CN105970824B - 一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法 - Google Patents

Abstract

一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，首先建立主桁钢梁节段的计算模型并提取预加力的参数，主桁钢梁节段包括第一组件和第二组件，第一组件包括下层桥面系和设于下层桥面系两侧的主桁，主桁包括设于下层桥面系两侧的腹杆，第二组件包括上层桥面系，预加力施加在主桁顶部；制造并组装第一组件；在下层桥面系两侧的主桁上施加预加力；根据施加预加力后两主桁顶部之间距离制造第二组件，并将第二组件安装在两主桁之间；释放预加力。本发明具有节省钢材用量，提高桥梁的经济性和安全性，并有利于超宽桁架桥的设计的特点。

Description

一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法

技术领域

本发明涉及钢桁架桥建造领域，具体涉及一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法。

背景技术

桁架桥是以桁架作为主要承重构件的桥梁，桁架的优点是杆件主要承受拉力或压力，可以充分发挥材料的作用，节约材料，减轻结构重量。对于超宽的钢桁架桥，钢桁架桥桥面系的自重荷载以及后续恒荷载均由桥面横梁传递给桁架主桁，由于超宽桁架桥横梁的跨度很大，在横梁与主桁连接的端部将产生很大的面外弯矩，此面外弯矩主要由主桁的腹杆承受，导致腹杆的绝大部分应力由面外弯矩产生。目前解决这一问题的办法就是加强腹杆截面，提高腹杆面外刚度，但由于腹杆面外刚度增加，所承受的面外弯矩也相应增加，同时也极大地增加了钢桁架桥的钢材用量。常规钢桁架桥主桁杆件基本上只承担轴向力，对于承受很大的面外弯矩的超宽桁架桥腹杆，若按此方法进行设计和制造，桁架桥的经济性优势将无法体现。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，在超宽桁架桥主桁钢梁节段制造过程中，通过对主桁上端施加预加力来削减腹杆在桥梁使用中受到的面外弯矩，从而改善腹杆受力，节省钢材用量，提高桥梁的经济性和安全性，并有利于超宽桁架桥的设计。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，包括以下步骤：

S1.建立主桁钢梁节段的计算模型并提取预加力P的参数，所述主桁钢梁节段包括第一组件和第二组件，所述第一组件包括下层桥面系和设于所述下层桥面系两侧的主桁，所述主桁包括设于所述下层桥面系两侧的腹杆，所述第二组件包括上层桥面系，所述预加力P施加在所述主桁顶部；

S2.制造并组装第一组件；

S3.在下层桥面系两侧的主桁上施加预加力P；

S4.根据施加预加力P后两主桁顶部之间距离制造第二组件，并将所述第二组件安装在两所述主桁之间；

S5.释放预加力P。

在上述技术方案的基础上，步骤S1具体包括：

步骤S1.1.输入所述主桁、下层桥面系和上层桥面系的设计尺寸、自重荷载和后续恒荷载参数，建立所述主桁钢梁节段的有限元模型；

步骤S1.2.对所述有限元模型进行分析计算，提取所述腹杆受到的自重荷载和后续恒荷载形成的第一面外弯矩参数；

步骤S1.3.提取所述预加力P参数，所述预加力P使所述腹杆受到第二面外弯矩，所述第二面外弯矩与所述第一面外弯矩大小相等，并且方向相反。

在上述技术方案的基础上，步骤S2具体包括：

步骤S2.1.施工下层桥面系支承，所述下层桥面系支承包括中段支承和位于所述中段支承两侧的侧支承；

步骤S2.2.在所述下层桥面系支承上施工所述下层桥面系，且使所述下层桥面系的两端分别位于两个所述侧支承上；

步骤S2.3.在所述下层桥面系两侧的上方施工主桁侧向支承，以所述主桁侧向支承为支撑，在所述下层桥面系两侧施工主桁，所述主桁包括与所述下层桥面系相连的下弦杆，所述腹杆位于所述下弦杆上，且所述腹杆上部还设有上弦杆和接头；

步骤S2.4.拆除所述主桁侧向支承和所述中段支承。

在上述技术方案的基础上，步骤S3具体包括：

步骤S3.1.在两个所述主桁顶部施加所述预加力P；

步骤S3.2.测量两个所述主桁顶部的面外水平位移量△1。

在上述技术方案的基础上，所述预加力P包括水平预加力P1和竖向预加力P2。

在上述技术方案的基础上，所述水平预加力P1施加在所述腹杆的上端，所述竖向预加力P2施加在所述接头的末端。

在上述技术方案的基础上，步骤S4具体包括：

步骤S4.1.根据两个所述主桁顶部的面外水平位移量△1计算出两个所述主桁顶部之间的距离；

步骤S4.2.并根据两个所述主桁顶部之间的距离制造所述上层桥面系；

步骤S4.3.在两个所述上弦杆之间设置上层桥面系支承，并在所述上层桥面系支承上组装所述上层桥面系，所述上层桥面系两端与所述接头连接。

在上述技术方案的基础上，步骤S4.1中，确定两个所述主桁顶部之间的距离依据公式：两个所述主桁顶部之间的距离＝所述上层桥面系的设计宽度W-2*△1，所述上层桥面系的设计宽度W为步骤S1.1中所述上层桥面系的设计尺寸。

