雙工字鋼板-混凝土組合梁橋承托必要性探究

谷莉薇

（山西省交通開發(fā)投資集團有限公司，山西 太原 030006）

當(dāng)雙工字鋼板組合梁橋采用非支撐橫梁時，一般需要設(shè)計承托構(gòu)造，此構(gòu)造不僅可以方便剪力件的布置，更能提升結(jié)構(gòu)的剛度，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本文主要從剛度與強度方面，定量研究承托對鋼板組合梁橋的影響，完善雙工字鋼板組合梁橋的理論體系，促進其更為廣泛地推廣應(yīng)用。

一、有限元模型

（一）承托構(gòu)造

對于雙工字鋼板組合梁，簡單的截面形式使結(jié)構(gòu)具有較弱的抗彎剛度及抗扭剛度，當(dāng)采用非支承橫梁時，往往采用設(shè)計承托的方式來提升結(jié)構(gòu)的剛度，承托主要是為了提高組合梁的高度及加強混凝土與鋼梁連接處的強度。

承托是鋼板組合梁的重要構(gòu)件，對調(diào)節(jié)截面剛度具有重要作用，本文對雙工字鋼板組合梁橋的承托進行了影響性研究。

由《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》可知，承托高度不宜大于混凝土橋面板厚度的1.5倍；承托頂?shù)膶挾炔灰诵∮阡摿荷弦砭墝挾群?.5倍承托高度之和；承托邊至抗剪連接件外側(cè)的距離不得小于40mm；承托外形輪廓應(yīng)在連接件根部起45°角線的界限以外。

圖1 截面圖

（二）研究對象

對于常規(guī)的鋼板組合梁橋，混凝土橋面板厚度一般呈非等厚設(shè)計，除了承托處存在高度差之外，懸臂及跨中區(qū)段的混凝土板厚也不一致，但為了建模方便，忽略此板厚的變化，將混凝土板厚定為220mm，承托處的高度為250mm，伸出寬度250mm。

研究跨徑為30m簡支梁橋，鋼材為Q345，混凝土為C50，混凝土板厚度均采用220mm，橋?qū)挒?m，鋼主梁間距為4m，兩側(cè)懸臂為2m。上下翼緣板采用等尺寸，均為800mm×34mm，翼緣板寬厚比為11.8，翼緣板滿足板件的局部穩(wěn)定構(gòu)造要求，腹板厚度為20mm，采用7片非支承橫梁，橫梁間距為5m，布置在腹板中心位置上，截面如圖1所示，截面相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 截面參數(shù)表

為了探究承托在不同梁高下的影響性，分別分析鋼梁腹板高度為1200mm、1400mm、1600mm、1800mm的結(jié)構(gòu)在有無承托下的結(jié)構(gòu)差異性。

（三）有限元建模

本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS分析，ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。

1.單元選擇

混凝土為C50，抗壓強度設(shè)計值為23.1MPa，峰值壓應(yīng)變?yōu)?.002，極限壓應(yīng)變?yōu)?.0033，混凝土板用SOLID65單元，SOLID65單元為3D加筋混凝土實體單元，用于模擬無筋或加筋的3D實體單元，具有受拉開裂（拉裂）和受壓破壞（壓碎）性能。鋼梁為Q345，強度設(shè)計值為270MPa，鋼梁采用SHELL181單元，SHELL181為4節(jié)點有限應(yīng)變殼單元，適用于模擬薄殼至中等厚度殼單元。

2.本構(gòu)關(guān)系

本文中混凝土材料模型采用hognestad規(guī)定的混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，此關(guān)系也是研究混凝土?xí)r采用較多的本構(gòu)模型，利用五參數(shù)破壞準(zhǔn)則定義混凝土材料的基本參數(shù)。鋼梁應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型，采用雙線性等向強化模型，彈性模量為2.06e5MPa。

3.約束及加載

此模擬中不考慮混凝土與鋼梁之間的滑移，采用節(jié)點耦合的方式處理模型，模型中不考慮混凝土板內(nèi)鋼筋及剪力連接件，網(wǎng)格尺寸為200，采用簡支梁的約束形式，有限元模型圖如圖2所示，模型中施加的荷載為自重、二期、公路Ⅰ級車道荷載。

