基于梁格法的組合梁斜拉橋力學(xué)性能研究

陳 亮， 張 龍， 盧江波， 唐盛華

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200; 2.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 湘潭 411105)

0 引言

某雙塔雙索面鋼混組合梁斜拉橋跨徑布置為105 m+220 m+105 m，總體布置如圖1所示。主梁為鋼混組合梁，全橋斷面共設(shè)置2片主縱梁(Q370qD鋼材)、3片小縱梁，主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。橋面采用C55預(yù)制橋面板+C55補(bǔ)償收縮混凝土縱橫向濕接縫，通過剪力釘與鋼梁形成鋼混組合體系，主梁全寬27.3 m，工字鋼梁高2.8 m，兩“工”字鋼縱梁肋間距26.4 m。塔柱采用鉆石型塔，高76 m，主跨及邊跨側(cè)均設(shè)置9對(duì)斜拉索，主跨斜拉索梁上標(biāo)準(zhǔn)索距10.8 m，邊跨錨索間距7.2 m，斜拉索標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa，鋼絞線體系，過渡墩采用柱式墩，塔柱及橋墩采用承臺(tái)接群樁基礎(chǔ)。

目前計(jì)算組合梁斜拉橋預(yù)應(yīng)力橋面板或采用建立實(shí)體有限元整體模型，或采用建立橋面板局部模型進(jìn)行分析，前者不便于應(yīng)用現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算且混凝土的收縮徐變特性較難考慮，后者不能綜合考慮混凝土收縮徐變特性、橋面板預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、主梁的溫度梯度、車輛荷載與斜拉索索力等因素的影響。本文提出一種將組合梁斜拉橋預(yù)應(yīng)力橋面板梁格化的方法，不僅可以對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行計(jì)算，還能較為有效地對(duì)預(yù)應(yīng)力橋面板進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 鋼混組合梁斜拉橋總體布置圖(單位： cm)

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位： cm)

1 計(jì)算模型建立

1.1 有限元模型建立

為研究鋼混組合梁預(yù)應(yīng)力橋面板的受力特性，采用Midas Civil有限元軟件建立該橋空間有限元模型(見圖3)。采用雙主梁模式進(jìn)行建模，并考慮縱坡，主梁鋼結(jié)構(gòu)部分分為2道主縱梁和3道小縱梁，每隔3.6 m設(shè)置一道鋼橫梁；橋面板部分則按梁格法進(jìn)行縱橫向劃分，橫向設(shè)虛擬橫梁，橋面板縱向預(yù)應(yīng)力則直接加于橋面板縱向梁格中，斜拉索采用桁架單元模擬，橋塔采用梁?jiǎn)卧M。全橋共離散成15 926個(gè)單元。

圖3 鋼混組合梁有限元計(jì)算模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

1.2.1永久作用

結(jié)構(gòu)自重+梁端壓重+橋面二期鋪裝+橋面板預(yù)應(yīng)力+支座沉降(考慮2 cm)+收縮徐變。

1.2.2可變作用

1) 體系溫差：整體升降溫20 ℃。

2) 主梁、主塔局部溫差：拉索與主梁、索塔溫差取10 ℃，索塔左右側(cè)面溫差取5 ℃，帶混凝土橋面板的鋼結(jié)構(gòu)局部溫差按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)取值，混凝土橋面板與鋼結(jié)構(gòu)溫差10 ℃。

3) 汽車荷載和人群荷載：汽車荷載為公路-I級(jí)，按4車道計(jì)算，考慮多車道折減，按照最不利組合，整體計(jì)算采用車道荷載，橋面板局部計(jì)算采用車輛荷載；人群荷載按規(guī)范取值。

4) 沖擊力：根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)計(jì)算出沖擊系數(shù)，結(jié)構(gòu)基頻采用Midas計(jì)算。

1.2.3施工階段劃分

共劃分9個(gè)施工階段，如表1所示。

表1 施工階段劃分階段編號(hào)施工內(nèi)容1主塔施工2滿堂支架上施工鋼主梁、小縱梁3施工預(yù)制橋面板4澆筑橋面板濕接縫5張拉橋面板預(yù)應(yīng)力6上梁端壓重7張拉斜拉索8二期恒載9考慮3 650 d收縮徐變

1.2.4荷載組合

荷載(作用)考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、汽車荷載、人群荷載、溫度效應(yīng)(體系溫差和局部溫差)、收縮徐變等。荷載(作用)按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)第4.1節(jié)規(guī)定進(jìn)行組合。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 鋼主梁計(jì)算結(jié)果

