不同截面形式的钢结构桥 梁力学性能对比分析

摘要：截面对整个桥梁的力学性能起着决定性的作用。以一个钢桁架桥梁为研究对象，分

别建立了截面为六边形和矩形的钢桁架桥梁空间模型，对比分析其力学性能。研究

结果表明：矩形截面钢桁架桥的应力、内力、位移和自振频率都要优于六边形截面钢

桁架桥。

关键词：钢桁架；桥梁结构；力学性能

为适应所跨越道路、地理条件和城市景观等的要

求，大跨径非规则钢结构桥梁越来越多地被采用。实现

这些功能，往往以牺牲桥梁的力学性能为代价，降低了

桥梁结构的安全性，因此有必要进行不同截面的桥梁结

构的力学性能对比研究。

本文以实际工程为背景，对单跨钢桁架梁分别建

立六边形截面的空间模型(景观效果好)和矩形截面的

空间模型并以两种模型的构件尺寸、荷载、跨径等相同

为基准，对不同截面形式的钢桁架模型的计算结果差

异进行对比分析。

1工程概况

天津经济技术开发区中心大道上的一座单跨钢桁

架桥梁，为人行专用桥梁，桥梁跨径为64．074 m；是两

种不同截面的钢桁架桥梁，六边形截面的钢桁架腹杆

采用弯折形式并伸出上下限杆外侧1．0 m，桁架总宽为

6．6 m，高位6．2 m，人行宽度为4．0 m；四边形截面的腹

杆采用直线的常规形式，桁架总宽为4．6 m，高位6．2

m，人行宽度为4．0 m；两种截面的钢桁架桥梁人群荷载

标准值均为4．0 kN／m 。桁架桥的截面见图1。

6600

画[亟囹

a 六边形 b 矩形

单位：mm

图1 桥梁截面

2计算模型

采用桥梁有限元分析软件Midas／Civil建立两种

截面的桥梁空问模型。下面具体介绍所采用永久作用、

可变作用及边界条件。

2．1永久作用

I)自重。钢结构按构件实际截面面积计入，钢结构

焊缝及加劲按主体钢结构重量的1．0％计。

2)二期恒载。桥面混凝土人行道板宽度4．0 m，平

均厚度140 cm，重度=25 kN／m。；钢结构栏杆单侧每延米

1．0 kN／m。

2。2可变作用

人群荷载。因早晚高峰期人流较大，故人群荷载标

准值取4．0 kN／m。，人行道净宽3．5 m；局部构件验算人

群荷载标准值4．0 kN／m。。

2．3边界条件

采用一个固定支座，两个单向滑动支座，一个双向

滑动支座。具体模型见图2。

a 六边形截面主桁架模型 b 矩形截面主桁架模型

图2 空间模型

3计算结果分析

3．1应力

在恒载、人群荷载和恒活组合作用下，对两种模型

的计算结果进行比较，见表l。

表1 主桁应力对比分析 MPa

恒载(最值杆件 截面形式 ) 人群荷载(最值) 恒活组合(最值)

压应力 拉应力 压应力 拉应力 压应力 拉应力

上弦杆 六边形 87 25 l13

矩形 84 24 lO8

下弦杆 六边形 87 25 112

矩形 83 24 l07

市政公用建设

Municipal and Public Construction 张健：不同截面形式的钢结构桥梁力学性能对比分析 第29卷第1期

续表1

恒载(最值杆件 截面形式 ) 人群荷载 (最值) 恒活组合(最值)

压应力 拉应力 压应力 拉应力 压应力 拉应力

腹杆 六边形 l15 1O1 33 30 149 l31

矩形 80 53 24 16 104 69

六边形 12 33 6 8 15 41

上平联 矩形

l0 l7 5 6 l3 23

六边形 41 33 12 11 53 45

下平联 矩形

29 33 l1 1l 41 43

由表1可以看出，所有杆件的拉压应力矩形截面

均小于六边形截面。两种模型在相同荷载作用下，上弦

杆、下弦杆和腹杆的最大拉压应力出现的位置基本相

同。上弦杆和下弦杆的计算结果矩形截面比六边形截

面的最大应力小5％左右；腹杆的计算结果矩形截面比

六边形截面的最大应力小45％左右，相差较大。说明矩

形截面和六边形截面的主桁受力性能相差不大；而六

边形截面的弯折腹杆比矩形截面的直腹杆受力性能差

很多且降低了主桁的受力性能，从而降低了桥梁的

整体力学性能。

3．2内力分析

在恒载、人群荷载和恒活组合作用下，对两种模型

的计算结果进行比较，见表2。

表2 主桁内力分析

恒载(最值) 人群荷载(最值) 恒活组合(最值)

