一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法
【專利摘要】一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，首先建立主桁鋼梁節段的計算模型并提取預加力的參數，主桁鋼梁節段包括第一組件和第二組件，第一組件包括下層橋面系和設于下層橋面系兩側的主桁，主桁包括設于下層橋面系兩側的腹桿，第二組件包括上層橋面系，預加力施加在主桁頂部；制造并組裝第一組件；在下層橋面系兩側的主桁上施加預加力；根據施加預加力后兩主桁頂部之間距離制造第二組件，并將第二組件安裝在兩主桁之間；釋放預加力。本發明具有節省鋼材用量，提高橋梁的經濟性和安全性，并有利于超寬桁架橋的設計的特點。
【專利說明】
一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法
技術領域
[0001]本發明涉及鋼桁架橋建造領域，具體涉及一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法。
【背景技術】
[0002]桁架橋是以桁架作為主要承重構件的橋梁，桁架的優點是桿件主要承受拉力或壓力，可以充分發揮材料的作用，節約材料，減輕結構重量。對于超寬的鋼桁架橋，鋼桁架橋橋面系的自重荷載以及后續恒荷載均由橋面橫梁傳遞給桁架主桁，由于超寬桁架橋橫梁的跨度很大，在橫梁與主桁連接的端部將產生很大的面外彎矩，此面外彎矩主要由主桁的腹桿承受，導致腹桿的絕大部分應力由面外彎矩產生。目前解決這一問題的辦法就是加強腹桿截面，提高腹桿面外剛度，但由于腹桿面外剛度增加，所承受的面外彎矩也相應增加，同時也極大地增加了鋼桁架橋的鋼材用量。常規鋼桁架橋主桁桿件基本上只承擔軸向力，對于承受很大的面外彎矩的超寬桁架橋腹桿，若按此方法進行設計和制造，桁架橋的經濟性優勢將無法體現。

【發明內容】

[0003]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，在超寬桁架橋主桁鋼梁節段制造過程中，通過對主桁上端施加預加力來削減腹桿在橋梁使用中受到的面外彎矩，從而改善腹桿受力，節省鋼材用量，提高橋梁的經濟性和安全性，并有利于超寬桁架橋的設計。
[0004]為達到以上目的，本發明采取的技術方案是:一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，包括以下步驟:
[0005]S1.建立主桁鋼梁節段的計算模型并提取預加力P的參數，所述主桁鋼梁節段包括第一組件和第二組件，所述第一組件包括下層橋面系和設于所述下層橋面系兩側的主桁，所述主桁包括設于所述下層橋面系兩側的腹桿，所述第二組件包括上層橋面系，所述預加力P施加在所述主桁頂部；
[0006]S2.制造并組裝第一組件；
[0007]S3.在下層橋面系兩側的主桁上施加預加力P;
[0008]S4.根據施加預加力P后兩主桁頂部之間距離制造第二組件，并將所述第二組件安裝在兩所述主桁之間；
[0009]S5.釋放預加力P。
[0010]在上述技術方案的基礎上，步驟SI具體包括:
[0011 ]步驟S1.1.輸入所述主桁、下層橋面系和上層橋面系的設計尺寸、自重荷載和后續恒荷載參數，建立所述主桁鋼梁節段的有限元模型；
[0012]步驟S1.2.對所述有限元模型進行分析計算，提取所述腹桿受到的自重荷載和后續恒荷載形成的第一面外彎矩參數；
[0013]步驟S1.3.提取所述預加力P參數，所述預加力P使所述腹桿受到第二面外彎矩，所述第二面外彎矩與所述第一面外彎矩大小相等，并且方向相反。
[0014]在上述技術方案的基礎上，步驟S2具體包括:
[0015]步驟S2.1.施工下層橋面系支承，所述下層橋面系支承包括中段支承和位于所述中段支承兩側的側支承；
[0016]步驟S2.2.在所述下層橋面系支承上施工所述下層橋面系，且使所述下層橋面系的兩端分別位于兩個所述側支承上；