在上述技术方案的基础上，步骤S5还包括拆除所述上层桥面系支承。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过在超宽桁架桥主桁钢梁节段制造过程中对主桁上端施加预加力的方法来削减腹杆在桥梁使用过程中受到的面外弯矩，从而改善腹杆受力，节省钢材用量，提高桥梁的经济性和安全性。

2、由于腹杆受到的面外弯矩以及由此引起的内应力极大地降低了，因此在超宽桁架桥设计过程中，腹杆截面型式可以大幅优化，横梁与主桁腹杆连接构造可以得到简化，有利于超宽桁架桥的设计。

3、由于在桥梁使用过程中腹杆受到的面外弯矩较为复杂，腹杆不同位置上的面外弯矩大小和方向都不相同，仅施加单一的预加力通常难以达到完全抵消面外弯矩的目的，采用施加在主桁上端不同位置的水平预加力P1和竖向预加力P2的方法不但可以较好地抵消面外弯矩，而且设计和实施过程简单方便。

附图说明

图1为本发明一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法的流程示意图；

图2为主桁钢梁节段横断面的结构示意图；

图3为本发明步骤S2中第一组件的组装示意图；

图4为图3中拆除主桁侧向支承和中段支承后的第一组件组装示意图；

图5为本发明步骤S3中施加预加力的示意图；

图6为本发明步骤S4中上层桥面系的安装示意图。

图中：1-主桁，11-腹杆，12-下弦杆，13-上弦杆，14-接头，2-下层桥面系，3-上层桥面系，4-主桁侧向支承，5-下层桥面系支承，51-中段支承，52-侧支承，6-上层桥面系支承。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，包括以下步骤：

S1.建立主桁钢梁节段的计算模型并提取预加力P的参数，主桁钢梁节段包括第一组件和第二组件，第一组件包括下层桥面系2和设于下层桥面系2两侧的主桁1，主桁1包括设于下层桥面系2两侧的腹杆11，第二组件包括上层桥面系3，预加力P施加在主桁1顶部。

S2.制造并组装第一组件。

S3.在下层桥面系2两侧的主桁1上施加预加力P。

S4.根据施加预加力P后两主桁1顶部之间距离制造第二组件，并将第二组件安装在两主桁1之间。

S5.释放预加力P。

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，包括以下步骤：

S1.建立主桁钢梁节段的计算模型并提取预加力P的参数，主桁钢梁节段包括第一组件和第二组件，第一组件包括下层桥面系2和设于下层桥面系2两侧的主桁1，主桁1包括设于下层桥面系2两侧的腹杆11，第二组件包括上层桥面系3，预加力P施加在主桁1顶部。步骤S1具体包括：

步骤S1.1.输入主桁1、下层桥面系2和上层桥面系3的设计尺寸、自重荷载和后续恒荷载参数，建立主桁钢梁节段的有限元模型。

步骤S1.2.对有限元模型进行分析计算，提取腹杆11受到的自重荷载和后续恒荷载形成的第一面外弯矩参数。

步骤S1.3.提取预加力P参数，预加力P使腹杆11受到第二面外弯矩，第二面外弯矩与第一面外弯矩大小相等，并且方向相反。

预加力P使腹杆11受到的第二面外弯矩与主桁钢梁节段的自重荷载以及后续恒荷载所使腹杆11受到的第一面外弯矩相抵消，从而达到大幅削减腹杆11的面外弯矩的目的，并极大地降低了腹杆11由于面外弯矩引起的内应力，使腹杆11的受力性能得到很大改善，因此可以大量节省钢材用量，提高桥梁的经济性和安全性。

如图3和图4所示，S2.制造并组装第一组件，步骤S2具体包括：

步骤S2.1.施工下层桥面系支承5，下层桥面系支承5包括中段支承51和位于中段支承51两侧的侧支承52。

步骤S2.2.在下层桥面系支承5上施工下层桥面系2，且使下层桥面系2的两端分别位于两个侧支承52上。

步骤S2.3.在下层桥面系2两侧的上方施工主桁侧向支承4，以主桁侧向支承4为支撑，在下层桥面系2两侧施工主桁1，主桁1包括与下层桥面系2相连的下弦杆12，腹杆11位于下弦杆12上，且腹杆11上部还设有上弦杆13和接头14。

