钢桁架节点刚性次应力及正交异性桥面板计算方法分析
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摘要
在桁架结构中，由于节点连接刚性以及节点板等可以导致次应力的产生，通过简单结构模型和全桥模型，对于由节点刚性所产生的次应力的影响因素和影响规律进行了讨论。对桁架桥中靠近支座处由于次应力过大的杆件需要进行截面复核。
正交异性钢桥面板是由纵、横加劲肋和盖板组成并共同承受荷载的桥面结构。该结构最早始于二十世纪五十年代的德国，后来被很多国家广泛应用。目前已成为世界上大、中跨度钢桥所普遍采用的一种桥面结构形式。正交异性钢桥面板的受力复杂，我国公路桥涵钢结构设计规范未见计算规定及公式。
正交异性钢桥面板的受力分析通常可归结为以下三个基本受力结构体系：作为主梁截面的一部分承受车辆运营荷载(第一结构体系)；由纵横向加劲肋组成桥面结构，承受车辆轮轴荷载(第二结构体系)；支承在纵横加劲肋上的钢盖板直接承受车辆轮载(第三结构体系)。传统的简化计算方法是把三个结构体系分别加以计算并进行应力叠加。
正交异性板钢桥面系第二体系应力的计算方法主要有P-E法、等效格子梁法和有限元法等。在第二体系应力计算中，传统的简化解析法与采用现代计算机模拟的有限元法之间比较的问题被深入的研究和探讨。
P-E法和等效格子梁法都是简化的解析法，都采用了一定的计算假定，而且对结构的边界条件有一定的要求，计算结果会产生一定的偏差，尤其是按支点最不利方式加载。而有限元法能较准确、有效地模拟实际结构，计算结果比较完整，有限元法是第二体系计算方法的发展趋势。但采用有限元法计算第二体系应力时中包含了一部分的第三体系应力。这就说明在现行的钢桥面系体系的划分中，采用有限元法计算会产生一定的误差。为了能让有限元法更好的应用，更好的与疲劳评估体系相结合，本论文提出了适合有限元法的钢桥面系体系划分的方法。
Secondary stress arises because of the rigidity of joint and the nodal board, etc. Through simple structural model and integrity bridge model, the influence factors and the influence law of secondary stress induced by nodal rigidity are discussed. The components nearby support should be checked because of the secondary stress are excessive than others.
Orthotropic steel deck consists of vertical beams, transverse beams and cover boards, and the loads are supported by all these parts. This structure firstly appeared in Germany in 1950s, And from then on this structure has been adopted by many country. Now it is a universally used bridge deck structure in large and middling span steel bride. Because orthotropic steel deck's stress is very complicated, now domestic criterions prescript a proximate way to calculate this structure.
Orthotropic steel deck is commonly partitioned into three basis systems: it is considered as a part of girder and supports the load (the first structural system); the longitudinal rids, the transverse rids and the cover board make up of the bridge surface (the second structural system); the third structural system is only made up of the cover board and support the wheel load. Traditional calculation method is to add the three systems' stress.
There are mainly three methods in the second system stress analysis of the orthotropic steel deck, P-E method, the equivalent girder beam method and the FEM. The Issue which is the most adaptive in three methods of the second system stress of the orthotropic steel deck has been studied and discussed.
The P-E method and equivalent girder beam method are the simplified analysis ways, with some hypothesis. Their boundary conditions are strict, and the results are not precise, especially in the worst mode to the diaphragm. The finite element method can simulate the structure accurately, it is the trend of the computation of the second system stress of the orthotropic deck. But it's result include the stress of the third system. In order to apply the finite element method and combine the fatigue estimation system the more conveniencely, the thesis put forward to construct a new system for the steel orthotropic deck.
