混合連續(xù)梁橋受力對比分析

鄒得金　劉文會

(吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,長春　130118)

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混合連續(xù)梁橋受力對比分析

鄒得金劉文會

(吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,長春130118)

摘要：混合連續(xù)梁橋通常是指在橋跨度方向上選擇合理的位置用鋼箱梁或組合梁取代預(yù)應(yīng)力混凝土梁的一種結(jié)構(gòu)形式.本文以某三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?對原橋主跨150m混凝土梁中間50m段改為鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu),形成混合連續(xù)梁橋,運(yùn)用有限元軟件MIDAS CIVIL分別建立原橋和新結(jié)構(gòu)的有限元模型,并對兩個(gè)模型進(jìn)行施工階段分析和靜力分析.通過對兩種橋型的受力分析和對比,表明混合連續(xù)梁橋具有明顯優(yōu)勢,可較好地運(yùn)用到大跨徑連續(xù)梁中.

關(guān)鍵詞：混合梁；組合梁；有限元；對比

0引言

目前，在橋梁工程領(lǐng)域中,鋼和混凝土是建造橋梁的主要結(jié)構(gòu)材料,這兩種材料在物理和力學(xué)性能上具有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),如果僅僅采用其中一種材料建造橋梁,其結(jié)構(gòu)性能往往受到材料性能的制約而有所不足[1].為了充分利用鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,由此產(chǎn)生了組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu).組合結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面由鋼和混凝土異種材料組成并用剪力鍵接合成整體結(jié)構(gòu)而共同工作的結(jié)構(gòu)體系[2],其典型代表就是鋼—混凝土組合梁.混合結(jié)構(gòu)是指鋼、混凝土等不同材料的構(gòu)件用接頭連接成整體的結(jié)構(gòu)體系.

混合連續(xù)梁橋是一種混合結(jié)構(gòu)體系,通常是指在橋的跨度方向上選取合理的位置用鋼箱梁取代混凝土梁并用接頭連接成整體的結(jié)構(gòu)體系.目前,這種結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際工程中已得到了應(yīng)用,如新川橋[3]、重慶石板坡長江大橋復(fù)線橋[4]等.但是這種結(jié)構(gòu)鋼箱梁部分中的正交異性鋼橋面[5]中存在兩種典型的病害問題:一是鋼橋面結(jié)構(gòu)易疲勞開裂[6]；二是鋼橋面瀝青混凝土鋪裝層易破損[7].這兩種病害已造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)也給橋梁的安全性埋下隱患.迄今為止,正交異性鋼橋面的構(gòu)造細(xì)節(jié)在世界各國經(jīng)歷了多次改進(jìn),疲勞裂縫的發(fā)生得到有效地控制[8].但正交異性鋼橋面中構(gòu)造細(xì)節(jié)繁多且相互影響,而改進(jìn)措施往往局限于個(gè)別構(gòu)造細(xì)節(jié),難以兼顧.

基于上述問題,本文提出了一種新型混合連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu),即在原來的鋼梁部分用鋼-混凝土組合梁代替,并與原橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析.

1對比設(shè)計(jì)

1.1　工程背景

筆者以某三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?并作為研究對象.該橋跨徑布置為85m+150m+85m,采用單箱單室斷面,箱梁頂板寬14.5m,底板寬7.5m,箱梁頂面設(shè)1.5%單向橫坡.箱梁根部高為8.5m;跨中及邊跨直線段梁高均為3.5m,頂板厚為28cm,箱梁底板根部厚110cm,跨中為28cm,腹板厚度在4m范圍內(nèi)由45cm線性變化至60cm.橋墩頂部范圍內(nèi)頂板厚63cm,底板厚170.5cm,腹板厚90cm.箱梁除墩頂0號塊和邊跨支架現(xiàn)澆段外,其余塊段采用掛籃懸臂澆筑法施工,每個(gè)T構(gòu)縱向劃分為18個(gè)對稱梁段,即4×3m+5×3.5m+4×4m+5×4.5m進(jìn)行對稱懸臂澆筑.墩頂0號塊為12m,邊跨現(xiàn)澆段為9m,中跨合攏段和邊跨合攏段均為2m.其立面布置圖如圖1所示,截面尺寸如圖2所示.