[0017]步驟S2.3.在所述下層橋面系兩側的上方施工主桁側向支承，以所述主桁側向支承為支撐，在所述下層橋面系兩側施工主桁，所述主桁包括與所述下層橋面系相連的下弦桿，所述腹桿位于所述下弦桿上，且所述腹桿上部還設有上弦桿和接頭；
[0018]步驟S2.4.拆除所述主桁側向支承和所述中段支承。
[0019]在上述技術方案的基礎上，步驟S3具體包括:
[°02°]步驟S3.1.在兩個所述主桁頂部施加所述預加力P ；
[0021 ]步驟S3.2.測量兩個所述主桁頂部的面外水平位移量Al。
[0022]在上述技術方案的基礎上，所述預加力P包括水平預加力Pl和豎向預加力P2。
[0023]在上述技術方案的基礎上，所述水平預加力Pl施加在所述腹桿的上端，所述豎向預加力P2施加在所述接頭的末端。
[0024]在上述技術方案的基礎上，步驟S4具體包括:
[0025]步驟S4.1.根據兩個所述主桁頂部的面外水平位移量Al計算出兩個所述主桁頂部之間的距離；
[0026]步驟S4.2.并根據兩個所述主桁頂部之間的距離制造所述上層橋面系；
[0027]步驟S4.3.在兩個所述上弦桿之間設置上層橋面系支承，并在所述上層橋面系支承上組裝所述上層橋面系，所述上層橋面系兩端與所述接頭連接。
[0028]在上述技術方案的基礎上，步驟S4.1中，確定兩個所述主桁頂部之間的距離依據公式:兩個所述主桁頂部之間的距離=所述上層橋面系的設計寬度W-2*A1，所述上層橋面系的設計寬度W為步驟S1.1中所述上層橋面系的設計尺寸。
[0029]在上述技術方案的基礎上，步驟S5還包括拆除所述上層橋面系支承。
[0030]本發明的有益效果在于:
[0031]1、本發明通過在超寬桁架橋主桁鋼梁節段制造過程中對主桁上端施加預加力的方法來削減腹桿在橋梁使用過程中受到的面外彎矩，從而改善腹桿受力，節省鋼材用量，提高橋梁的經濟性和安全性。
[0032]2、由于腹桿受到的面外彎矩以及由此引起的內應力極大地降低了，因此在超寬桁架橋設計過程中，腹桿截面型式可以大幅優化，橫梁與主桁腹桿連接構造可以得到簡化，有利于超寬桁架橋的設計。
[0033]3、由于在橋梁使用過程中腹桿受到的面外彎矩較為復雜，腹桿不同位置上的面外彎矩大小和方向都不相同，僅施加單一的預加力通常難以達到完全抵消面外彎矩的目的，采用施加在主桁上端不同位置的水平預加力Pl和豎向預加力P2的方法不但可以較好地抵消面外彎矩，而且設計和實施過程簡單方便。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發明一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法的流程示意圖；
[0035]圖2為主桁鋼梁節段橫斷面的結構示意圖；
[0036]圖3為本發明步驟S2中第一組件的組裝示意圖；
[0037]圖4為圖3中拆除主桁側向支承和中段支承后的第一組件組裝示意圖；
[0038]圖5為本發明步驟S3中施加預加力的示意圖；
[0039 ]圖6為本發明步驟S4中上層橋面系的安裝示意圖。
[0040]圖中:1-主桁，11-腹桿，12-下弦桿，13-上弦桿，14-接頭，2-下層橋面系，3-上層橋面系，4-主桁側向支承，5-下層橋面系支承，51 -中段支承，52-側支承，6-上層橋面系支承。
【具體實施方式】
[0041 ]以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0042]如圖1和圖2所示，一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，包括以下步驟:
[0043]S1.建立主桁鋼梁節段的計算模型并提取預加力P的參數，主桁鋼梁節段包括第一組件和第二組件，第一組件包括下層橋面系2和設于下層橋面系2兩側的主桁I，主桁I包括設于下層橋面系2兩側的腹桿11，第二組件包括上層橋面系3，預加力P施加在主桁I頂部。
[0044]S2.制造并組裝第一組件。
[0045]S3.在下層橋面系2兩側的主桁I上施加預加力P。
