中小跨徑鋼—混凝土組合梁橫向力學(xué)行為分析★

趙藝程 范碧琨 李 勝 牟廷敏, 孫才志

(1.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130； 2.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

1 概述

混凝土橋梁和鋼結(jié)構(gòu)橋梁是現(xiàn)代橋梁的兩種基本形式?；炷两Y(jié)構(gòu)具有就地取材、造價(jià)相對較低、施工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，長期以來在公路橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用；鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)輕、材質(zhì)均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、裝配化施工、可回爐煉制重新利用等優(yōu)點(diǎn)，為世界橋梁界所推崇。近年來，隨著我國鋼鐵產(chǎn)能的提升，工業(yè)化水平的提高以及橋梁施工技術(shù)的進(jìn)步，我國已經(jīng)具備推廣鋼—混組合結(jié)構(gòu)橋梁的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件，加之國家和交通運(yùn)輸部政策的大力支持，推進(jìn)鋼—混組合結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)、提升公路橋梁建設(shè)品質(zhì)的良好契機(jī)已經(jīng)到來。

中小跨度鋼—混凝土組合梁在日本、美國和歐洲等國家得到了廣泛的應(yīng)用，而我國的組合結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)剛剛起步，主要以引進(jìn)為主。我國西部山區(qū)地形條件復(fù)雜、橋梁曲線半徑小、交通量大且重載貨車多，導(dǎo)致橋梁受力復(fù)雜，特別是橫向受力問題突出，國外的鋼—混凝土組合梁結(jié)構(gòu)技術(shù)尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。本文以兩種主流形式的中小跨度鋼—混凝土組合梁—鋼箱組合梁和鋼板組合梁為例，開展理論分析研究，探討其腹板的橫向受力行為，為我國西部山區(qū)復(fù)雜服役環(huán)境橋梁的建設(shè)提供參考。

2 中小跨度鋼—混凝土組合梁的結(jié)構(gòu)形式

中小跨度鋼—混凝土組合梁普遍采用鋼箱組合梁和鋼板組合梁兩種結(jié)構(gòu)形式。本文以九寨溝(川甘界)至綿陽高速公路平通互通E匝道大橋?yàn)楣こ桃劳校摌蚍桨副冗x對比了鋼箱組合梁和鋼板組合梁兩種方案，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

3 計(jì)算模型

3.1 有限元模型

利用通用有限元軟件Midas/FEA，根據(jù)兩種鋼—混凝土組合梁方案，分別建立其直線和曲線(R=60 m)的有限元實(shí)體模型，為保證模型的仿真性，網(wǎng)格劃分按5 cm控制。選用實(shí)體單元模擬橋面混凝土，板殼單元模擬頂板、腹板、底板、加勁肋、橫聯(lián)等鋼板構(gòu)件，二期恒載以均布荷載形式施加于橋面板單元上。

3.2 截面、材料

鋼箱組合梁的頂板采用8 mm厚的鋼板，腹板采用12 mm厚鋼板，底板采用18 mm厚鋼板，在底板、腹板沿縱向設(shè)置縱向加勁肋，加勁肋分別采用16 mm厚、12 mm厚鋼板；鋼板組合梁的頂板采用28 mm厚的鋼板，腹板采用14 mm厚鋼板，底板采用32 mm厚鋼板，在腹板沿縱向設(shè)置縱向加勁肋，加勁肋采用12 mm厚鋼板。

3.3 荷載作用

二期恒載包括防撞護(hù)欄、橋面鋪裝，其中橋面鋪裝均采用18 cm厚鋼纖維混凝土，單側(cè)防撞欄桿取10 kN/m。

汽車荷載按公路—Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)取值，采用車道荷載進(jìn)行計(jì)算，不考慮縱向折減系數(shù)，車輛荷載橫向布置按JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行，汽車荷載(偏載)布置作用如圖2所示。

4 力學(xué)性能分析

為了便于分析，將車輛偏載側(cè)或者曲線外側(cè)的腹板編號為1號腹板，車輛空載側(cè)或者曲線內(nèi)側(cè)的腹板編號為4號腹板，鋼箱組合梁的跨中兩塊腹板編號為2號腹板和3號腹板，腹板編號如圖3所示。