鋼板容重為78.5kN/m3，混凝土容重為25kN/m3，重力加速度定為9.8N/kg。

圖2 有限元模型圖

二期荷載為考慮5cm瀝青鋪裝層，瀝青容重采用25kN/m3，車道荷載以偏載的方式施加，車道荷載施加到ANSYS的方式為施加車道面荷載及集中荷載的形式。

二、結(jié)果分析

在后處理結(jié)果中，提取的結(jié)果主要有跨中撓度及跨中位置處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，撓度是在荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合下查看，應(yīng)力是在基本組合下查看。

標(biāo)準(zhǔn)組合=1×車道荷載+1×二期荷載+1×自重

基本組合=1.4×車道荷載+1.2×二期荷載+1.2×自重

（一）跨中撓度

在標(biāo)準(zhǔn)組合下提取跨中偏載一側(cè)底部節(jié)點的豎向位移值，如圖3所示。

圖4 應(yīng)力變化圖

從圖3可以看出，有承托雖然相較無承托時結(jié)構(gòu)自重增加，但是由于截面高度的增加，使其截面剛度增加，因此結(jié)構(gòu)在自重下的撓度反而是較小的，因此由于承托部分而增加的自重不會對結(jié)構(gòu)造成不利影響。由標(biāo)準(zhǔn)組合下變形曲線可知，承托對結(jié)構(gòu)的跨中撓度有較大影響，若將結(jié)構(gòu)鋼梁的高跨比定為1/20，則鋼梁高度為1500mm時，結(jié)構(gòu)的跨中撓度可以降低6mm左右，由圖中趨勢可以看出，隨著鋼梁腹板高度的增加，有承托與無承托時的撓度差異逐漸減小，主要原因是梁高越高，截面剛度越大，承托的影響性較弱。

（二）縱向正應(yīng)力

在基本組合下提取出鋼梁與混凝土板的縱向正應(yīng)力如圖4所示。

從圖4-(a)可以看出，混凝土板均是承受壓應(yīng)力作用，承托能降低混凝土板頂?shù)膲簯?yīng)力，提高混凝土板底的壓應(yīng)力，但承托對混凝土板底部應(yīng)力的影響程度明顯大于混凝土板頂部應(yīng)力，除了看出承托的影響之外，還發(fā)現(xiàn)隨著鋼梁腹板高度的增加，混凝土底部應(yīng)力無明顯變化，混凝土底部壓應(yīng)力減小。

從圖4-(b)可以看出，承托對鋼梁頂部應(yīng)力的影響程度大于鋼梁底部應(yīng)力，有承托時的鋼梁頂部應(yīng)力降低20MPa～30MPa，鋼梁底部應(yīng)力降低10MPa左右。當(dāng)鋼梁腹板越高時，承托的影響性也逐漸變?nèi)?，?dāng)腹板高度采用1500mm時，承托能減小約10MPa的應(yīng)力值，針對鋼梁應(yīng)力而言，鋼梁底部應(yīng)力是控制鋼梁強度設(shè)計的關(guān)鍵，此時布置承托對于提升結(jié)構(gòu)剛度、改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力是有必要的。

三、結(jié)語

結(jié)果表明，有承托的雙工字鋼板組合梁較無承托結(jié)構(gòu)的跨中撓度降低約6mm，且隨著鋼梁腹板高度的增大，有承托與無承托時的撓度差異在減小。承托能降低混凝土板頂?shù)膲簯?yīng)力，提高混凝土板底的壓應(yīng)力，有承托時的鋼梁頂部應(yīng)力降低20MPa～30MPa，鋼梁底部應(yīng)力降低10MPa左右，承托對鋼梁應(yīng)力的影響性隨著梁高增加而減弱。有限的梁高范圍內(nèi)，承托能顯著降低鋼梁應(yīng)力，減小跨中撓度，具有優(yōu)異的力學(xué)功能，且承托的存在對混凝土底部與鋼梁的應(yīng)力影響性較高，但是當(dāng)截面高度過大時，承托的影響性減弱，但是雙工字鋼板組合梁的鋼板高度一般取跨徑的1/20，即1500mm，在此高度下板托的布置是有必要的。