1、鉸接和剛接模型對鋼桁梁設計的影響張景橋蘭巍 申昊（中交鐵道勘察設計院有限公司北京100088）摘要：鋼桁梁結構具有跨度大、承載能力強、結構輕巧簡潔等特點，而廣泛應用于工程項目中。目前在設計時通常采用簡化的計算方法，一般均假定桁架結構為鉸接，進而計算桁架桿件的軸向應力。事實上上述假定同實際情況并不完全相符，節點不是理想的鉸。本文對鉸接和剛接兩種模型進行比較分析，并通過實例驗證，闡述了鉸接和剛接模型對鋼桁梁設計的影響，以供工程技術人員借鑒。關鍵詞：鋼桁梁 鉸接 剛接 分析Affection of Hinged and Consolidation Models in the Design ofSte

2、el TrussKey word: Steel truss;Hinged ; Consolidation ; AnalysisAbstract:The steel truss features large span, high bearing capacity, light and forthright structure. At present, designers usually adopt simplified computation method. Generally assumed truss structures are hinged models, and then calcul

3、ate the truss axial stress. In fact, the node is not a ideal hinge. This paper analyzes hinged and consolidation models in the design of steel truss. At last, the paper attempts to use a simplified method to calculate the difference between hinged and consolidation models .1 引 言在鋼桁梁計算中，一般均假定桁架結構為鉸接，

4、進而計算桁架桿件的軸向應力。事實上，上述假定同實際情況并不相符，節點不是理想的鉸，結構中是不允許有任何變形的，各桿的初彎矩；各桿件的重心軸并不全部交匯于一點，而在節點處存在著偏心；桿件自重等荷載的存在等，都將導致桁架結構不僅只有軸力，還將產生附加力。本文結合甘泉線跨京藏高速64m 單線鐵路下承式道碴橋面鋼桁梁橋，對該橋建立空間有限元鉸接模型和剛接模型進行計算比較，對鉸接模型和剛接模型在鋼桁梁設計中的影響進行有益的探討。2 對內力的影響結合該橋設計，分別建立桁架單元和梁單元模型，對該橋做有限元整體結構分析，計算主力組合荷載下該橋各桿件內力，并進行比較，探討次應力對桿件結構設計的影響。該鋼桁梁橋全

5、長65.1m,計算跨度64.0m,主桁中心距7.6m,節間長8.0m,桁高11.5m。主桁上、下弦桿截面形式均為口字形，斜桿截面形式為口字形和H形。主桁節點采用整節點形式。主桁上、下弦桿內寬為 500mm ,豎板高度分別為 540和520mm。橋面系縱、橫梁截面均為 工形斷面，梁高分別為 990mm和1270mm。上、下平縱聯的斜桿及支桿截面均為工形斷面， 采用交叉式。鋼梁的主桁、橋面系、聯結系均采用Q345qE級鋼。該橋結構模型見圖1。圖1結構模型簡圖2.1 對主桁架的影響主桁架它是主要的承重結構。其作用是承受豎向荷載，將荷載通過支座傳給墩臺。兩種模型在主力組合的作用下，主桁架的內力比較如表

6、1:表1兩種模型主桁內力計算結果單位：kNftg較接模 型最大 軸力剛接模 型最大 軸力軸力最 大相差 值誤差剛接模型剪力扭矩彎矩下弦桿6504.55243.31261.123.90%26.95.6173.2斜桿-3265.1-3262.251.10.20%21.143.1246.3豎桿1335.41294.840.63.00%33.80283.1上弦桿-3970.5-3960.99.50.20%19.712.1136.7由表1可以得出主桁架在主力作用下，斜桿、豎桿、上弦桿軸力誤差小于等于3%,這主要是由于斜桿、豎桿采用工字截面，并采用整體節點板，斜桿、豎桿、上弦桿受力較小， 所以由于彎矩產生

7、的次應力較小，兩種模型對結構計算的結果影響很小。但在校接模型與剛接模型中，下弦桿軸力最大相差23.9%,位置在跨中處。這主要是由于下弦桿截面較高，桿的截面剛度大，所在跨中位置內力較大。剛接模型空間整體性要好于較接模型，能使各桿件都能充分的參與工作，因此雖然存在彎矩次應力，但是較接模型計算出來的內力仍然大于剛 接模型。考慮到剛接模型還有剪力、彎矩、扭矩等的影響，在計算中采用較接模型進行設計是符合要求的。2.2 對上平聯的影響兩種模型在主力組合的作用下，上平聯的內力比較如表2:表2兩種模型上平聯內力表單位：kN較接模剛接模軸力最最大誤 差剛接模型型最大型最大可!差最大男取大扭最大彎車忖車忖值力矩矩