[0046]S4.根據施加預加力P后兩主桁I頂部之間距離制造第二組件，并將第二組件安裝在兩主桁I之間。
[0047]S5.釋放預加力P。
[0048]以下結合實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0049]如圖1和圖2所示，一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，包括以下步驟:
[0050]S1.建立主桁鋼梁節段的計算模型并提取預加力P的參數，主桁鋼梁節段包括第一組件和第二組件，第一組件包括下層橋面系2和設于下層橋面系2兩側的主桁I，主桁I包括設于下層橋面系2兩側的腹桿11，第二組件包括上層橋面系3，預加力P施加在主桁I頂部。步驟SI具體包括:
[0051 ]步驟S1.1.輸入主桁1、下層橋面系2和上層橋面系3的設計尺寸、自重荷載和后續恒荷載參數，建立主桁鋼梁節段的有限元模型。
[0052]步驟S1.2.對有限元模型進行分析計算，提取腹桿11受到的自重荷載和后續恒荷載形成的第一面外彎矩參數。
[0053]步驟S1.3.提取預加力P參數，預加力P使腹桿11受到第二面外彎矩，第二面外彎矩與第一面外彎矩大小相等，并且方向相反。
[0054]預加力P使腹桿11受到的第二面外彎矩與主桁鋼梁節段的自重荷載以及后續恒荷載所使腹桿11受到的第一面外彎矩相抵消，從而達到大幅削減腹桿11的面外彎矩的目的，并極大地降低了腹桿11由于面外彎矩引起的內應力，使腹桿11的受力性能得到很大改善，因此可以大量節省鋼材用量，提高橋梁的經濟性和安全性。
[0055]如圖3和圖4所示，S2.制造并組裝第一組件，步驟S2具體包括:
[0056]步驟S2.1.施工下層橋面系支承5，下層橋面系支承5包括中段支承51和位于中段支承51兩側的側支承52。
[0057]步驟S2.2.在下層橋面系支承5上施工下層橋面系2，且使下層橋面系2的兩端分別位于兩個側支承52上。
[0058]步驟S2.3.在下層橋面系2兩側的上方施工主桁側向支承4，以主桁側向支承4為支撐，在下層橋面系2兩側施工主桁1，主桁I包括與下層橋面系2相連的下弦桿12，腹桿11位于下弦桿12上，且腹桿11上部還設有上弦桿13和接頭14。
[0059]步驟S2.4.拆除主桁側向支承3和中段支承51。
[0060]制造并組裝主桁I和下層橋面系2的具體過程包括:在鋼梁制造廠按設計制造腹桿U、下弦桿12、上弦桿13、接頭14和下層橋面系2。施工下層橋面系支承5，下層橋面系支承5包括中段支承51和位于中段支承51兩側的側支承52。在下層橋面系支承5上施工下層橋面系2，且使下層橋面系2的兩端分別位于兩個側支承52上。將腹桿11、下弦桿12、上弦桿13和接頭14先組裝成主桁I，其中，下弦桿12和上弦桿13位于主桁I的兩端，上弦桿13位于主桁鋼梁節段內側的一端與接頭14固定連接，接頭14的末端與腹桿11的縱軸線之間的距離為L，L大于零。在下層橋面系2兩側的上方施工主桁側向支承4，以主桁側向支承4為支撐，在下層橋面系2兩側施工主桁I，上層橋面系3暫不組裝。
[0061]組裝主桁I和下層橋面系2時，主桁I及下層橋面系2均處于滿堂支架狀態，其中，主桁側向支承3支撐主桁I的側面，側支承52支撐下層橋面系2的兩端，下層橋面系2中部處于下層橋面系支承51的支承狀態。
[0062]主桁I和下層橋面系2組裝完成后，拆除主桁側向支承3和中段支承51，僅保留側支承52。
[0063]組裝好的主桁I與下層橋面系2的斷面形式為上端開口敞口式橫向框架，腹桿11在下層橋面系2自重荷載作用下不會產生面外彎矩，但是腹桿11在面外可以自由轉動，并因此產生位移，此時，可以測量腹桿11上端的面外水平位移量Λ2。
[0064]如圖5所示，S3.在下層橋面系2兩側的主桁I上施加預加力P，步驟S3具體包括:
[0065]步驟S3.1.在兩個主桁I頂部施加預加力P；
[0066]步驟S3.2.測量兩個主桁I頂部的面外水平位移量Al。
[0067]預加力P包括水平預加力Pl和豎向預加力P2。水平預加力Pl施加在腹桿11的上端，豎向預加力P2施加在接頭14的末端。