正交异性钢桥面板是由纵、横加劲肋和盖板组成并共同承受荷载的桥面结构。该结构最早始于二十世纪五十年代的德国，后来被很多国家广泛应用。目前已成为世界上大、中跨度钢桥所普遍采用的一种桥面结构形式。正交异性钢桥面板的受力复杂，我国公路桥涵钢结构设计规范未见计算规定及公式。
正交异性钢桥面板的受力分析通常可归结为以下三个基本受力结构体系：作为主梁截面的一部分承受车辆运营荷载(第一结构体系)；由纵横向加劲肋组成桥面结构，承受车辆轮轴荷载(第二结构体系)；支承在纵横加劲肋上的钢盖板直接承受车辆轮载(第三结构体系)。传统的简化计算方法是把三个结构体系分别加以计算并进行应力叠加。
正交异性板钢桥面系第二体系应力的计算方法主要有P-E法、等效格子梁法和有限元法等。在第二体系应力计算中，传统的简化解析法与采用现代计算机模拟的有限元法之间比较的问题被深入的研究和探讨。
P-E法和等效格子梁法都是简化的解析法，都采用了一定的计算假定，而且对结构的边界条件有一定的要求，计算结果会产生一定的偏差，尤其是按支点最不利方式加载。而有限元法能较准确、有效地模拟实际结构，计算结果比较完整，有限元法是第二体系计算方法的发展趋势。但采用有限元法计算第二体系应力时中包含了一部分的第三体系应力。这就说明在现行的钢桥面系体系的划分中，采用有限元法计算会产生一定的误差。为了能让有限元法更好的应用，更好的与疲劳评估体系相结合，本论文提出了适合有限元法的钢桥面系体系划分的方法。
Secondary stress arises because of the rigidity of joint and the nodal board, etc. Through simple structural model and integrity bridge model, the influence factors and the influence law of secondary stress induced by nodal rigidity are discussed. The components nearby support should be checked because of the secondary stress are excessive than others.
Orthotropic steel deck consists of vertical beams, transverse beams and cover boards, and the loads are supported by all these parts. This structure firstly appeared in Germany in 1950s, And from then on this structure has been adopted by many country. Now it is a universally used bridge deck structure in large and middling span steel bride. Because orthotropic steel deck's stress is very complicated, now domestic criterions prescript a proximate way to calculate this structure.
Orthotropic steel deck is commonly partitioned into three basis systems: it is considered as a part of girder and supports the load (the first structural system); the longitudinal rids, the transverse rids and the cover board make up of the bridge surface (the second structural system); the third structural system is only made up of the cover board and support the wheel load. Traditional calculation method is to add the three systems' stress.
There are mainly three methods in the second system stress analysis of the orthotropic steel deck, P-E method, the equivalent girder beam method and the FEM. The Issue which is the most adaptive in three methods of the second system stress of the orthotropic steel deck has been studied and discussed.
The P-E method and equivalent girder beam method are the simplified analysis ways, with some hypothesis. Their boundary conditions are strict, and the results are not precise, especially in the worst mode to the diaphragm. The finite element method can simulate the structure accurately, it is the trend of the computation of the second system stress of the orthotropic deck. But it's result include the stress of the third system. In order to apply the finite element method and combine the fatigue estimation system the more conveniencely, the thesis put forward to construct a new system for the steel orthotropic deck.
引文
[1] 小西一郎原著．朱立冬等译．《钢桥》(第一、二、三、八分册)．北京：人民铁道出版社．1980年．
[2] 王应良．《大跨度斜拉桥考虑几何非线性的静、动力分析和钢箱梁的第二体系应力研究》．西南交通大学博士学位论文．2000年5月．
[3] 郑凯锋等．板桁组合结构桥梁及其计算方法的研究．《全国桥梁学术年会论文集》．1996年．
[4] H.M.C.M.van Maarschallkerwaart.Railway Bridges. 《The Proceedings of ECCS/BCSA International Symposium on Steel Bridges》 .1988.
[5] E.Volke. Railway Bridge Decks. 《 The Proceedings of ECCS/BCSA International Symposium on Steel Bridges》 . 1988.