8、923.1914.534.67.6%4.50.0325.8由表2可知：上平聯在主力作用下，較接模型與剛接模型軸力最大相差7.6%,剛接模型中的次內力也很小，兩模型對結構影響很小。2.3 對節點的影響本文對鋼橋中間節點 E0、E4進行了細部應力分析（有限元模型見圖2、圖3）,有限元分析采用實體單元進行模擬，計算中分別將上述剛接、較接模型計算得到的內力作為邊界條 件輸入細部分析模型。圖2 E0節點有限元圖圖3 E4節點有限元圖由于輸入荷載條件近似，僅下弦桿荷載有所差別，故分析得到的節點應力分布趨勢相近, 結果如下：圖4 E0節點剛接應力圖圖5 E4節點剛接應力圖圖E0、E4號主節點，斜主桁（橋門架

9、）與節點連接處兩側局部很小范圍內產 生了應力集中（為271.594MPa）,其余部位應力約為80MPa左右，兩種模型對 結果影響不大。3對預拱度的影響為了保證線路在運營狀態下的平順性，鋼梁應當設置預拱度。常用預拱度值 取包載及一半活載作用下的結構撓度。 采用不同的分析模型，計算得到荷載作用 下的撓度顯然會有所不同，進而引起預拱度值有所差異。下表中列出了兩種不同分析模型計算得到的跨中撓度，用來進行預拱度的設置：表3兩種模型跨中撓度表跨中撓度（mm）整體剛接模型較接模型結構自重24.0424.73二期恒載21.6422.261/2活載22.40/2.023.11/2.0預拱度56.8858.55由

10、于采用較接模型后，結構剛度有所下降，荷載作用下跨中撓度略有增大，計算得到的橋梁預拱度分別為 56.88mm（剛接），58.55mm（較接），誤差小于3%實際工程中可以根據擇優選擇剛接或校接模型，對預拱度的設置影響不大。4對自振頻率的影響結構構件及其之間的連接方式對結構的整體剛度有顯著的影響，根據動力學理論，結構整體剛度又對系統自振頻率產生直接影響。以本橋為例，主桁桿件采用剛接或校接均對鋼橋自振產生顯著的影響。現有鐵路普遍存在橋梁剛度不足，列車通行時鋼橋橫豎向振幅過大等現象，該問題與設計過程中結構分析方法不準確、分析模型過于簡化有關。本文對兩種模型進行計算：(1)主桁桿件之間采用較接；(2)主桁

11、桿件之間采用剛接；結構自振特性采用有限單元法計算； 鋼橋上部結構桿件以空間梁單元模擬， 橋門架以空 間板單元模擬；橋面鋪裝及其他二期荷載轉換為分布質量， 不考慮剛度影響；自振頻率計算 采用子空間迭代法。計算得到該橋自振頻率及振型：表4兩種模型振動頻率表7654321 0剛接模型口較接模型振型整體剛接模型Hz校接模型Hz一階橫向振動2.5912.558一階豎向振動3.5313.394一階扭轉振動4.5164.147二階豎向振動5.6674.916二階橫向振動5.9955.917對于上述不同的分析模型，計算得到的結構第一階橫豎向自振頻率對比如下圖所示:圖6結構第一階橫豎向自振頻率對比圖通過對比分析

12、可以得到以下結論：校接或剛接模型對鋼橋自振特性分析結果影響不大：當采用剛接模型，結構模型整體剛度略有提高，自振頻率增大，但變化不明顯，因此在結構動力特性計算中， 采用空間剛接或校接模型影響均能滿足計算精度需求。參考現行鐵路橋涵設計基本規范，對于下承式鋼桁梁橋橫向一階自振頻率應當滿足：f -65/L0.8對于本橋即有：f>2.33Hz,計算結果顯示，本橋一階橫向自振頻率2.59Hz,表明本橋橋梁剛度滿足設計要求，整體剛度較好。5小結鋼桁架結構是一種空間結構，各桿之間的連接是剛性連接，目前應用計算機來計算空間結構已經不很困難，最佳的計算方法應該是按照剛性連接的空間結構來分析，這樣設計出的結果才能更好的符合實際情況。但在實際工作中有時還是沿用簡化的計算方法，雖然簡化的方法不能考慮次應力的影響，但是由于將鋼桁梁橋跨分成若干個平面結構后，結構空間整體性的有益影響不能考慮，計算的結果包括軸力、應力、撓度、頻率等都偏于安全，能滿足工程設計要求。結構構造的原因所產生的次應力，是不可能完全避免的。在日本鋼結構專家小西一郎的鋼橋中指出 “節點剛性所產生的次應力， 在桿件長細