杆件 截面 轴力 ／ 竖向 横向 竖向 横向 竖向 横向

弯矩／ 弯矩／ 轴力／ 弯矩／ 弯矩／ 轴力／ 弯矩／ 弯矩／

(kN·

形式

m)

N·

mJ

kN (kN· (kN· kN (kN· (kN· kN

mJ m) mJ

上弦 六边形 1937 385 149 557 1l2 42 2494 497 191

杆 矩形 1917 293 11 557 87 3 2474 380 15

下弦 六边形 1914 l38 35 548 40 10 2462 178 46

杆 矩形 1894 126 l8 548 36 6 2442 162 24

腹 杆 六边形 802 516 431 226 15O l17 1028 665 548

矩形 820 418 14 234 123 9 1054 541 224

上平 六边形 179 2l 24 49 4 7 227 25 31

联 矩形 32 4 24 9 2 7 41 6 30

下平 六边形 152 62 24 44 l9 7 196 81 3l

联 矩形 15O 15 23 43 1O 7 193 24 30

由表2可以看出，两种不同截面的钢桁架在恒载、

人群荷载和恒活组合作用下，上弦杆、下弦杆、上平联

和下平联的轴力和弯矩以及腹杆的弯矩均是矩形截面

模型的内力值较小，仅矩形截面钢桁架的腹杆轴力稍

大于六边形截面钢桁架的腹杆轴力。由此得出矩形

截面钢桁架的受力性能好于六边形截面钢桁架。

3．3位移

1)在人群荷载作用下，六边形截面的主桁在跨中

的竖向位移最大，其值为17．4 toni；矩形截面的主桁最

大竖向位移同样发生在跨中，其值为15．5 mill；两种截

面的主桁均满足CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地

道技术规范》中桁架桥最大竖向挠度要求。

2)主桁端部水平位移在人群荷载作用下，不同截

面的两种主桁最大水平位移均为4．2Ⅱ1ffl，在温度荷载

(暂考虑体系升温30℃)下的水平位移同样均为22．8

mm。可见，主桁端部人群荷载引起的水平位移和温度

荷载引起的水平位移受截面形式的变化影响较小。

3)主桁端部转角，六边形截面的主桁在人群荷载

作用下为0．001 083 rad，矩形截面的主桁在人群荷载

作用下为0．000 866 rad。

通过以上具体数据的分析可知，矩形截面的主桁抵

抗位移的能力强于六边形截面的主桁。

3。4自振频率

主桁前3阶白振频率见表3。

表3 自振频率 Hz

振型号 1 2 3

六边形 3．68 3．87 9．40

矩形 3．72 4．O0 9．77

由表3可以看出，矩形截面和六边形截面的自振

频率均满足CJJ 69__95中关于结构竖向自振频率术3 Hz

的要求。

矩形截面白振频率大于六边形，矩形截面的基频可

优先于六边形截面的模型满足规范的要求。

4结论与建议

应力、内力、位移和自振频率均显示矩形截面的钢

桁架受力较为合理，建议在今后的钢桁架选择方面不

要一味的追求景观效果，希望在追求景观效果的同时

考虑一下结构本身的受力合理性，将景观和结构统一

的结合，真正的实现景观融入结构中。

口●

参考文献：

[1]袁玲．城市高架快速化改建中钢结构桥梁的设计要点[J]

中国市政工程，2009，34(2)：18—19．

口中图分类号：U448．36

口文献标识码：C

口文章编号：1 008—31 97(201 3)01—66—02

口DOI编码：10．39694．issn．1008—3197．2013．01．026

口收稿日期：2012—11—05

口作者简介：张健／男，1982年出生，工程师，学士，上海市城市

廷 ： 十研究院天津分院，从事道距 十工作。