全預制快速拼裝鋼-混凝土組合橋梁結構新型連接構造有限元分析

■陳朝慰

（福建船政交通職業(yè)學院，福州 350000）

橋梁作為保障社會生產、 提升經濟的重要支點，在我國取得了較快的發(fā)展。 截至2020 年底，全國建成并投入運營的橋梁數量高達91.28 萬座[1]，位居世界第1。 其中，中、小跨徑橋梁占90%以上[2]，多以鋼筋混凝土橋梁與預應力混凝土橋梁為主。

鋼與混凝土組合梁相較于現場現澆為主的鋼筋混凝土橋梁、 預制普通混凝土T 梁或空心板梁，可以在保證經濟、安全、質量的前提下，使橋梁建設朝著環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展[3]。 鋼與混凝土組合梁是在鋼梁翼緣上方設置栓釘、開孔鋼板等剪力連接件防止上側混凝土橋面板掀起，從而使兩者共同工作的一種結構形式。 組合梁相較于純鋼梁，因混凝土能充分發(fā)揮其抗壓強度從而減少鋼材用量，是一種更為經濟的結構形式， 而與純混凝土梁相比，組合梁能夠有效地減少梁體高度、減輕自重、提高結構的延性和有利于增加橋下凈空，更適用于對橋梁凈空及梁體自重有要求的城市橋梁[4]。

針對目前組合梁橫向連接存在的各種問題[5-6]，課題組提出了一種新型構造[7]，此構造仿照傳統(tǒng)裝配式T 梁形狀，將橋面板與一半橫梁在工廠時就直接預制在鋼梁上方，在施工現場只需采用較短濕接縫及螺栓進行橫向連接。 為減少板厚及施工模板等，新型組合梁橋面板采用鋼混組合板，板下部鋼板在預制階段直接與鋼梁焊接，而板端連接可在吊裝完成后用螺栓相連。 且濕接縫形狀、搭接鋼筋方式與接縫材料以當前試驗與理論研究為基礎，將幾種優(yōu)異構造組合起來使用菱形UHPC 不搭接環(huán)形鋼筋濕接縫構造，具體構造圖見圖1。

圖1 新型組合梁橫向連接橫截面構造

本研究基于此構造對單跨簡支新型鋼混組合梁橋與雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋采用梁格法建立有限元模型進行分析，研究成果不僅對我國的鋼混組合橋梁橫向連接提供依據，也能為連接構造的設計方面提出更加合理、完善的設計標準，具有廣闊的應用前景和良好的經濟社會效益。

1 工程簡介

橋梁結構為兩跨鋼混組合梁橋，橋面總寬度為12 m，標準跨徑為31.2 m，計算跨徑為30 m，雙向三車道，公路I 級，設計時速80 km/h。 上部結構使用鋼板組合梁，混凝土強度為C50，混凝土板寬度為2 m，兩側翼緣的厚度為250 mm，混凝土板厚度為350 mm。 共設置4 道橫隔板，末端橫隔板與中橫隔板的尺寸相同， 每個橫隔板高400 mm、厚12 mm、寬300 mm，相鄰橫隔板之間相隔5 m。 栓釘設置3 排，長度為150 mm，直徑為22 mm，橫向間距為150 mm，縱向間距為150 mm。 工字鋼腹板采用Q345 的C 級鋼材， 高度為1 850 mm、 厚度為20 mm， 工字鋼上翼緣板厚度為20 mm， 寬度為600 mm，下翼緣板厚度為32 mm，寬度為700 mm，采用栓釘連接件與混凝土頂板連接（圖2）。

圖2 橋梁橫斷面設計

2 模型的建立

本研究使用MIDAS 有限元分析軟件并采用梁格法進行三維建模。 梁格模型縱向梁單元中的預制橋面板將作為附加截面并與鋼主梁形成組合截面，縱向梁單元網格劃分約為1.0 m。 每跨設置有多片虛擬橫梁，并將其簡化為整體，且不考慮其質量。 兩層混凝土板假定為完全剛接，鋼主梁與混凝土底層板之間完全協調作用， 交界面處不產生滑移現象。圖3 為單跨簡支新型鋼混組合梁橋有限元模型及成橋邊界，全橋共計210 個節(jié)點，294 個單元，成橋邊界約束在模型中模擬出橋梁支座的實際厚度，采用“剛性連接+彈性連接+固定約束”的形式。圖4 為雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋有限元模型及成橋邊界，全橋共計400 個節(jié)點，588 個單元，成橋邊界約束在模型中模擬出橋梁支座的實際厚度，采用“剛性連接+彈性連接+固定約束”的形式。