步骤S2.4.拆除主桁侧向支承4和中段支承51。

制造并组装主桁1和下层桥面系2的具体过程包括：在钢梁制造厂按设计制造腹杆11、下弦杆12、上弦杆13、接头14和下层桥面系2。施工下层桥面系支承5，下层桥面系支承5包括中段支承51和位于中段支承51两侧的侧支承52。在下层桥面系支承5上施工下层桥面系2，且使下层桥面系2的两端分别位于两个侧支承52上。将腹杆11、下弦杆12、上弦杆13和接头14先组装成主桁1，其中，下弦杆12和上弦杆13位于主桁1的两端，上弦杆13位于主桁钢梁节段内侧的一端与接头14固定连接，接头14的末端与腹杆11的纵轴线之间的距离为L，L大于零。在下层桥面系2两侧的上方施工主桁侧向支承4，以主桁侧向支承4为支撑，在下层桥面系2两侧施工主桁1，上层桥面系3暂不组装。

组装主桁1和下层桥面系2时，主桁1及下层桥面系2均处于满堂支架状态，其中，主桁侧向支承4支撑主桁1的侧面，侧支承52支撑下层桥面系2的两端，下层桥面系2中部处于下层桥面系支承51的支承状态。

主桁1和下层桥面系2组装完成后，拆除主桁侧向支承4和中段支承51，仅保留侧支承52。

组装好的主桁1与下层桥面系2的断面形式为上端开口敞口式横向框架，腹杆11在下层桥面系2自重荷载作用下不会产生面外弯矩，但是腹杆11在面外可以自由转动，并因此产生位移，此时，可以测量腹杆11上端的面外水平位移量△2。

如图5所示，S3.在下层桥面系2两侧的主桁1上施加预加力P，步骤S3具体包括：

步骤S3.1.在两个主桁1顶部施加预加力P；

步骤S3.2.测量两个主桁1顶部的面外水平位移量△1。

预加力P包括水平预加力P1和竖向预加力P2。水平预加力P1施加在腹杆11的上端，竖向预加力P2施加在接头14的末端。

单独施加水平预加力P1使腹杆11产生第三面外弯矩，单独施加竖向预加力P2使腹杆11产生第四面外弯矩，水平预加力P1和竖向预加力P2共同作用的结果为第三面外弯矩与第四面外弯矩叠加，叠加后的面外弯矩构成预加的面外反向弯矩，即为腹杆11受到的第二面外弯矩。

由于腹杆11受到的第一面外弯矩较为复杂，第一面外弯矩在主桁腹杆11不同位置上的大小和方向都不相同，仅施加单一的预加力P通常难以达到完全抵消腹杆11上第一面外弯矩的目的，采用施加在主桁1上端不同位置的水平预加力P1和竖向预加力P2的方法不但可以较好地抵消第一面外弯矩，而且设计和实施过程简单方便。

另外，水平预加力P1和竖向预加力P2会使腹杆11在面外发生自由转动，并因此产生位移，此时，腹杆11上端在水平预加力P1和竖向预加力P2的作用下产生的面外水平位移量为△3。

在下层桥面系2自重荷载以及水平预加力P1和竖向预加力P2的双重作用下，腹杆11在面外发生自由转动，并因此产生位移，可以测量此时腹杆11上端的面外水平位移量△1，△1既包括了步骤S24中腹杆11上端在下层桥面系2自重荷载作用下的面外水平位移量△2，也包括了步骤S3中腹杆11上端在水平预加力P1和竖向预加力P2的作用下产生的面外水平位移量为△3，依据公式：△1＝△2+△3。

如图6所示，S4.根据施加预加力P后两主桁1顶部之间距离制造第二组件，并将第二组件安装在两主桁1之间，步骤S4具体包括：

步骤S4.1.根据两个主桁1顶部的面外水平位移量△1算出两个主桁1顶部之间的距离。确定两个主桁1顶部之间的距离依据公式：两个主桁1顶部之间的距离＝上层桥面系3的设计宽度W-2*△1，上层桥面系3的设计宽度W为步骤S1.1中上层桥面系3的设计尺寸。

步骤S4.2.并根据两个主桁1顶部之间的距离制造上层桥面系3，上层桥面系3的制造宽度＝两个主桁1顶部之间的距离；

步骤S4.3.在两个上弦杆13之间设置上层桥面系支承6，并在上层桥面系支承6上组装上层桥面系3，上层桥面系3两端与接头14连接。

由于上层桥面系3安装在主桁1的上端，腹杆11上端在下层桥面系2自重荷载和预加力P的共同作用下产生了面外水平位移量△1，因此，上层桥面系3的制造宽度需要针对腹杆11上端的面外水平位移量△1依据公式进行调整，其中，两个主桁1顶部之间的距离＝上层桥面系3的设计宽度W-2*△1，上层桥面系3的制造宽度＝两个主桁1顶部之间的距离，以确保上层桥面系3在组装时处于无应力状态。