2.1.1成橋狀態(tài)應(yīng)力

成橋狀態(tài)下，鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力為136.9 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為116.0 MPa(橋塔位置)，應(yīng)力狀態(tài)如圖4所示，成橋狀態(tài)應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

a)上緣應(yīng)力

b)下緣應(yīng)力

2.1.2基本組合應(yīng)力

基本組合下，鋼主梁上緣最大壓應(yīng)力為177.9 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為181.8 MPa(橋塔位置)，應(yīng)力狀態(tài)如圖5所示，基本組合下應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

a)上緣應(yīng)力

b)下緣應(yīng)力

2.1.3撓度驗(yàn)算

鋼主梁活載變形見圖6。鋼主梁在活載作用下(汽車+人群)最大向上豎向位移為60.6 mm(邊跨跨中附近)，最大向下豎向位移為159.0 mm(中跨跨中位置)。根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D65-01—2007)第4.4條規(guī)定，主梁在車道荷載(不計(jì)沖擊力)作用下的最大豎向撓度，對(duì)于鋼梁、鋼組合梁和混合梁在主孔采用鋼梁時(shí)應(yīng)不大于L/400(L為主跨跨徑)，即220 000 / 400=550 mm，故鋼主梁活載作用下?lián)隙葷M足規(guī)范要求。

2.2 橋面板計(jì)算結(jié)果

2.2.1正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

1) 正截面抗裂：如圖7所示，按A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，短期效應(yīng)組合下，橋面板上緣最小壓應(yīng)力為-2.8 MPa，下緣最小壓應(yīng)力為-0.37 MPa，滿足規(guī)范小于0.7ftk=1.92 MPa的要求。

a)最大向上豎向位移

b)最小大向下豎向位移

2) 斜截面抗裂：如圖8所示，短期組合作用下，截面主拉應(yīng)力最大值為0.08 MPa，滿足規(guī)范小于0.7ftk=1.92 MPa的要求。

3) 正截面壓應(yīng)力：如圖9所示，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，上緣最大壓應(yīng)力-12.9 MPa，下緣-10.7 MPa，滿足規(guī)范小于0.5fck=-17.75 MPa的要求。

4) 主壓應(yīng)力：如圖10所示，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，截面主壓應(yīng)力最大應(yīng)力為12.9 MPa，滿足規(guī)范小于0.6fck=-21.3 MPa的要求。

a)上緣應(yīng)力

b)下緣應(yīng)力

圖8 橋面板斜截面抗裂

a)上緣應(yīng)力

b)下緣應(yīng)力

圖10 橋面板主壓應(yīng)力

2.2.2承載能力驗(yàn)算

基本組合作用下，截面的承載能力驗(yàn)算結(jié)果如圖11所示，所有橋面板的效應(yīng)值均在承載能力允許值內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

圖11 橋面板承載能力驗(yàn)算

2.2.3斜拉索計(jì)算結(jié)果

斜拉索施工及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)索力如表2所示，可以看出，施工階段及運(yùn)營(yíng)階段拉索最大應(yīng)力分別為671、723 MPa，拉索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa，相應(yīng)最小安全系數(shù)分別為2.8、2.6，滿足規(guī)范規(guī)定施工階段不得小于2.0和運(yùn)營(yíng)階段不得小于2.5的要求。

表2 成橋索力拉索編號(hào)施工狀態(tài)運(yùn)營(yíng)階段最大應(yīng)力/MPa安全系數(shù)最大應(yīng)力/MPa安全系數(shù)S1522 3.65643.3S2531 3.55853.2S3562 3.36233.0S4576 3.26362.9S5610 3.06672.8S6655 2.87042.6S7522 3.65663.3S8557 3.36003.1S9593 3.16372.9M1514 3.65553.4M2535 3.55863.2M3576 3.26303.0M4595 3.16482.9M5630 3.06822.7M6671 2.87232.6M7530 3.55743.2M8546 3.45883.2M9560 3.36013.1

3 結(jié)論

鋼混組合梁斜拉橋在工程設(shè)計(jì)中通常難以在桿系有限元模型中考慮預(yù)應(yīng)力橋面板的計(jì)算分析，而單獨(dú)拿出橋面板進(jìn)行計(jì)算或建立實(shí)體有限元整體模型又很難同時(shí)考慮混凝土收縮徐變、橋面板預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、主梁的溫度梯度、車輛荷載以及斜拉索索力等參數(shù)的影響，本文提出將預(yù)應(yīng)力橋面板劃分梁格的方法，可以在整體桿系有限元模型中同時(shí)考慮這些因素的影響，較為精確地得到預(yù)應(yīng)力橋面板的分析計(jì)算結(jié)果，而且該桿系模型可以方便地應(yīng)用現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。以一座跨徑布置105 m+220 m+105 m的雙塔雙索面鋼混組合梁斜拉橋進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明: 基于梁格法的橋面板建模方法能夠有效地分析組合梁橋面板的力學(xué)特性，該橋各部件的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。本文提出的方法可供類似橋梁計(jì)算分析提供參考。