大跨度鋼-混組合箱梁結(jié)構(gòu)承載力分析

張戰(zhàn)彪 劉前瑞

摘 ? 要：為提高橋梁的安全性能、改善橋梁結(jié)構(gòu)，以某特大橋?yàn)槔M(jìn)行研究，該橋是大跨度的鋼-混組合箱梁結(jié)構(gòu)，在目前橋梁建設(shè)中是常用結(jié)構(gòu)形式。首先，利用有限元分析軟件 midas civil2015，采用三維梁?jiǎn)卧⑷珮蚪Y(jié)構(gòu)模型，按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)和橋梁線性變化建立橋梁截面;然后，對(duì)不同工況下各個(gè)截面彎矩、剪力以及位移情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力分析。研究結(jié)果表明：計(jì)算結(jié)果均符合相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠，證明了數(shù)值模擬方法的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：鋼-混組合箱梁 ?有限元軟件 ?承載力分析

中圖分類號(hào)：U445 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（c）-0043-03

橋梁在我國(guó)公路和鐵路中具有重要紐帶作用，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，橋梁的重要性也越來(lái)越明顯，對(duì)橋梁通行承載能力的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，因此對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力分析是當(dāng)前非常緊迫而必要、是及其具有實(shí)際價(jià)值和研究意義的事情。林長(zhǎng)峰[1]利用橋梁軟件Midas Civil建立橋梁結(jié)構(gòu)的空間三維動(dòng)力計(jì)算模型，并使用線性反應(yīng)譜方法對(duì)橋梁的抗震性能進(jìn)行計(jì)算分析;李琨[2]兩跨鋼混組合箱梁穩(wěn)定性分析;張永飛[3]分析了鋼混組合箱梁的徐變與剪力滯效應(yīng)，通過(guò)能量變分法推導(dǎo)出在考慮剪切變形和剪力滯效應(yīng);孫永新，藺鵬臻[4]考慮剪力滯效應(yīng)的先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁徐變效應(yīng)分析，計(jì)算了受剪力滯效應(yīng)影響后的徐變彎矩和應(yīng)力;趙文杰[5]對(duì)橋梁抗震的設(shè)計(jì)分析，研究了橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法;李少駿等[6]提出分析橫梁受力可采用彈性支承連續(xù)梁法的實(shí)用方法;白植舟，朱柏章[7]研究在汽車荷載作用下超大跨斜拉橋的塑性區(qū)發(fā)展過(guò)程和破壞機(jī)理。

目前，學(xué)者們對(duì)鋼混組合箱梁研究的主要內(nèi)容是其抗彎性能和抗剪性能，對(duì)于其動(dòng)力性能的研究則較少，特別是鋼混組合箱梁橋，在不同工況內(nèi)力作用下各截面的動(dòng)力響應(yīng)各不相同，所以結(jié)構(gòu)受力分析非常復(fù)雜。本文利用有限元軟件Midas civil2015建立了某鋼混組合箱梁有限元模型，對(duì)全橋各工況下橋梁內(nèi)力進(jìn)行分析，為改善橋梁結(jié)構(gòu)提供方法和依據(jù)。

1 ?工程概況

某特大橋?yàn)樘猩礁咚俟飞系奶卮髽蛄?，全橋?聯(lián)，取第三聯(lián)進(jìn)行分析，上部結(jié)構(gòu)為30+55+40 m 先簡(jiǎn)支后連續(xù)的鋼混組合箱梁結(jié)構(gòu)形式，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩橋墩和樁基礎(chǔ)。

主梁截面采用抗剪連接器將預(yù)制開(kāi)口鋼箱梁和現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板連接，橋梁在結(jié)構(gòu)中心線位置處橋面板厚為0.3m，箱梁高度為1.9m，位于主梁結(jié)構(gòu)中心線處鋼箱梁的高度為等高2.2m。單幅橋面板寬為12.24m，橋面鋪裝厚度為等厚，橋面橫坡由不等高的腹板組成。鋼箱采用Q345qD鋼板，橋面板采用C50無(wú)收縮鋼纖維混凝土，橋面鋪裝采用10cm瀝青混凝土。該橋梁驗(yàn)算采用有限元計(jì)算方法，使用Midas/civil2015計(jì)算，該模型共建立146個(gè)節(jié)點(diǎn)，145個(gè)單元。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和軟件性能，采用三維梁?jiǎn)卧⒔Y(jié)構(gòu)模型，有限元模型如圖1所示。