S5.释放预加力P，拆除上层桥面系支承6。

本发明制定了新的超宽桁架桥主桁钢梁节段制造工序，在主桁钢梁节段制造过程中施加预加力P，在主桁钢梁节段制造完成后释放预加力P，待整体桁架桥建造完成并承担后续恒荷载时，腹杆11受到的面外弯矩与施工工程中施加的预加力P产生的面外弯矩相互抵消，因此大幅地削减了腹杆11的面外弯矩，腹杆11的受力性能得到极大地改善，节省钢材用量，提高桥梁的经济性和安全性。在超宽桁架桥设计过程中，腹杆截面型式可以大幅优化，横梁与主桁腹杆连接构造可以得到简化，有利于超宽桁架桥的设计。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.建立主桁钢梁节段的计算模型并提取预加力P的参数，所述主桁钢梁节段包括第一组件和第二组件，所述第一组件包括下层桥面系(2)和设于所述下层桥面系(2)两侧的主桁(1)，所述主桁(1)包括设于所述下层桥面系(2)两侧的腹杆(11)，所述第二组件包括上层桥面系(3)，所述预加力P施加在所述主桁(1)顶部；

S2.制造并组装第一组件；

S3.在下层桥面系(2)两侧的主桁(1)上施加预加力P；

S4.根据施加预加力P后两主桁(1)顶部之间距离制造第二组件，并将所述第二组件安装在两所述主桁(1)之间；

S5.释放预加力P。

2.如权利要求1所述的一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于：步骤S1具体包括：

步骤S1.1.输入所述主桁(1)、下层桥面系(2)和上层桥面系(3)的设计尺寸、自重荷载和后续恒荷载参数，建立所述主桁钢梁节段的有限元模型；

步骤S1.2.对所述有限元模型进行分析计算，提取所述腹杆(11)受到的自重荷载和后续恒荷载形成的第一面外弯矩参数；

步骤S1.3.提取所述预加力P参数，所述预加力P使所述腹杆(11)受到第二面外弯矩，所述第二面外弯矩与所述第一面外弯矩大小相等，并且方向相反。

3.如权利要求1所述的一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

步骤S2.1.施工下层桥面系支承(5)，所述下层桥面系支承(5)包括中段支承(51)和位于所述中段支承(51)两侧的侧支承(52)；

步骤S2.2.在所述下层桥面系支承(5)上施工所述下层桥面系(2)，且使所述下层桥面系(2)的两端分别位于两个所述侧支承(52)上；

步骤S2.3.在所述下层桥面系(2)两侧的上方施工主桁侧向支承(4)，以所述主桁侧向支承(4)为支撑，在所述下层桥面系(2)两侧施工主桁(1)，所述主桁(1)包括与所述下层桥面系(2)相连的下弦杆(12)，所述腹杆(11)位于所述下弦杆(12)上，且所述腹杆(11)上部还设有上弦杆(13)和接头(14)；

步骤S2.4.拆除所述主桁侧向支承(4)和所述中段支承(51)。

4.如权利要求3所述的一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于，步骤S3具体包括：

步骤S3.1.在两个所述主桁(1)顶部施加所述预加力P；

步骤S3.2.测量两个所述主桁(1)顶部的面外水平位移量△1。

5.如权利要求4所述的一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于：所述预加力P包括水平预加力P1和竖向预加力P2。

6.如权利要求5所述的一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于：所述水平预加力P1施加在所述腹杆(11)的上端，所述竖向预加力P2施加在所述接头(14)的末端。

7.如权利要求6所述的一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于，步骤S4具体包括：

步骤S4.1.根据两个所述主桁(1)顶部的面外水平位移量△1计算出两个所述主桁(1)顶部之间的距离；

步骤S4.2.并根据两个所述主桁(1)顶部之间的距离制造所述上层桥面系(3)；

步骤S4.3.在两个所述上弦杆(13)之间设置上层桥面系支承(6)，并在所述上层桥面系支承(6)上组装所述上层桥面系(3)，所述上层桥面系(3)两端与所述接头(14)连接。

8.如权利要求7所述的一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于：步骤S4.1中，确定两个所述主桁(1)顶部之间的距离依据公式：两个所述主桁(1)顶部之间的距离＝所述上层桥面系(3)的设计宽度W-2*△1，所述上层桥面系(3)的设计宽度W为步骤S1.1中所述上层桥面系(3)的设计尺寸。

9.如权利要求7所述的一种削减超宽桁架腹杆面外弯矩的方法，其特征在于：步骤S5还包括拆除所述上层桥面系支承(6)。