圖1 三跨連續(xù)梁橋立面布置圖(單位:cm)

圖2 截面尺寸圖(單位:cm)

1.2　新型混合連續(xù)梁橋?qū)Ρ仍O(shè)計(jì)

新型混合連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)方案是在原三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的基礎(chǔ)上,在中跨跨中50m段改為鋼-混凝土組合梁,其立面布置圖如圖3所示.

圖3 混合連續(xù)梁橋的立面布置圖(單位:cm)

混合梁橋的施工方法同原橋,只是懸臂澆筑長度變小,增加鋼梁整體吊裝和形成組合梁的混凝土施工階段.組合梁截面為變截面鋼-混凝土組合箱梁,在外觀和梁高變化上與混凝土梁保持一致,鋼箱梁采用山字形開口截面形式,上翼緣厚度為25mm,腹板和底板厚度為20mm,其截面尺寸如圖4所示.鋼箱梁內(nèi)沿橋縱向每6m設(shè)置一道橫隔板,板厚18mm,為了滿足鋼箱梁腹板的局部穩(wěn)定,其余段每2m設(shè)置橫向加勁肋,肋厚8mm.混凝土橋面板采用預(yù)制混凝土橋面板.鋼箱梁與混凝土橋面板通過抗剪連接件連接在一起共同工作,抗剪連接件采用直徑22mm圓柱頭栓釘.混凝土梁和組合梁的接頭采用填充混凝土有格式后承壓板[9]構(gòu)造形式(見圖5).預(yù)應(yīng)力鋼束變動(dòng)情況為原頂板預(yù)應(yīng)力束縮短改為錨固在接頭的承壓板上,去掉原中跨頂?shù)装搴蠑n束,將原邊跨負(fù)彎矩束減小正彎矩束增加,接頭附近增加預(yù)應(yīng)力短束.

圖4 鋼-混凝土組合梁截面尺寸圖(單位:mm)

圖5 混合連續(xù)梁橋接頭立面布置圖(單位:cm)

2有限元模型

2.1　建立模型

采用Midas Civil軟件建立預(yù)應(yīng)力混凝土梁和混合連續(xù)梁全橋模型,如圖6、圖7所示.預(yù)應(yīng)力混凝土梁模型包含111個(gè)節(jié)點(diǎn),96個(gè)單元.主梁采用梁單元來模擬,橋墩和支座都采用邊界條件來模擬.模型分為24個(gè)施工階段,混凝土濕重和掛籃荷載用節(jié)點(diǎn)荷載模擬,邊跨支架現(xiàn)澆段用彈性連接只受壓類型模擬,通過結(jié)構(gòu)組的激活、邊界組和荷載組的激活及鈍化來模擬全橋懸臂澆筑過程和體系轉(zhuǎn)換.荷載工況包括自重、二期、預(yù)應(yīng)力、混凝土濕重、掛籃、溫度作用、支座沉降、移動(dòng)荷載、收縮和徐變.

混合連續(xù)梁橋模型包含129個(gè)節(jié)點(diǎn),98個(gè)單元.模型中的鋼-混凝土組合梁采用從SPC導(dǎo)入聯(lián)合截面組合-一般類型的截面,并用施工階段聯(lián)合截面模擬施工過程.模型分為21個(gè)施工階段,與預(yù)應(yīng)力混凝土梁的施工階段相比,增加了接頭吊裝灌注混凝土張拉鋼束的階段,吊裝鋼梁的階段,以及澆筑組合梁橋面板的階段.荷載工況與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相同.

圖6 預(yù)應(yīng)力混凝土梁有限元模型

圖7 新型混合連續(xù)梁有限元模型

2.2　有限元計(jì)算結(jié)果

預(yù)應(yīng)力混凝土梁模型施工階段分析和靜力計(jì)算均滿足規(guī)范要求.新型混合連續(xù)梁橋模型的施工階段與之相比不同之處為鋼箱梁吊裝和澆筑混凝土橋面板.鋼-混凝土組合梁段,鋼箱梁在施工階段最大拉應(yīng)力為152.83MPa,最大壓應(yīng)力為82.30MPa,均小于鋼材的容許應(yīng)力210MPa.成橋后,鋼箱梁的最大拉應(yīng)力為132.61MPa,最大壓應(yīng)力162.69MPa,均小于鋼材的容許應(yīng)力210MPa;混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為2.02MPa,小于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.74MPa,最大壓應(yīng)力為6.10MPa,小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值35.5MPa,故滿足規(guī)范要求.混凝土梁和組合梁結(jié)合接頭段還需要進(jìn)行局部分析.

