鋼混疊合梁加勁板形式研究

張樹清,魏慶慶

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

望東長江大橋主跨638 m，跨徑布置為78 m+228 m+638 m+228 m+78 m雙塔雙索面半漂浮體系PK箱型鋼-混組合梁斜拉橋，如圖1所示。按雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計速度100 km/h，路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度33.5 m，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度33.0 m。主塔結(jié)構(gòu)為鉆石型，主梁采用PK型分離雙箱組合形式，組合梁全寬35.2 m，不設(shè)風(fēng)嘴，梁高3.5 m(組合梁中心線處)，其中鋼梁中心線處梁高3.106～3.226 m。鋼箱底板包括平底板、斜底板、外側(cè)工字鋼底板以及PK箱外橫隔板下翼緣四部分，平底板全寬3 500 mm，設(shè)置支座區(qū)域局部加寬，根據(jù)受力需要在順橋向不同區(qū)段采用16 mm、20 mm、24 mm和28 mm四種板厚，其中標(biāo)準(zhǔn)梁段采用16 mm。平底板與斜底板縱向采用板式加勁肋加勁，平底板加勁基本間距450 mm，斜底板基本間距400 mm，根據(jù)底板厚度不同分別取不同加勁尺寸。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖1 主梁橋型布置圖(單位：m)

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位：m)

2 計算模型

2.1 有限元模型

由于鋼板結(jié)構(gòu)輕質(zhì)薄柔，穩(wěn)定破壞與強(qiáng)度破壞有著同等的重要意義[1,2]。為了防止失穩(wěn)帶來的結(jié)構(gòu)剛度降低而引起的破壞，常用的方法是增加板厚和設(shè)置加勁肋，通常在實際工程中又以更加經(jīng)濟(jì)、有效、輕質(zhì)的后者為主。但是同時，加勁的受壓板件的應(yīng)力分布和破壞機(jī)制相對于無加勁板件要復(fù)雜得多：受壓加勁板件破壞形式和極限承載力受板件本身的長度、寬度、厚度，加勁肋的相對剛度、面積，板件間相互約束等的影響[3]；再加上組裝、架設(shè)中存在的初始變形和焊接加工引起的殘余應(yīng)力對受壓加勁板件的破壞也有著不小的影響，并且這些影響因素又是相互關(guān)聯(lián)，共同作用于加勁構(gòu)件，這使得受壓加勁板件的穩(wěn)定與承載力的計算較為復(fù)雜。為研究加勁板形式對該橋的影響，采用三種不同加勁板形式進(jìn)行比較分析，加勁板形式分別為“I”形、“T”形、“U”形，加勁板形式如圖3所示。

圖3 加勁板型式

采用ANSYS分別建立三種加勁板形式的有限元模型，建模中橋面板混凝土采用體單元模擬，鋼箱采用殼單元模擬，如圖4所示。模型具有對稱性，選取1/2模型進(jìn)行分析計算。材料采用理想彈塑性的本構(gòu)模型[2]，鋼材彈性模量2.1×105MPa，泊松比vs=0.3；混凝土彈性模量3.45×104MPa，泊松比。vs=0.2

圖4 有限元模型

2.2 邊界條件

鋼箱和混凝土板相同位置(剪力釘位置)節(jié)點(diǎn)采用共節(jié)點(diǎn)處理，節(jié)段模型一端固結(jié)約束所有自由度，一端自由釋放所有自由度。按照整體模型計算結(jié)果施加均布軸力、彎矩、剪力等內(nèi)力組合。各斷面上的內(nèi)力(軸力和剪力)都通過截面均布力施加到模型自由端，彎矩則通過延伸一段鋼臂施加力偶實現(xiàn)[4]。模型中順橋向為z向，高度方向為y向，x向為橫橋向由右手定則確定。

3 靜力分析

3.1 計算工況

結(jié)構(gòu)在計算工況內(nèi)力時按照整體計算的最不利工況進(jìn)行分析[5]，軸力以下緣受壓為正，上緣受壓為負(fù)；彎矩以下緣受拉為正，上緣受拉為負(fù)。剪力正負(fù)如圖5所示。

圖5 剪力正負(fù)示意圖

分別確定了結(jié)合處5種工況，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)工況-荷載

工況一：自重+二期橫載；

工況二：自重+橋面鋪裝+活載最大(活載產(chǎn)生的主梁彎矩最大)；

工況三：自重+橋面鋪裝+活載最小(活載產(chǎn)生的主梁彎矩最小)；

工況四：自重+橋面鋪裝+支座沉降(沉降產(chǎn)生的彎矩最大)；

工況五：自重+橋面鋪裝+支座沉降(沉降產(chǎn)生的彎矩最小)。

3.2 計算結(jié)果

分析計算得到鋼混組合梁段處應(yīng)力結(jié)果，見表2～表4。

表2 “I”形加勁板組合梁段最大應(yīng)力

表3 “T”形加勁板組合梁段最大應(yīng)力

表4 “U”形加勁板組合梁段最大應(yīng)力

限于文章篇幅，本文僅列出工況一作用下鋼混結(jié)合段應(yīng)力云圖，如圖6、圖7所示。

圖6 混凝土板應(yīng)力(單位：MPa)

圖7 鋼箱Von Mises應(yīng)力(單位：MPa)

(1)橋面板的受力和變形以軸向受壓為主，由于荷載對稱布置，橋面板的應(yīng)力分布及變形基本呈對稱關(guān)系。

(2)橋面板的主應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6可知，橋面板的主壓應(yīng)力主要分布在鋼混疊合橫隔板布置范圍處，最大主壓應(yīng)力為-8.81 MPa，位于橋面板頂面，應(yīng)力極值相對于材料的許可值還有一定余量。橋面板最大主拉應(yīng)力為3.70 MPa，位于混凝土頂面和鋼塔柱結(jié)合處，主要由順橋向剪切力造成，剪切力在剪力釘處使混凝土頂面節(jié)點(diǎn)和鋼塔柱底面節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生滑移。

(3)鋼箱的Von Mises應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知,鋼箱最大Von Mises應(yīng)力為256.14Pa，Von Mises應(yīng)力極值主要分布在鋼箱底板處。

(4)從表2～表4可以看出，工況三作用下，鋼箱Von Mises應(yīng)力最大，結(jié)構(gòu)在工況三作用下受力最為不利，結(jié)構(gòu)響應(yīng)最為明顯；“T”形加勁板對改善箱梁底板應(yīng)力較“I”形加勁板好，“U”形加勁板在三種模型分析中對改善箱梁底板應(yīng)力狀況最好。鋼箱局部最大應(yīng)力顯示，三種加勁板形式都能很好地起到加勁作用，降低底板應(yīng)力。鑒于鋼箱加工方便性，降低工程造價，該項目設(shè)計采用“I”形加勁板。

4 結(jié)束語

通過對組合梁段進(jìn)行多工況靜力分析，應(yīng)力云圖結(jié)果顯示各方案在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度響應(yīng)方面均表現(xiàn)良好。疊合面接頭在界面最不利內(nèi)力組合各工況下，界面上下未發(fā)生工程精度范圍內(nèi)的滑移，且兩者變形基本協(xié)調(diào)，界面摩擦抗剪有一定儲備。通過理論分析表明鋼混疊合接頭位置板件的局部穩(wěn)定性能滿足要求，板件加勁肋的設(shè)置合理。