4.1 橫向力學(xué)行為

通過對比恒載和偏載作用下，不同線形條件的鋼箱組合梁和鋼板組合梁的腹板應(yīng)力，評價(jià)其橫向力學(xué)性能。由于跨中腹板的彎曲應(yīng)力最大，而剪應(yīng)力的占比又較小，故選取跨中腹板的等效應(yīng)力進(jìn)行橫向受力對比。兩種鋼—混凝土組合梁方案在不同荷載情況下的橫向應(yīng)力對比如圖4所示。

從圖4可以看出：

1)在恒載作用下，直線狀態(tài)下的鋼箱組合梁和鋼板組合梁橫向受力對稱，曲線狀態(tài)下的鋼箱組合梁和鋼板組合梁橫向受力表現(xiàn)為外側(cè)大、內(nèi)側(cè)小，表明直線鋼—混凝土組合梁在偏心荷載作用下會產(chǎn)生扭矩，曲線鋼—混凝土組合梁橋不論荷載偏心與否，都有較大扭矩產(chǎn)生；

2)通過應(yīng)力橫向分布的均勻程度，還可以得出扭矩的大小：直線鋼箱組合梁—恒載<曲線鋼箱組合梁—恒載<直線鋼箱組合梁—偏載<曲線鋼箱—偏載，直線鋼板組合梁—恒載<直線鋼箱組合梁—偏載<曲線鋼板組合梁—恒載<曲線鋼箱—偏載，表明抗扭慣性矩更大的鋼箱組合梁更加適用于曲線橋梁；

3)通過對比應(yīng)力指標(biāo)可知，在相同荷載條件下，鋼箱組合梁的應(yīng)力指標(biāo)低于鋼板組合梁，表明鋼箱組合梁的應(yīng)力冗余度更高。

通過對比鋼箱組合梁和鋼板組合梁的局部應(yīng)力情況可知，曲線鋼板組合梁在恒載作用下，其腹板與橫聯(lián)連接處出現(xiàn)應(yīng)力高度集中現(xiàn)象，如圖5所示。這是由于鋼板組合梁在曲線狀態(tài)下產(chǎn)生的扭矩較大，而鋼板組合梁的抗扭慣性矩較小，力不能通過橫聯(lián)有效傳遞到另一側(cè)的主梁，導(dǎo)致在腹板與橫聯(lián)連接處出現(xiàn)應(yīng)力高度集中。若將該鋼板組合梁應(yīng)用于小半徑曲線橋梁，則需設(shè)置更為密集的橫向聯(lián)系，提高主梁整體截面的抗扭慣性矩。

4.2 撓度對比

在不考慮結(jié)構(gòu)自重，僅考慮外側(cè)車輛作用下，對比分析兩種鋼—混凝土組合梁方案的撓度(見圖6)：直線狀態(tài)下的主梁撓度遠(yuǎn)小于其曲線狀態(tài)，直線狀態(tài)腹板內(nèi)外側(cè)的撓度差更小，即梁體的扭轉(zhuǎn)角小，組合梁在直線狀態(tài)下的橫向扭矩遠(yuǎn)小于其曲線狀態(tài)，這與應(yīng)力所反映的規(guī)律相同。同理可知，在相同荷載、線形條件下，鋼板組合梁的扭矩遠(yuǎn)高于鋼箱組合梁。

5 結(jié)語

1)直線鋼—混凝土組合梁橋只有在偏心荷載作用是才會產(chǎn)生扭矩，曲線鋼—混凝土組合梁橋不論荷載偏心與否，都有較大扭矩產(chǎn)生；彎扭耦合作用使得曲線鋼—混凝土組合梁發(fā)生“外梁超載，內(nèi)梁卸載”現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)須注意外側(cè)主梁支座是否存在拉力的問題，特別是在鋼梁節(jié)段的施工吊裝階段。

2)鋼板組合梁的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯，而鋼箱組合梁的應(yīng)力冗余度高，承災(zāi)性好。

3)曲線半徑小、重載貨車多、高地震烈度的山區(qū)復(fù)雜服役環(huán)境，宜采用鋼箱組合梁，若采用鋼板組合梁，則需設(shè)計(jì)強(qiáng)大的橫聯(lián)體系，這樣一來增加了用鋼量，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。