3結(jié)果對比分析

3.1　內(nèi)力對比

提取原橋和新結(jié)構(gòu)在恒載、承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)主梁的軸力、剪力和彎矩的數(shù)值,匯總結(jié)果見表1.

表1 兩種橋梁內(nèi)力對比

由表1可見,新結(jié)構(gòu)的最大剪力減小了5.8%,最大軸力減小了6.3%,新結(jié)構(gòu)的中跨跨中最大彎矩減小68.6%,減小幅度巨大,墩頂最大負(fù)彎矩減小6.0%,邊跨最大正彎矩增大了17.6%,這樣的彎矩變化使結(jié)構(gòu)受力更加合理.

3.2　支座反力對比

橋梁支座的選取主要取決于在恒載和恒載+活載作用下豎向支座反力.表2為原橋和新結(jié)構(gòu)豎向支座反力對比.

表2 豎向支座反力對比　kN

由表2可知,邊支座的豎向支座反力增大的幅度大,中支座的豎向支座反力減小的幅度小,但由于采用了組合梁,總的支座反力還是減少的.

3.3　應(yīng)力對比

應(yīng)力為軸力產(chǎn)生的應(yīng)力和兩個(gè)方向彎矩產(chǎn)生應(yīng)力的疊加.原橋的混凝土在溫度梯度作用下產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為4.92MPa,新結(jié)構(gòu)為4.25MPa,減小了13.6%;在恒載作用下產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為11.33MPa,新結(jié)構(gòu)為9.83MPa,減小了13.2%;在汽車活載作用下產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為3.82MPa,新結(jié)構(gòu)為3.0MPa,減小了21.5%;在支座沉降作用下產(chǎn)生的最大組合應(yīng)力為0.71MPa,新結(jié)構(gòu)為0.55MPa,減小了22.5%.由此可知,新結(jié)構(gòu)混凝土的應(yīng)力比原橋小,新結(jié)構(gòu)與之相比更加安全可靠.

4施工方法

混合連續(xù)梁橋施工方法前期同普通懸臂澆筑方法相同,施工主墩,支架澆筑0號塊,安放主墩支座,主墩和0號塊臨時(shí)固結(jié),以此對稱懸臂澆筑各個(gè)塊段,懸澆完最后一個(gè)塊段之前施工邊墩,支架現(xiàn)澆邊跨進(jìn)行邊跨合攏,此過程先不拆除邊跨的支架.然后進(jìn)行鋼-混凝土組合梁段的施工,吊裝接頭,將接頭PBL[10]板孔內(nèi)的貫通鋼筋和綁扎混凝土箱梁的結(jié)構(gòu)鋼筋焊接在一起,灌注其中混凝土,待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后張拉預(yù)應(yīng)力束錨固在接頭的承壓板上,接頭上方混凝土橋面板只澆筑一半,使接頭和混凝土梁形成整體;然后進(jìn)行鋼箱梁的吊裝,吊裝就位后采用焊接加螺栓的方式使鋼箱梁和接頭形成一個(gè)整體,將預(yù)制好的混凝土橋面板逐段濕接,形成整體后拆除邊跨的支架和主墩臨時(shí)固結(jié);最后澆筑橋面鋪裝及護(hù)欄等并成橋.