圖3 單跨簡支新型鋼混組合梁橋有限元模型及成橋邊界

圖4 雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋有限元模型及成橋邊界

2.1 參數的選取

2.1.1 材料參數的選取

橋梁模型采用C50 混凝土與Q345 鋼材， 材料主要參數見表1。

表1 新型鋼-混組合梁橋材料的主要參數

2.1.2 荷載參數的選取

（1）永久荷載。 第1 階段的永久荷載按結構實際重量施加（C50 混凝土的容重設定為26 kN/m3），第2 階段10 cm 厚瀝青混凝土橋面鋪裝（容重設定為24 kN/m3），單側護欄荷載設定為12 kN/m。（2）移動荷載。 根據相關規(guī)范要求，移動荷載采用公路-I級車道荷載。 （3）溫度荷載。 系統(tǒng)溫度設定為-21℃和+19℃，根據相關規(guī)范要求選取溫度梯度。

2.2 施工過程受力分析

以單跨簡支與雙跨連續(xù)新型鋼-混凝土組合梁橋為分析對象，建立有限元模型，根據施工步驟，分為4 個階段，對其施工全過程進行系統(tǒng)有限元仿真分析。 施工步驟4 個階段具體為：階段1：組合梁吊裝；階段2：鋼梁與橋面板進行橫向連接；階段3：二期橋面鋪裝；階段4：完成結構的收縮徐變，設定時間為10 年。

對單跨簡支新型鋼混組合梁橋、雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋進行施工過程仿真計算，其結構應力與變形結果分別見表2、3。

表2 單跨簡支新型鋼混組合梁橋施工過程結構應力與變形

表3 雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋施工過程結構應力與變形

對單跨簡支與雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋的相同位置施工過程進行對比，可以看出：（1）簡支梁橋與連續(xù)梁橋鋼主梁應力趨勢相同，兩者最大應力大致相同，增量都在階段3，但不同之處在于其支座處鋼梁下緣應力大，增量多，因而連續(xù)梁橋應重點關注其支座處鋼梁應力狀態(tài)，而簡支梁橋則需關注其跨中鋼梁應力。 （2）簡支梁橋與連續(xù)梁橋跨中橋面板應力趨勢相同， 都為先減后增， 最后在階段4再次減少，但是兩者數值相差較大。 連續(xù)梁橋支座處橋面板上緣應力趨勢為先增后減，增量最大階段為階段3， 最大應力與簡支梁橋跨中橋面板上緣相差很小，僅為2.3%左右。 說明雖然簡支梁橋與連續(xù)梁橋橋面板應力最大處不同， 但其應力值相差不大，兩者在混凝土強度選擇上可選擇強度相同的材料以減少混凝土種類，增快施工速度。 （3）簡支梁橋與連續(xù)梁橋跨中撓度增長趨勢相同， 都為持續(xù)增長， 撓度增量最大處為階段3， 但兩者增長速度不同，簡支梁橋跨中撓度增長速度快，最大撓度相比連續(xù)梁橋大136%左右。 說明連續(xù)梁變形能力相比簡支梁橋優(yōu)勢較為明顯，在施工選擇中應以連續(xù)梁橋優(yōu)先。

2.3 承載能力極限狀態(tài)分析

根據相關規(guī)范要求[8]，對單跨簡支與雙跨連續(xù)新型鋼-混凝土組合梁橋進行截面承載能力計算，荷載基本組合采用以下3 種： 第1 種荷載組合：1.4汽車荷載+1.2 永久荷載＋1.0 收縮徐變； 第2 種荷載組合：1.4 汽車荷載＋1.2 永久荷載＋1.05 升溫荷載+1.0 收縮徐變； 第3 種荷載組合：1.2 永久荷載＋1.05 降溫荷載＋1.4 汽車荷載+1.0 收縮徐變。

單跨簡支新型鋼混組合梁橋部分計算結果見圖5～6、表4。

表4 單跨簡支新型鋼混組合梁橋承載能力極限狀態(tài)計算結果

圖5 單跨簡支新型鋼混組合梁橋彎矩包絡圖

圖6 單跨簡支新型鋼混組合梁橋剪力包絡圖

雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋部分計算結果見圖7～8、表5。

表5 雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋承載能力極限狀態(tài)計算結果

圖7 雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋彎矩包絡圖

圖8 雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋剪力包絡圖

由以上結果對比可以得出，在承載能力極限狀態(tài)下， 簡支梁橋最大彎矩大于連續(xù)梁橋最大彎矩38%左右，但其剪力小于連續(xù)梁橋9%左右。 說明連續(xù)梁橋能夠有效的減少結構彎矩，且其剪力相比簡支梁橋也相差不大。

