鋼—混凝土組合梁橋橋面板活載受力分析

成 權(quán)

(大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116011)

鋼—混凝土組合梁橋橋面板活載受力分析

成 權(quán)

(大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116011)

依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，采用有限元的方法計算了鋼—混凝土組合梁橋橋面板活載的受力特性，并通過對計算結(jié)果的分析比較，得出了一些有意義的結(jié)論，為鋼—混凝土組合梁橋橋面板的設(shè)計提供了參考借鑒。

鋼—混凝土組合梁，橋面板，活載，有限元

0 引言

鋼—混凝土組合梁橋作為一種橋梁結(jié)構(gòu)形式，被廣泛的應(yīng)用在城市橋梁中。主梁為鋼結(jié)構(gòu)，橋面板為混凝土結(jié)構(gòu)。主梁與混凝土橋面板之間靠剪力鍵連接，能夠使橋面板與主梁共同參與受力。組合梁橋結(jié)構(gòu)增大了截面的剛度，減少了主梁的用鋼量。橋面板通過剪力鍵作用在主梁上，其邊界條件不是固接，而是彈性支撐的連續(xù)板。要精確分析混凝土橋面板的活載受力特性比較復(fù)雜。

本文通過有限元的分析，以及采用國內(nèi)外的規(guī)范，對混凝土橋面板的活載受力分析結(jié)果進(jìn)行對比，為鋼—混凝土橋面板設(shè)計計算提供參考依據(jù)。

1 國內(nèi)外的橋面板活載的設(shè)計計算方法

目前，鋼筋混凝土橋面板的計算方法有兩種：

一種是假設(shè)橋面板為剛性支承于主梁上，同時利用“荷載有效分布寬度的概念”把橋面板進(jìn)一步簡化為梁計算，然后考慮主梁的約束作用對計算結(jié)果進(jìn)行修正的方法；JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范中板的計算就是采用的這種方法。

另一種是采用經(jīng)驗公式的設(shè)計方法，美國的AASHTO和日本的《道路橋示方書》就提供了經(jīng)驗公式。本文將討論依據(jù)上述國內(nèi)、國外規(guī)范來計算橋面板活載的彎矩設(shè)計值。

1)JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范中橋面板的活載設(shè)計方法。以大連某實(shí)際工程為例，如圖1所示。

主縱梁為鋼箱梁，橫梁為工字型鋼梁(橫梁間距為3 m)，橋面板為混凝土橋面板，長邊長度與短邊長度之比=14.1 m/3 m=4.7>2,橋面板按單向板計算。

板計算跨徑L=3 m,橋面鋪裝厚h=0.09 m,橋面板厚t=0.25 m。

橋面板的有效工作寬度計算：

平行于板的跨徑方向的荷載分布寬度:

b=b1+2h。

垂直于板的跨徑方向的荷載分布寬度:

其中，l為板的計算跨徑；h為鋪裝層厚度；t為板的厚度；d為多個車輪時外輪之間的中距；a1，b1分別為垂直于板跨和平行于板跨方向的車輪著地尺寸。

將上述數(shù)據(jù)代入計算得:有效工作寬度a=3.3 m，b=0.38 m。

汽車荷載在1 m寬的簡支板條中產(chǎn)生的跨中彎矩：

其中，P為重車后軸的軸重力，140 kN。

汽車荷載彎矩：

汽車活載按影響線加載得(如圖2所示)：

M=(1+0.066 7)×M1=31.79 kN·m。

筆者又按照同樣的計算方法，將橫梁間距分別按3 m，4 m，5 m計算得橋面板活載彎矩值如表1所示。

表1 《公預(yù)規(guī)》計算得橋面板活載 kN·m

2)日本《道路橋示方書》中的橋面板活載設(shè)計計算方法。日本《道路橋示方書》推薦的設(shè)計計算方法，是根據(jù)不同跨徑的各向同性簡支或者懸臂單向板在車輛荷載作用下的理論分析結(jié)果，并且考慮10%～20%的富余量而得到的經(jīng)驗公式。根據(jù)理論分析結(jié)果和近似的經(jīng)驗修正，得到了如表2所示的經(jīng)驗公式。