[0068]單獨施加水平預加力Pl使腹桿11產生第三面外彎矩，單獨施加豎向預加力P2使腹桿11產生第四面外彎矩，水平預加力Pl和豎向預加力P2共同作用的結果為第三面外彎矩與第四面外彎矩疊加，疊加后的面外彎矩構成預加的面外反向彎矩，即為腹桿11受到的第二面外彎矩。
[0069]由于腹桿11受到的第一面外彎矩較為復雜，第一面外彎矩在主桁腹桿11不同位置上的大小和方向都不相同，僅施加單一的預加力P通常難以達到完全抵消腹桿11上第一面外彎矩的目的，采用施加在主桁I上端不同位置的水平預加力Pl和豎向預加力P2的方法不但可以較好地抵消第一面外彎矩，而且設計和實施過程簡單方便。
[0070]另外，水平預加力Pl和豎向預加力P2會使腹桿11在面外發生自由轉動，并因此產生位移，此時，腹桿11上端在水平預加力Pl和豎向預加力P2的作用下產生的面外水平位移量為Λ3。
[0071]在下層橋面系2自重荷載以及水平預加力Pl和豎向預加力P2的雙重作用下，腹桿11在面外發生自由轉動，并因此產生位移，可以測量此時腹桿11上端的面外水平位移量ΛI，Al既包括了步驟S24中腹桿11上端在下層橋面系2自重荷載作用下的面外水平位移量Λ2，也包括了步驟S3中腹桿11上端在水平預加力Pl和豎向預加力Ρ2的作用下產生的面外水平位移量為Λ3，依據公式:Λ1 = Δ2+Δ3ο
[0072]如圖6所示，S4.根據施加預加力P后兩主桁I頂部之間距離制造第二組件，并將第二組件安裝在兩主桁I之間，步驟S4具體包括:
[0073]步驟S4.1.根據兩個主桁I頂部的面外水平位移量Al算出兩個主桁I頂部之間的距離。確定兩個主桁I頂部之間的距離依據公式:兩個主桁I頂部之間的距離=上層橋面系3的設計寬度W_2*A1，上層橋面系3的設計寬度W為步驟S1.1中上層橋面系3的設計尺寸。
[0074]步驟S4.2.并根據兩個主桁I頂部之間的距離制造上層橋面系3，上層橋面系3的制造寬度=兩個主桁I頂部之間的距離；
[0075]步驟S4.3.在兩個上弦桿13之間設置上層橋面系支承6，并在上層橋面系支承6上組裝上層橋面系3，上層橋面系3兩端與接頭14連接。
[0076]由于上層橋面系3安裝在主桁I的上端，腹桿11上端在下層橋面系2自重荷載和預加力P的共同作用下產生了面外水平位移量Al，因此，上層橋面系3的制造寬度需要針對腹桿11上端的面外水平位移量Al依據公式進行調整，其中，兩個主桁I頂部之間的距離=上層橋面系3的設計寬度W-2*A1，上層橋面系3的制造寬度=兩個主桁I頂部之間的距離，以確保上層橋面系3在組裝時處于無應力狀態。
[0077]S5.釋放預加力P，拆除上層橋面系支承6。
[0078]本發明制定了新的超寬桁架橋主桁鋼梁節段制造工序，在主桁鋼梁節段制造過程中施加預加力P，在主桁鋼梁節段制造完成后釋放預加力P，待整體桁架橋建造完成并承擔后續恒荷載時，腹桿11受到的面外彎矩與施工工程中施加的預加力P產生的面外彎矩相互抵消，因此大幅地削減了腹桿11的面外彎矩，腹桿11的受力性能得到極大地改善，節省鋼材用量，提高橋梁的經濟性和安全性。在超寬桁架橋設計過程中，腹桿截面型式可以大幅優化，橫梁與主桁腹桿連接構造可以得到簡化，有利于超寬桁架橋的設計。
[0079]本發明不局限于上述實施方式，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
【主權項】
1.一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于，包括以下步驟: 51.建立主桁鋼梁節段的計算模型并提取預加力P的參數，所述主桁鋼梁節段包括第一組件和第二組件，所述第一組件包括下層橋面系(2)和設于所述下層橋面系(2)兩側的主桁(I)，所述主桁(I)包括設于所述下層橋面系(2)兩側的腹桿(11)，所述第二組件包括上層橋面系(3)，所述預加力P施加在所述主桁(I)頂部； 52.制造并組裝第一組件； 53.在下層橋面系(2)兩側的主桁(I)上施加預加力P; 54.