2.4 正常使用極限狀態(tài)分析

根據相關規(guī)范要求[8]，計算單跨簡支與雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋正常使用極限狀態(tài)時，荷載采用標準組合，將汽車荷載的影響計入沖擊系數。 分為以下3 種組合：第1 種荷載組合：汽車荷載＋收縮徐變＋永久荷載；第2 種荷載組合：升溫荷載＋汽車荷載＋收縮徐變+永久荷載；第3 種荷載組合：降溫荷載＋汽車荷載＋收縮徐變+永久荷載。

單跨簡支新型鋼混組合梁橋正常使用極限狀態(tài)下，應力計算結果見表6，混凝土橋面板最大壓應力為5.06 MPa，小于混凝土許用應力22.4 MPa。 鋼主梁最大拉應力為67.51 MPa， 鋼主梁最大壓應力為53.64 MPa， 兩者都小于鋼材的許用應力270 MPa。 鋼主梁和橋面板的應力滿足相關規(guī)范的要求。

表6 正常使用極限狀態(tài)下單跨簡支新型鋼混組合梁橋計算應力

雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋正常使用極限狀態(tài)下，應力計算結果見表7，混凝土橋面板最大壓應力為4.28 MPa，小于混凝土的許用應力22.4 MPa。鋼主梁最大拉應力為70.59 MPa，鋼主梁最大壓應力為46.44 MPa，兩者都小于鋼材的許用應力270 MPa。鋼主梁和橋面板的應力均滿足規(guī)范的要求。

表7 正常使用極限狀態(tài)下雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋計算應力

由以上計算結果對比可以得出，在正常使用極限狀態(tài)下，簡支梁橋鋼主梁最大拉應力小于連續(xù)梁橋4.5%，而橋面簡支梁橋板最大壓應力則大于連續(xù)梁橋橋面板18%，說明連續(xù)梁橋與簡支梁橋在鋼主梁最大應力上相差不大，而連續(xù)梁橋對于橋面板應力則有較大改善。

2.5 變形計算分析

公路-I 級汽車荷載中載和偏載作用下，單跨簡支新型鋼混組合梁橋變形情況分別見圖9、10，中載作用下的最大撓度為8.20 mm， 偏載作用下的最大撓度為11.81 mm，相比下來偏載對結構更不利。 但偏載最大值小于計算跨徑的1/600， 即小于跨徑30 m 的1/600，即50 mm，橋梁剛度滿足相關規(guī)范要求。

圖9 公路-Ⅰ級汽車荷載（中載）下單跨簡支新型鋼混組合梁橋結構變形圖

圖10 公路-Ⅰ級汽車荷載（偏載）下單跨簡支新型鋼混組合梁橋結構變形圖

一級公路汽車荷載作用下雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋變形情況見圖11、12， 偏載最大撓度為6.79 mm，中載最大撓度為5.41 mm，偏載對結構更不利，但偏載最大值小于計算跨徑的1/600，即小于跨徑30 m 的1/600，即50 mm，橋梁剛度滿足相關規(guī)范要求。

圖11 公路-Ⅰ級汽車荷載（中載）下雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋結構變形圖

圖12 公路-Ⅰ級汽車荷載（偏載）下雙跨連續(xù)新型鋼混組合梁橋結構變形圖

由以上結果對比可知，單跨簡支與雙跨連續(xù)新型鋼-混凝土組合梁橋在車輛荷載下的撓度都較小，其中雙跨連續(xù)梁橋偏載與中載撓度都相比單跨簡支梁橋小，最大撓度為6.79 mm，僅為單跨跨度的57.5%，表明其抗變形能力極為優(yōu)異。

3 結論

通過建立單跨簡支梁橋及雙跨連續(xù)梁橋有限元模型， 對新型鋼-混組合梁橋整個施工及運營過程進行了系統(tǒng)仿真分析。 根據計算，單跨簡支梁橋及雙跨連續(xù)梁橋在施工階段和運營階段的最大應力和結構變形都滿足相關規(guī)范要求， 由此表明，橋梁結構設計合理，且與簡支梁橋相比連續(xù)梁橋在各項性能上都更為優(yōu)秀，可用于工程實際。