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[摘要]协同组合网架是近年来出现的一种保留网架上弦杆的组合网架，是一种新的结构形式。它利用网架来做面层混凝土的施工支架，缩短了工期，适于城市人行天桥等对施工有着特殊要求的建筑结构使用。提出协同组合网架的有限元计算与分析方法，利用有限元软件ANSYS对于贵阳市山水黔城2号人行天桥进行了线性与非线性分析。完成了工程计算及其数据的分析、归纳、总结。在研究过程中，分别对这个工程作整体分析比较，从宏观角度揭示该类体系的内力特征。最后提出了窄扁组合网架的一些设计建议及有待于进一步解决的问题。
[关键词]组合网架结构 有限元法 单元生死 协同工作 稳定
中图分类号：TB2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0620092－02
一、工程背景简介
该工程位于贵州省贵阳市。工程为贵州宏立房地产开发有限公司山水黔城2号桥。桥跨结构采用正放四角锥网架，跨50m，网架厚度为1.5米。网架沿跨度呈拱型（也可称网壳），矢高1/20。网架的典型网格尺寸约1.48m×1.5m，整体投影面积为225㎡。本工程耐久年限二级。网架耐火等级二级，耐火极限大于1.0h。结构焊缝要求Ⅱ级。
a 人行桥纵剖面图面
图1贵阳市山水黔城开发小区人行天桥
二、ANSYS对窄扁拱形RC／钢网架组合桥的施工状态与使用状态静力分析
在实际施工过程中，施工方案是以钢网架作为桥面板模板支架，那么在浇注过程中和混凝土尚未硬化到设计强度之前，荷载必须由纯钢桁架承担，主要包括施工荷载、钢网架和桥面板的自重。这一施工阶段的纯钢网架受力分析同普通钢网架的分析并无区别。
施工荷载活荷载取0.7KN/M2；钢网架自重取0.35 KN/M2； 桥面板自重取3.0KN/M2；作为一种工况加在窄扁拱形RC／钢网架组合桥模型上。利用Ansys特有的单元的生死功能来模拟拱形桥的施工过程。
表1 两种软件位移结果对比表
计算结果如表1所示，并与MSTCAD空间结构软件分析设计软件结果进行了对比。由于结构的最大挠度发生在跨中，而且它的位移大小为86.6mm，一般的结构在静力作用下要满足δ／L≤1／900，可以检验结构在这样的工况下是满足刚度要求的，既δ／L＝0.0866/50≤1／900。
表2 两种软件内力与应力结果对比表
由窄扁拱形钢网架桥的受力图可以看出，除了支座附近上弦有少量的杆件为受拉构件外，大部分构件为受压构件，与结构力学中拱形结构的受力性质基本一致。从整体结构看，在跨中上弦的受力普遍比下弦和腹杆大，在支座附近下弦受力普遍比上弦大。最大压力也是出现在支座附近，在下弦靠边的位置，最大力为190.2KN，最大压应力也是这根杆件，其值为158N/mm2，但小于钢结构中容许压应力值。在混凝土参与工作前，钢网架出现了明显的应力超前现象，部分应力较大的钢杆件产生变形，这些变形产生了初始网架初始位移，在对钢网架的极限承载力的非线性求解时，这些初始缺陷将会降低协同组合网架的极限承载力。
在正常使用期，整体结构荷载又发生变化，除了原有的恒荷载没有改变外，考虑到上弦活载5.0KN/m2；下弦活载0.25KN/m2；基本风压0.35KN/m2；活载进行组合计算，整个结构的位移，应力都发生了变化，在只考虑活载工况下力学指标统计列表4如下：
表3 正常使用期结构的力学指标
由于荷载增加了，轴压力、应力、位移都大幅增加了。桥面板壳的最大等效应力为40.9N/mm2。
总体结构位移表：
表4 考虑与不考虑板工作时结构位移值
在结构的最大挠度发生在跨中，而且它的位移大小为73.4mm，满足一般的结构在静力作用下要求δ／L≤1／900，检验结构在这样的工况下是满足刚度要求的，既δ／L＝0.0734/50≤1／900 。
三、板在结构中发挥重要的作用
圖2 正常使用时板的等效应力等值线图
板的激活与关闭两种状态下结构内力、应力差别很大。特别是对压力、压应力的影响都很大，最大轴压应力影响达41.5%，最大轴压力影响达66.6%，可见在以受压为主的拱形结构中，钢筋混凝土板的参与工作的减小钢构件分担的内力，充分的利用了混凝土的受压性能好的特点。考虑了混凝土板工作后，结构的刚度加大了，挠度明显降低了，挠度减小达44.1%，尽管荷载明显加大了，但是最后的挠度值低于在施工期间的挠度值，减少了18％。从各个施工阶段以及施工前后和成桥后跨中的挠度来看，内力、应力、位移并不是随着桥梁自重的增加而加大，结构经历了一个由大变小，再由小变大的过程。
桥面板壳的最大等效应力为40.9N/mm2，比施工期间的23.1N/mm2增加了43.5%，而且最大应力发生在上弦支座附近与支托相连的部分，出现了明显的应力集中现象，需要进行局部加强处理。可以加大板厚或设钢梁卸载等办法，考虑到是个拱形桥，局部加大板厚、密布钢筋效果会更好些。