根據施加預加力P后兩主桁(I)頂部之間距離制造第二組件，并將所述第二組件安裝在兩所述主桁(I)之間； 55.釋放預加力P。2.如權利要求1所述的一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于:步驟SI具體包括: 步驟S1.1.輸入所述主桁(I)、下層橋面系(2)和上層橋面系(3)的設計尺寸、自重荷載和后續恒荷載參數，建立所述主桁鋼梁節段的有限元模型； 步驟S1.2.對所述有限元模型進行分析計算，提取所述腹桿(11)受到的自重荷載和后續恒荷載形成的第一面外彎矩參數； 步驟S1.3.提取所述預加力P參數，所述預加力P使所述腹桿(11)受到第二面外彎矩，所述第二面外彎矩與所述第一面外彎矩大小相等，并且方向相反。3.如權利要求1所述的一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于，步驟S2具體包括: 步驟S2.1.施工下層橋面系支承(5)，所述下層橋面系支承(5)包括中段支承(51)和位于所述中段支承(51)兩側的側支承(52); 步驟S2.2.在所述下層橋面系支承(5)上施工所述下層橋面系(2)，且使所述下層橋面系(2)的兩端分別位于兩個所述側支承(52)上； 步驟S2.3.在所述下層橋面系(2)兩側的上方施工主桁側向支承(4)，以所述主桁側向支承(4)為支撐，在所述下層橋面系(2)兩側施工主桁(I)，所述主桁(I)包括與所述下層橋面系(2)相連的下弦桿(12)，所述腹桿(11)位于所述下弦桿(12)上，且所述腹桿(11)上部還設有上弦桿(13)和接頭(14); 步驟S2.4.拆除所述主桁側向支承(3)和所述中段支承(51)。4.如權利要求3所述的一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于，步驟S3具體包括: 步驟S3.1.在兩個所述主桁(I)頂部施加所述預加力P; 步驟S3.2.測量兩個所述主桁(I)頂部的面外水平位移量ΛI。5.如權利要求4所述的一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于:所述預加力P包括水平預加力Pl和豎向預加力Ρ2。6.如權利要求5所述的一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于:所述水平預加力Pl施加在所述腹桿(11)的上端，所述豎向預加力Ρ2施加在所述接頭(14)的末端。7.如權利要求6所述的一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于，步驟S4具體包括: 步驟S4.1.根據兩個所述主桁(I)頂部的面外水平位移量Al計算出兩個所述主桁(I)頂部之間的距離； 步驟S4.2.并根據兩個所述主桁(I)頂部之間的距離制造所述上層橋面系(3); 步驟S4.3.在兩個所述上弦桿(13)之間設置上層橋面系支承(6)，并在所述上層橋面系支承(6)上組裝所述上層橋面系(3)，所述上層橋面系(3)兩端與所述接頭(14)連接。8.如權利要求7所述的一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于:步驟S4.1中，確定兩個所述主桁(I)頂部之間的距離依據公式:兩個所述主桁(I)頂部之間的距離=所述上層橋面系(3)的設計寬度W-2*A1，所述上層橋面系(3)的設計寬度W為步驟S1.1中所述上層橋面系(3)的設計尺寸。9.如權利要求7所述的一種削減超寬桁架腹桿面外彎矩的方法，其特征在于:步驟S5還包括拆除所述上層橋面系支承(6)。
【文檔編號】E01D21/00GK105970824SQ201610416621
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】羅扣, 李恒, 歐陽濤, 高宗余, 萬田保, 舒思利, 肖海珠, 別業山, 梅大鵬
【申請人】中鐵大橋勘測設計院集團有限公司