混凝土对连续刚构桥振型 (模态) 影响较小, 2类桥各阶振型 (模态) 相同;组合桁架连续刚构桥前3阶模态分别为纵桥向水平振动、横桥向对称弯曲振动与竖桥向对称弯曲振动, 表明此桥的纵向刚度与横向刚度相对较小。

1) 部分填充混凝土可以提高组合桁架连续刚构桥的竖向整体抗弯刚度, 明显降低中跨跨中竖向位移 (挠度) 。

2) 部分填充混凝土可以使填充区下弦杆的应力大幅降低, 对其余弦杆影响较小。

3) 部分填充混凝土会增大组合桁架连续刚构桥的整体竖向抗弯刚度与结构自重, 当刚度增加效应超过自重增加效应时, 会提高桥梁结构的自振频率。

4) 部分填充混凝土对组合桁架连续刚构桥振型 (模态) 影响较小, 2类桥各阶振型 (模态) 相同。