2 ?計(jì)算模型及荷載

2.1 控制截面的選取

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，選定8個(gè)控制截面，見(jiàn)圖2。

2.2 橋梁內(nèi)力和位移

計(jì)算在各工況下各截面內(nèi)力響應(yīng)，分別提取各控制截面剪力、彎矩和位移的數(shù)據(jù)，如表1。該橋在一期恒載作用下各截面產(chǎn)生內(nèi)力見(jiàn)圖3、圖4，可見(jiàn)中跨支點(diǎn)彎矩、剪力最大，內(nèi)力為15796.95 kN·m、-1841.64 kN。二期恒載作用下各截面最大受力位置與一期恒載基本相同。橋梁在基礎(chǔ)沉降作用下中跨支點(diǎn)彎矩、邊跨支點(diǎn)剪力最大，分別為-1023.31 kN·m 和36.36 kN;由此可見(jiàn)，橋梁各截面在各工況內(nèi)力作用下所承受剪力、彎矩，跨中容易出現(xiàn)最大彎矩，邊跨支點(diǎn)出容易出現(xiàn)最大剪力，在各工況內(nèi)力作用下，梁體受剪力和彎矩符合要求。

選擇一期恒載作用繪制位移云圖如圖5所示，在中跨跨中的位移最大，最大位移主要發(fā)生在橋梁中部位置，數(shù)值為：f2=-24.89mm，符合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范要求;在二期恒載作用下最大位移為f2=-11.08mm，出現(xiàn)在邊跨跨中位置;溫度梯度、基礎(chǔ)沉降下位移位置基本相同，最大出現(xiàn)在中跨跨中附近，位移分別為：f2=-5.88mm和f2=3.64mm;橋梁橫向剛度相對(duì)較差，在溫度梯度和基礎(chǔ)沉降作用下橋梁容易出現(xiàn)縱向位移。

3 ?結(jié)論

（1）通過(guò)各工況反應(yīng)譜下內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果可知，在各工況內(nèi)力作用下，該橋主要內(nèi)力有剪力、彎矩和扭矩，梁體彎矩和剪力均較大，彎矩最大主要發(fā)生在跨中部位，而最大剪力主要發(fā)生在支點(diǎn)位置。因此應(yīng)加強(qiáng)橋梁跨中的剛度以及增加各支座的強(qiáng)度。橋梁在除結(jié)構(gòu)自重內(nèi)力作用下，橋面鋪裝和內(nèi)力梯度對(duì)橋梁產(chǎn)生的彎矩和剪力均較大，最大彎矩為-6560.47 kN·m，最大剪力為-738.71 kN?？芍摌驒M向及豎向剛度較弱，應(yīng)采用符合相關(guān)規(guī)定的溫度變化下強(qiáng)度變化較小的材料以及實(shí)施減少地基沉降的措施。

（2）通過(guò)各工況作用下內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果可知，受橋墩縱橋向剛度較弱的影響，在各工況內(nèi)力作用下，梁體發(fā)生縱向漂移，在自重和橋面鋪裝工況下產(chǎn)生的最大位移為-24.89 mm，在地震內(nèi)力作用下，橋梁位移響應(yīng)并不明顯。

（3）該橋采用鋼混組合箱梁在外力影響下位移較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定，在自重及鋪裝情況下的位移下跨中彎矩、剪力較大，應(yīng)在符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，采用較輕的材料進(jìn)行建設(shè)和橋面鋪裝。

參考文獻(xiàn)

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[2] 李琨.兩跨鋼混組合箱梁穩(wěn)定性分析[J].城市道橋與防洪，2018（8）：120-123，15-16.

[3] 張永飛.鋼—混組合箱梁的徐變與剪力滯效應(yīng)分析[D].蘭州交通大學(xué)，2018.

[4] 孫永新，藺鵬臻.考慮剪力滯效應(yīng)的先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁徐變效應(yīng)分析[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2015，36（8）：855-864.

[5] 趙文杰.橋梁抗震設(shè)計(jì)分析[J].交通世界，2018（14）：130-131.

[6] 項(xiàng)貽強(qiáng)，李少駿，劉麗思，等.多梁式鋼-混組合小箱梁橫向受力性能[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（7）：31-41，51.

[7] 白植舟，朱柏章.超大跨混合梁斜拉橋極限承載能力研究[J].橋梁建設(shè)，2017，47（5）：36-40.