[6] 林国雄．正交异性板与桁架结合式梁桥第一系统应力及有效宽度计算．《桥梁建设》．1978年第4期．
[7] 彭月．下弦杆和钢桥面板组合的低高度桥面系铁路桁架桥．《国外桥梁》．1995第2期．
[8] 李富文．双向加肋的正交异性钢桥面板单元的刚度矩阵．《桥梁建设》．1980第1期．
[9] 李富文、伏魁先、徐文焕．板桁组合结构钢桥的空间计算．《西南交通大学学报》．1981第3期．
[10] 徐文焕．板桁组合式钢桥空间计算的子机构法．《铁道标准设计通讯》．1981第6期．
[11] 李富文、董春灵．偏心连接对板元刚度矩阵的影响．《西南交通大学学报报告会论文集》．1981年．
[12] 大桥局桥梁研究所工程研究室．板桁组合桥梁模型立体分析．《桥梁建设》．1982第2期．
[13] 伏魁先、李忠全．板桁组合钢桥动力性能分析．《铁道学报》．1987年第9期．
[14] 宋慕兰、董其震．正交异性板有渣桥面钢桥动力性能及静力分析方法的研究．《铁道学报》．1990年第12期．
[15] 龙驭球．《结构力学(上、下册)》．高等教育出版社．1996年．
[16] 曹治杰、余传禧．《正交异性板的计算》．中国铁道出版社．1983年．
[17] 徐芝纶．《弹性力学(下册)》．高等教育出版社 1990年．349—381．
[18] 项海帆．《高等桥梁结构理论》．人民交通出版社．2000年，175-182．
[19] 万鹏、郑凯锋．钢箱梁正交异性板体系应力不同计算方法的比较．《中国钢结构协会桥梁钢结构协会第三次学术年会论文集》．2002年．
[20] 何畏、李乔．板桁组合结构体系特性及计算方法研究．《中国铁道科学》．2001年10月．
[21] 王应良、强士中．正交异性板的极限承载能力分析．《钢结构》．1999年第4期．
[22] 王应良、李小珍、强士中．梯形加劲肋正交异性钢桥面板分析的等效格子梁法．《西南交通大学学报》．1999年10月．
[23] Bouwkamp, Powell. Structural Behavior of an Orthotropic Steel Plate Deck Bridge, Report to California Department of Public Works, Division of Highway and U.S. Department of Commerce, Bureau of Public Road, Public Roads, Univ. Of California. 1967.
[24] Powell. Analysis of Orthotropic Steel Plate Deck Bridge. Pro. ASCE, 95, (1969) ST5.
[25] Homberg, Trenks, Drehsteife Kreuzwerke, 1962.
[26] 高岛春生．《道路桥的横向分配使用计算法》前编．昭40年．
[27] 高岛春生．《道路桥的横向分配使用计算法》后编．昭49年．
[28] #12
[29] 刘世恩．应用正交异性板理论分析正交异性桥面板．《河北理工学院学报》．1997年第19卷第三期．
[30] 曾耀华、彭力．P-E法计算正交异性钢桥面板的应用．《中外公路》．2001年10月．
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[35] 彭刚．比拟正交各向异性板的横向分布探讨．《辽宁交通科技》．第25卷第4期．
[36] 胡光伟、钱振东、黄卫．正交异性钢箱梁桥面第二体系结构优化设计．《东南大学学报》．2003年4月．
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[38] 陈绍藩．《钢结构设计原理》．科学出版社，2003年．
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[40] 魏明钟．《钢结构设计新规范应用讲评》．中国建筑工业出版社．1991年．
[41] 钟善桐．《钢结构》．黑龙江科学技术出版社．1987年．
[42] 陈绍蕃．钢桁架的次应力和极限状态．《钢结构》．2005年第4期．
[43] 郑政宝、冯敏．关于刚接平面桁架次内力的探讨．《浙江建筑》2005年10月．
[44] 鲍永涛、陆萍．焊接平行弦钢的次应力分析．《武汉化工学院学报》．2003年3月．
[45] 鲍永涛、陆萍．理想桁架计算模式的精确性分析．《力学与实践》．2003年第25卷．
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[50] 范立础．《桥梁工程(上、下册)》第二版．人民交通出版社．1993年．
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[52] 李富文、伏魁先、刘学信．《钢桥》．中国铁道出版社．1993年．
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[54] C．P．汉斯等．《现在公路钢桥设计》．人民交通出版社．1992年．
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[59] 中华人民共和国铁道部．《铁路桥涵设计基本规范(TB10002．1-99)》．中国铁道出版社．2000年．
[60] 中华人民共和国铁道部．《铁路桥涵技术规范(合订本)TBJ2-85》．中国铁道出版社．1994年．
[61] 铁道部基建总局编译组．日本国有铁路《混凝土结构设计标准和解释》．中国铁道出版社．
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[63] 西南交通大学、铁道部专业设计院合译．英国《钢桥、混凝土桥及结合桥》BS5400．西南交通大学出版社．1986年．
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[67] Hotchkiss. New Ways to Cut Bridge Weight Lead to Record Spans.Engineering News-Record. No. 7, Novermber 1957.
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[71] Blodgett.Application of Welding to The Design of Orthotropic Bridges. the Lincoln electric company pamphlet No.1302.157.February 1963.
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[73] Troitsky. Orthotropic Design in Modern Bridge Engineering. The Engineering Institute of Canada. Annual General Meeting,June 1962.
[74] M.S. Troitsky. Othotropic bridges theory and design. James F .Li ncolnarc welding foundation. 1987.
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