上弦板厚度的影响：板厚的增大，一方面，增大了上弦板的刚度，增大了组合网架的整体刚度；另一方面，刚度的增大却是以增加自重为代价的。理论计算结果表明，板厚增加过大以后，组合网架的总体挠度、最大杆应力、板应力反而有所增长。 板厚的确定涉及很多因素:板块的平面尺寸、外荷载的大小、肋梁的布置方式、施工的可行性等。大量的研究计算表明，板厚取板边长的l/30~1/40，是比较合活的。根据计算结果，上弦板板厚对组合网架的上，下弦、腹杆影响很小，亦即对组合网架的弯矩影响甚微。
四、小结
（1）将窄扁拱形RC/钢网架离散成板元、梁元或杆元进行有限元分析，考虑到混凝土凝固前、施工期和正常使用三种状态下的位移、应力与内力变化情况，发现其经历一个由大到小，再由小到大的过程。计算结果精度满足工程设计要求，应力、位移都在现行钢结构与网架设计规范允许的范围内。
（2）在混凝土参与工作前，钢网架出现了明显的应力超前现象，这些将会降低协同组合网架将的极限承载力。
（3）板在在上弦支座附近与支托相连的部分，出现了明显的应力集中现象，需要进行局部加强处理。可以加大板厚或设钢梁卸载等办法，考虑到是个拱形桥，局部加大板厚、密布钢筋效果会更好些。
（4）根据计算结果，上弦板板厚对组合网架的上，下弦、腹杆影响很小，亦即对组合网架的弯矩影响甚微。随着板厚的增大，其应力与挠度均有所增长，但幅度不大。板厚加厚增大了组合网架的整体刚度，也增加了组合网架的自重即荷载。
（5）窄扁拱形RC/钢网架在荷载作用下水平推力比较大，所以选用三向支座可以有效抵抗X、Y、Z方向的支座反力。
参考文献：
[1]肖建春. 预应力局部单、双层网壳结构的理论分析与应用研究. 浙江大学学位论文 1999.
[2]饶芝英， 童根树．钢结构稳定性的新诠释建筑结构．2002.
[3]陈 翼等 . 钢结构稳定理论与设计 . 科学出版社， 2001.
[4]EI-Sheikh， A. I. ，Design of top concrete slabs of composite space trusses ，International Journal of structural Engineering and Mechanics ，1999，7(3):319-330.
[5]Abbs，H.and El-Sheikh ，A. I. ，Triangular Grid Decks for Composite Roadway Bridges ，Fourth internationall Kerensky Conference on structures in the new Millennium， Hong Kong ，September 1997，487-491.
[关键词]组合网架结构 有限元法 单元生死 协同工作 稳定
中图分类号：TB2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0620092－02
一、工程背景简介
该工程位于贵州省贵阳市。工程为贵州宏立房地产开发有限公司山水黔城2号桥。桥跨结构采用正放四角锥网架，跨50m，网架厚度为1.5米。网架沿跨度呈拱型（也可称网壳），矢高1/20。网架的典型网格尺寸约1.48m×1.5m，整体投影面积为225㎡。本工程耐久年限二级。网架耐火等级二级，耐火极限大于1.0h。结构焊缝要求Ⅱ级。
a 人行桥纵剖面图面
图1贵阳市山水黔城开发小区人行天桥
二、ANSYS对窄扁拱形RC／钢网架组合桥的施工状态与使用状态静力分析
在实际施工过程中，施工方案是以钢网架作为桥面板模板支架，那么在浇注过程中和混凝土尚未硬化到设计强度之前，荷载必须由纯钢桁架承担，主要包括施工荷载、钢网架和桥面板的自重。这一施工阶段的纯钢网架受力分析同普通钢网架的分析并无区别。
施工荷载活荷载取0.7KN/M2；钢网架自重取0.35 KN/M2； 桥面板自重取3.0KN/M2；作为一种工况加在窄扁拱形RC／钢网架组合桥模型上。利用Ansys特有的单元的生死功能来模拟拱形桥的施工过程。
表1 两种软件位移结果对比表
计算结果如表1所示，并与MSTCAD空间结构软件分析设计软件结果进行了对比。由于结构的最大挠度发生在跨中，而且它的位移大小为86.6mm，一般的结构在静力作用下要满足δ／L≤1／900，可以检验结构在这样的工况下是满足刚度要求的，既δ／L＝0.0866/50≤1／900。
表2 两种软件内力与应力结果对比表
由窄扁拱形钢网架桥的受力图可以看出，除了支座附近上弦有少量的杆件为受拉构件外，大部分构件为受压构件，与结构力学中拱形结构的受力性质基本一致。从整体结构看，在跨中上弦的受力普遍比下弦和腹杆大，在支座附近下弦受力普遍比上弦大。最大压力也是出现在支座附近，在下弦靠边的位置，最大力为190.2KN，最大压应力也是这根杆件，其值为158N/mm2，但小于钢结构中容许压应力值。在混凝土参与工作前，钢网架出现了明显的应力超前现象，部分应力较大的钢杆件产生变形，这些变形产生了初始网架初始位移，在对钢网架的极限承载力的非线性求解时，这些初始缺陷将会降低协同组合网架的极限承载力。