5新結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋相比,這種中跨跨中為鋼-混凝土組合梁的新型混合連續(xù)梁橋具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 中跨跨中減輕自重,有效改善結(jié)構(gòu)受力性能及減小地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),提高橋梁的抗震性能;

(2) 在施工方面,新結(jié)構(gòu)懸臂澆筑段減少5段,鋼-混凝土組梁段采用鋼箱梁整體吊裝預(yù)制混凝土橋面板,從而縮短了工期,降低了施工成本;

(3) 鋼-混凝土組合梁段采用預(yù)制混凝土橋面板,一方面代替昂貴的正交異性剛橋面板,避免橋面板的疲勞和鋪裝易破損的問題；另一方面降低了混凝土收縮徐變引起的附加應(yīng)力;

(4) 新結(jié)構(gòu)去掉了原橋中跨的底板合攏束和頂板合攏束,一方面減少預(yù)應(yīng)力鋼束的用量；另一方面避免了預(yù)應(yīng)力引起的次內(nèi)力;

(5) 新結(jié)構(gòu)中支座總的豎向支座反力減小了13.9%,可以降低支座的選用規(guī)格,在成橋后也有利于支座的更換和維修;

(6) 有效地解決了橋體開裂和跨中撓度過大的問題;

(7) 充分發(fā)揮了材料的潛能,提高了材料的利用效率.跨中段充分利用鋼梁的受拉和混凝土的受壓.

雖然新結(jié)構(gòu)具有以上諸多優(yōu)點(diǎn),但也有不足之處,一是邊跨支架現(xiàn)澆段增加了26m,增加了支架和模板的使用,也對施工場地有了一定的限制;二是增加了鋼-混凝土組合梁段,對鋼箱梁的制作與施工有了一定的要求,鋼材的造價(jià)也將是考慮的問題.

6結(jié)語

通過對新結(jié)構(gòu)的有限元全橋施工階段分析和成橋靜力分析表明,與原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁相比，新結(jié)構(gòu)在總體上具有較大優(yōu)越性,可以在連續(xù)梁橋中廣泛采用.新結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析還有待研究,新結(jié)構(gòu)鋼-混凝土組合梁段的最為合理長度還有待進(jìn)一步分析.

參考文獻(xiàn)

[1] 聶建國.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京:人民交通出版社,2011:1-2.

[2] 白玲,史永吉.復(fù)合結(jié)構(gòu)橋梁的特性[J].中國鐵道科學(xué),2003,24(1):80-87.

[3] Toshifumi Nawata,Yosshihide Takada,Teruyuki Kimoto.Design and Construction of Shinkawa Bridge(Steel/PC Mixed Superstructure)[J].Kawaka Technical Report,2000(19):41-46.

[4] 鄧文中.重慶石板坡長江大橋復(fù)線橋總體設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2006(6):29-30.

[5] Bocchieri WJ,Fisher JW.Williamsburg Bridge ReplacementOrthotropic Deck as Built Fatigue Test[R].ATLSS Report No,98-04,1998.

[6] 王春生,馮亞成.正交異性鋼橋面板的疲勞研究綜述[J].鋼結(jié)構(gòu),2009,24(9):10-13.

[7] 郝培文,胡磊,陳志一,黃成造.大跨徑鋼箱梁橋面鋪裝研究與發(fā)展[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2008,25(6):12-16.

[8] 趙佃龍,方興,白玲.正交異性鋼橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)改進(jìn)的探討[J].鐵道建筑,2011(2):24-28.

[9] 劉玉擎.混合梁結(jié)合部設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[J].世界橋梁,2005(4):9-12.

[10] 胡建華,侯文崎,葉梅新.PBL連接鍵承載力影響因素和計(jì)算公式研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007(6):12-18.

Comparative Stress Analysis of Hybrid Continuous Beam Bridge

ZOU De-jin，LIU Wen-hui

(SchoolofTransportationScienceandEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：Hybrid continuous beam bridge is a structure form which usually uses steel box girder or composite beam instead of prestressed concrete beams in the reasonable position of bridge span. The paper takes the three span prestressed concrete continuous beam bridge as the background, changing the original bridge intermediate 50m main span of 150m concrete beam to steel concrete composite beam structure, which form hybrid continuous beam bridge. Using finite element software MIDAS CIVIL respectively established finite element model of the original bridge and the new structure, and analyzed the construction stage analysis and static of the two models. Through the analysis and comparison of the two bridges,it show that hybrid continuous beam bridge has obvious advantages, which could be used to the big span continuous beam.

Keywords:hybrid girder；composite beam；finite element method；comparison

中圖分類號：U 448.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-8919(2015)02-0012-05

作者簡介：鄒得金(1989～),男,黑龍江省伊春市人,在讀碩士研究生.

收稿日期：2014-09-29.