鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋應力分析

張 銳，鄭凱鋒，楊一維

(西南交通大學，四川成都610031)

隨著城市的發(fā)展曲線梁橋在城市橋梁中的應用越來越廣泛。組合梁橋容易調(diào)整坡度和外超高，鋼結(jié)構(gòu)制造加工方便，施工工期短，在曲線梁橋梁中具有較大優(yōu)勢。受曲率的影響，曲線梁截面發(fā)生豎向彎曲時，必然產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而這種扭轉(zhuǎn)作用又將導致梁的撓曲變形，即彎扭耦合作用。這一作用使得曲線梁橋的受力分析比直線梁橋復雜［1］。

為了研究鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋的應力分布，選取某(40+57+40)m鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋，采用大型通用有限元軟件Midas/Fea建立全橋空間有限元模型，分析該橋頂板、底板應力分布和不利工況。

1 橋梁方案

某鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋，曲線半徑為100 m，橋跨布置為40 m+57 m+40 m。主梁采用單箱雙室鋼-混凝土組合箱梁，鋼梁采用Q345C鋼材，頂板采用C50鋼纖維混凝土；腹板高2 350 mm、厚12 mm；腹板加勁肋寬120 mm、厚10 mm；底板寬7 500 mm，支點內(nèi)填混凝土處底板厚20 mm，其余梁段底板厚為24 mm；底板加勁肋高180 mm、厚20 mm。在中支點處底板上澆筑1 000 mm厚混凝土，并在相鄰3 000 mm范圍內(nèi)由500 mm變厚至250 mm(圖1)?；炷另敯鍖?0 500 mm、厚140 mm，在腹板處加厚為250 mm，混凝土澆筑在8 mm厚鋼頂板上(圖2)。橫隔板處和支座處混凝土頂板加厚為250 mm等厚度頂板，澆筑在20 mm厚鋼頂板上(圖3)。混凝土和鋼板通過PBL剪力鍵和剪力釘相連，鋼頂板既為受力構(gòu)件，又是澆筑混凝土時的底模。每3 000 mm設(shè)置一道橫隔板，支點處對橫隔板進行加密。

圖1 中支點底板內(nèi)填混凝土(單位：mm)

圖2 一般主梁截面(單位：mm)

圖3 頂板加厚主梁截面(單位：mm)

2 全橋組合單元模型建立

采用大型通用有限元軟件Midas/Fea建立全橋空間有限元模型(圖4)。根據(jù)組合梁結(jié)構(gòu)受力特性，采用兩種不同類型單元來模擬?；炷另敯?、橋面鋪裝、橡膠支座等采用實體單元模擬，鋼板采用板單元模擬［2］。不考慮混凝土與鋼板之間的滑移。全橋共148 664個單元，其中板單元79 088個，實體單元69 576個。

施工時先澆筑正彎矩區(qū)混凝土橋面板，后澆筑負彎矩區(qū)混凝土橋面板，共建立四個施工階段：

(1)搭設(shè)中間臨時支墩，安裝架設(shè)鋼梁，主梁現(xiàn)場焊接為連續(xù)體系；(2)拆除臨時支墩，澆筑正彎矩區(qū)橋面板混凝土；(3)養(yǎng)護7 d后，澆筑負彎矩區(qū)橋面板混凝土；(4)橋面鋪裝和附屬設(shè)施施工。

3 荷載及其組合

二期恒載中，橋面鋪裝采用建立實體單元形式，欄桿等采用荷載形式。

車輛荷載根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》［4］，以中腹板為中心，布置三個車道(圖5)。由全橋恒載彎矩圖可知(圖6)，恒載作用下邊跨最大正彎矩位于距邊支點14 m處，中跨最大正彎矩位于中跨跨中處。進行重軸位于邊跨、中跨和中支點負彎矩區(qū)三個位置加載。邊跨加載時，將140 kN輪軸和120 kN輪軸分別加載于距邊支點14 m處；中跨加載時，將140 kN輪軸和120 kN輪軸分別加載于中跨跨中中心線處。中支點負彎矩區(qū)加載時，將120 kN輪軸和140 kN輪軸置于中支點兩側(cè)?？紤]橋面鋪裝的擴散效應，通過建立輪胎塊，將荷載加于輪胎塊的上表面。輪位布置如圖7所示。

圖4 全橋有限元模型

圖5 橫向輪位布置(單位：mm)

圖6 恒載彎矩分布(單位：mm)

進行荷載組合時，考慮恒載組合系數(shù)1.2，車輛荷載組合系數(shù)1.8［4］。包含以下六種加載工況：

(1)恒載；(2)恒載+車輛荷載(120 kN輪軸距邊支點14 m)；(3)恒載+車輛荷載(140 kN輪軸距邊支點14 m)；(4)恒載+車輛荷載(中支點負彎矩區(qū)加載)；(5)恒載+車輛荷載(120 kN輪軸位于中跨跨中)；(6)恒載+車輛荷載(140 kN輪軸位于中跨跨中)。

4 應力計算分析

六種工況作用下，頂板和底板最大拉應力和最大壓應力見表1。

工況一作用下，混凝土頂板橫向和縱向應力見圖8，底板橫向和縱向應力見圖9。

工況六作用下，混凝土頂板應力最大(圖10)。橫向最大拉應力為1.57 MPa，位于重軸中間腹板處；橫向最大壓應力為1.34 MPa，位于重軸加載處。縱向最大拉應力為2.75 MPa，位于中支點處；縱向最大壓應力為5.11 MPa，位于中跨跨中加載處。

工況三作用下，底板橫向正應力最大(圖11)。橫向最大拉應力為34.23 MPa，位于邊支點處；橫向最大壓應力為38.57 MPa，位于邊支點處。工況六作用下，底板縱向正應力最大，縱向最大拉應力為60.45 MPa，位于中跨跨中；縱向最大壓應力為78.95 MPa，位于中支點處。

圖7 縱向輪位布置

5 結(jié)論

采用Midas/Fea軟件建立全橋空間有限元模型，分別計算六種不同工況下的應力，分析頂板、底板不利工況和應力分布，得出如下結(jié)論：

(1)工況六作用下，混凝土頂板應力、鋼頂板應力和底板縱向正應力最大。工況三作用下，底板橫向正應力最大。

(2)混凝土頂板橫向最大拉應力為1.57 MPa，橫向最大壓應力為1.34 MPa；縱向最大拉應力為3.24 MPa，縱向最大壓應力為4.82 MPa。鋼頂板橫向最大拉應力為144.92 MPa，橫向最大壓應力為175.91 MPa；縱向最大拉應力為141.62 MPa，縱向最大壓應力為131.35 MPa。底板橫向最大拉應力為34.23 MPa，橫向最大壓應力為38.57 MPa；縱向最大拉應力為71.74 MPa，縱向最大壓應力為67.09 MPa。

圖8 工況一混凝土頂板應力

圖9 工況一底板應力

圖10 工況六混凝土頂板應力

圖11 底板應力

(3)混凝土頂板橫向最大拉應力位于重軸中間腹板處，最大壓應力位于重軸加載處；縱向最大拉應力位于中支點處，最大壓應力位于重軸加載處。鋼頂板橫向最大應力位于邊支點處，縱向最大拉應力位于中支點外側(cè)，最大壓應力位于邊支點內(nèi)側(cè)。底板橫向最大應力均位于邊支點處，縱向最大拉應力位于中跨跨中，縱向最大壓應力位于中支點處。

表1 應力匯總MPa