在正常使用期，整体结构荷载又发生变化，除了原有的恒荷载没有改变外，考虑到上弦活载5.0KN/m2；下弦活载0.25KN/m2；基本风压0.35KN/m2；活载进行组合计算，整个结构的位移，应力都发生了变化，在只考虑活载工况下力学指标统计列表4如下：
表3 正常使用期结构的力学指标
由于荷载增加了，轴压力、应力、位移都大幅增加了。桥面板壳的最大等效应力为40.9N/mm2。
总体结构位移表：
表4 考虑与不考虑板工作时结构位移值
在结构的最大挠度发生在跨中，而且它的位移大小为73.4mm，满足一般的结构在静力作用下要求δ／L≤1／900，检验结构在这样的工况下是满足刚度要求的，既δ／L＝0.0734/50≤1／900 。
三、板在结构中发挥重要的作用
圖2 正常使用时板的等效应力等值线图
板的激活与关闭两种状态下结构内力、应力差别很大。特别是对压力、压应力的影响都很大，最大轴压应力影响达41.5%，最大轴压力影响达66.6%，可见在以受压为主的拱形结构中，钢筋混凝土板的参与工作的减小钢构件分担的内力，充分的利用了混凝土的受压性能好的特点。考虑了混凝土板工作后，结构的刚度加大了，挠度明显降低了，挠度减小达44.1%，尽管荷载明显加大了，但是最后的挠度值低于在施工期间的挠度值，减少了18％。从各个施工阶段以及施工前后和成桥后跨中的挠度来看，内力、应力、位移并不是随着桥梁自重的增加而加大，结构经历了一个由大变小，再由小变大的过程。
桥面板壳的最大等效应力为40.9N/mm2，比施工期间的23.1N/mm2增加了43.5%，而且最大应力发生在上弦支座附近与支托相连的部分，出现了明显的应力集中现象，需要进行局部加强处理。可以加大板厚或设钢梁卸载等办法，考虑到是个拱形桥，局部加大板厚、密布钢筋效果会更好些。
上弦板厚度的影响：板厚的增大，一方面，增大了上弦板的刚度，增大了组合网架的整体刚度；另一方面，刚度的增大却是以增加自重为代价的。理论计算结果表明，板厚增加过大以后，组合网架的总体挠度、最大杆应力、板应力反而有所增长。 板厚的确定涉及很多因素:板块的平面尺寸、外荷载的大小、肋梁的布置方式、施工的可行性等。大量的研究计算表明，板厚取板边长的l/30~1/40，是比较合活的。根据计算结果，上弦板板厚对组合网架的上，下弦、腹杆影响很小，亦即对组合网架的弯矩影响甚微。
四、小结
（1）将窄扁拱形RC/钢网架离散成板元、梁元或杆元进行有限元分析，考虑到混凝土凝固前、施工期和正常使用三种状态下的位移、应力与内力变化情况，发现其经历一个由大到小，再由小到大的过程。计算结果精度满足工程设计要求，应力、位移都在现行钢结构与网架设计规范允许的范围内。
（2）在混凝土参与工作前，钢网架出现了明显的应力超前现象，这些将会降低协同组合网架将的极限承载力。
（3）板在在上弦支座附近与支托相连的部分，出现了明显的应力集中现象，需要进行局部加强处理。可以加大板厚或设钢梁卸载等办法，考虑到是个拱形桥，局部加大板厚、密布钢筋效果会更好些。
（4）根据计算结果，上弦板板厚对组合网架的上，下弦、腹杆影响很小，亦即对组合网架的弯矩影响甚微。随着板厚的增大，其应力与挠度均有所增长，但幅度不大。板厚加厚增大了组合网架的整体刚度，也增加了组合网架的自重即荷载。
（5）窄扁拱形RC/钢网架在荷载作用下水平推力比较大，所以选用三向支座可以有效抵抗X、Y、Z方向的支座反力。
参考文献：
[1]肖建春. 预应力局部单、双层网壳结构的理论分析与应用研究. 浙江大学学位论文 1999.
[2]饶芝英， 童根树．钢结构稳定性的新诠释建筑结构．2002.
[3]陈 翼等 . 钢结构稳定理论与设计 . 科学出版社， 2001.
[4]EI-Sheikh， A. I. ，Design of top concrete slabs of composite space trusses ，International Journal of structural Engineering and Mechanics ，1999，7(3):319-330.
[5]Abbs，H.and El-Sheikh ，A. I. ，Triangular Grid Decks for Composite Roadway Bridges ，Fourth internationall Kerensky Conference on structures in the new Millennium， Hong Kong ，September 1997，487-491.