筆者將跨徑3 m，4 m，5 m代入上述經(jīng)驗公式計算得橋面板活載彎矩值，如表3所示。

表2 《道路橋示方書》活載經(jīng)驗公式

表3 《道路橋示方書》計算得橋面板活載 kN·m

3)美國AASHTO中有關(guān)鋼筋混凝土橋面板的活載設(shè)計計算方法。簡支板和連續(xù)板的單位板寬活載設(shè)計彎矩M(不計沖擊力)按以下方法計算：

對于簡支板:

其中，L為計算跨徑，m；P為輪重，kN。

對于連續(xù)板：正負(fù)彎矩均為簡支板的80%。

筆者將跨徑3 m，4 m，5 m代入上述公式計算得橋面板活載彎矩值如表4所示。

表4 AASHTO計算得橋面板活載 kN·m

2 有限元計算橋面板活載計算結(jié)果

在第1節(jié)中筆者用數(shù)值分析的方法，分別采用國內(nèi)外的規(guī)范計算了橋面板的活載彎矩值，本節(jié)將采用有限元的方法來計算鋼—混凝土組合梁橋的橋面板的活載受力情況。采用的軟件是midas V8.0.5版本。

模型概況：橋面板采用的是板單元，主縱梁與橫梁采用的是梁單元(見圖3)。為了模擬剪力鍵的邊界條件(見圖4)，將橫梁與橋面板之間采用了彈性連接(見圖5)。

移動荷載的計算結(jié)果如圖6所示，跨中最大彎矩為31.68 kN·m。

筆者將橫梁的間距按3 m，4 m，5 m建模計算得到的橋面板活載彎矩值見表5。為方便比較有限元與數(shù)值分析的計算結(jié)果，將所有計算結(jié)果整理到表5中。

表5 橋面板活載計算值 kN·m

3 結(jié)論與建議

本文通過數(shù)值分析與有限元的計算分析可知(見表5):

1)從有限元的分析結(jié)果看，雖然本例中的橋面板是連續(xù)板，但是橋面板的跨中活載彎矩設(shè)計值更接近簡支板的活載彎矩設(shè)計值。

2)對比國內(nèi)國外的規(guī)范計算橋面板活載彎矩設(shè)計值的大小，可以看出，活載彎矩設(shè)計值最大的是《道路橋示方書》，其次是《AASHTO》，最小的是《公預(yù)規(guī)》。

3)由于鋼—混凝土組合梁橋混凝土橋面板與混凝土橋梁的鋼筋混凝土橋面板在受力特性上都存在一定的差異，不能簡單套用混凝土橋橋梁橋面板的設(shè)計方法。

4)計算鋼—混凝土組合梁橋橋面板活載彎矩設(shè)計值時，如采用《公預(yù)規(guī)》規(guī)范來計算活載彎矩設(shè)計值時，建議將橋面板按簡支板來考慮，不考慮連續(xù)板的彎矩折減。

[1] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 吳 沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3] JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[4] JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 孟海濱.公路橋梁施工中預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用[J].山西建筑，2013，39(22)：158-160.

Theforceanalysisofsteel-concretecompositebeambridgedeckliveload

CHENGQuan

(DalianMunicipalDesignandResearchInstituteLimitedLiabilityCompany,Dalian116011,China)

According to domestic and foreign related standards, this paper calculated the force characteristics of steel-concrete composite beam bridge deck live load using the finite element method, and through the comparison and analysis on the calculation results, obtained some significant conclusions, provided reference for the design of steel-concrete composite beam bridge deck.

steel-concrete composite beam, bridge deck, live load, finite element

1009-6825(2014)33-0161-02

2014-09-17

成 權(quán)(1983- )，男，工程師

U441.2

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