曲線鋼-混凝土組合箱梁橋力學性能研究

周游

【摘要：】曲線鋼-混凝土組合箱梁橋充分利用了鋼梁橋和混凝土梁橋等橋型的優(yōu)點，能適應復雜地表結構，可解決城市交通堵塞、空間利用不足等問題。文章采用組合箱梁橋有限元分析模型，在保持跨高比不變的條件下，建立組合箱梁橋三維有限元分析模型，研究在不同組合工況下跨度和曲率半徑對組合箱梁橋反力、彎曲應力、剪應力和跨中撓度的影響，使之更好適用于工程應用。

【關鍵詞：】曲線鋼-混凝土組合箱梁橋;有限元分析;反力;彎曲反力;剪應力;力學性能

U448.21+3A461533

0 引言

曲線鋼-混凝土組合箱梁橋由于具有自重輕、穩(wěn)定性好、施工經(jīng)濟、美觀等優(yōu)點，被廣泛應用于公路立交橋和現(xiàn)代輕軌高架結構中。組合箱梁橋的梁體由鋼梁和混凝土板組成，由于其抗扭剛度較高，使箱梁橋能夠有效抵抗彎曲薄壁梁的扭轉變形，可應用于曲線橋梁體系中[1-3]。組合箱梁橋的橋面板多為現(xiàn)澆構件，可根據(jù)設計需要的線形進行施工，因此組合箱梁橋的幾何形狀和結構形式多變，各種形狀的直橋、斜橋和曲線橋在公路橋梁體系中十分常見[4]。

由于組合箱梁橋在縱向和橫向上具有扭轉、變形和彎曲的三維特性，其分析和設計比較復雜[5-6]。為充分了解曲線組合箱梁橋的結構特性和受力情況，本文對曲線組合箱梁橋進行有限元分析。

1 曲線組合箱梁平面結構分析

1.1 橋梁基本結構

本次研究的曲線組合箱梁橋總寬為8 500 mm，箱梁寬4 500 mm，邊跨寬為2 000 mm，分布如圖1所示。組合箱梁的上部結構為變高截面的單室矩形箱梁，箱梁頂板和底板的寬度分別為12 m和4 m，底板的厚度為32 cm。單室矩形箱梁寬7.5 m，橋面總寬8.5 m。上承板中部厚度為240 mm，腹板厚度為300 mm，端部厚度為200 mm。拱腹板和腹板的厚度均為240 mm?？偪玳L分別為20 m、30 m、40 m，曲率半徑分別為75 m、90 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m?？绺弑榷疾捎?6時，不同跨度所對應的高度如表1所示。

如表2所示給出了本次研究的曲線組合箱梁橋相關材料的性能參數(shù)。

1.2 荷載

典型箱梁橋上部結構所考慮的荷載主要包括三類荷載：（1）恒載（DL），結構自重作為恒載施加在結構上;（2）附加荷載（SIDL），假定磨耗層厚度80 mm，單位重量22 kN/m 施加在結構上的附加荷載為1 760 N/m2;（3）活載（LL），按《橋梁設計荷載規(guī)范》考慮，活荷載的影響系數(shù)如表3所示。

本次研究在有限元分析時對典型箱梁橋的加載采用兩種工況：（1）恒荷載+附加荷載（DL+SIDL）;（2）恒荷載+活荷載+附加荷載（DL+SIDL+LL）。

2 曲線組合箱梁橋的有限元分析

2.1 模擬方法

本文采用改變跨徑和曲率半徑的參數(shù)化研究方法，通過有限元模型，對曲線組合箱梁橋的反作用力、彎曲應力、剪應力和跨中撓度進行分析，以便利用有限元軟件更好地了解曲線組合箱梁橋的受力情況和變形能力。

有限元研究主要包括兩部分內(nèi)容：（1）利用有限元計算程序“ABAQUS”對曲線組合箱梁橋由于曲率半徑和跨度改變引起的反作用力、彎曲應力、剪應力和跨中撓度的變化進行分析;（2）根據(jù)曲線組合箱梁橋在不同跨度處的撓度分布，找出最合適的曲率半徑。

2.2 組合箱梁橋三維模型有限元分析

ABAQUS是一個高度復雜的通用有限元程序，主要用于模擬固體和結構在外荷載作用下的力學行為。本次研究分析了平面上水平彎曲的部分組合箱梁橋，梁為單室箱梁，截面為矩形，橋面板采用混凝土箱梁整體施工。根據(jù)城市橋梁設計荷載規(guī)范，組合箱梁橋在設計時固定端力的作用范圍是桿從固定端開始的兩個橫向尺寸。本文根據(jù)平面單元模型所采用的實際幾何尺寸和材料參數(shù)建立有限元分析模型，考慮恒荷載和預應力的影響，模擬組合箱梁橋在實際工程中的應力情況。使用ABAQUS創(chuàng)建的模型如圖2～4所示。

3 結果分析

本文對跨度為20～40 m、曲率半徑為75 m、90 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m的組合箱梁橋的受力情況進行有限元分析。通過對有限元分析結果的整合，比較了在不同跨度和曲率半徑下以及兩種荷載工況下（DL+SIDL;DL+SIDL+LL），組合箱梁橋的反作用力、彎曲應力、剪應力和跨中撓度的變化情況，如圖5～8所示。

兩種組合工況下，組合箱梁橋的反作用力變化趨勢基本一致，但在恒荷載、活荷載和附加荷載組合作用下的反作用力明顯高于恒荷載和附加荷載的組合作用。由圖5可知，曲率半徑從75 m到150 m時，對于跨度為20 m和跨度為30 m的組合箱梁橋，反作用力隨曲率半徑的增大而減小，隨跨度的減小而減小;曲率半徑從150 m到300 m，曲線坡度平緩，反作用力基本保持不變。對跨度為40 m的組合箱梁，曲率半徑在75 m到300 m的范圍內(nèi)反作用力變化幅度較小，說明對于跨度為40 m的組合箱梁橋，曲率半徑幾乎對組合箱梁橋的反作用力不產(chǎn)生影響。

由圖6、圖7可知，隨組合工況的增加，組合箱梁橋的彎曲應力、剪應力增大。對跨度為20 m和30 m的組合箱梁橋，彎曲應力與曲率半徑成反比例關系，與跨度成正比例關系。隨著跨度的增加，曲線斜率增大，當組合箱橋曲率半徑最大時對應最小的彎曲應力。而對跨度為40 m的組合箱梁橋，彎曲應力幾乎不受曲率半徑的影響。從圖7中可以看出，曲率半徑在75～150 m的范圍內(nèi)，剪切應力隨著曲率半徑的增加而減小并隨跨度的減小而減小;曲率半徑>150 m后，隨曲率半徑的增加，剪切應力的幾乎保持不變。

由圖8可知，對于跨度為40 m的組合箱梁，曲率半徑在75～200 m的范圍內(nèi)，跨中撓度隨曲率半徑的增大而減小，曲率半徑為200 m時跨中撓度最小。但對于跨度為30 m和20 m的組合箱梁，其最小撓度值分別出現(xiàn)在曲率半徑為150 m和100 m時。隨組合工況的增加，附加荷載對組合箱梁橋的曲率半徑無明顯影響。

4 結語

本文采用組合箱梁橋有限元分析模型，在保持組合箱梁橋跨高比不變的情況下，改變跨度和曲率半徑，建立單室矩形組合箱梁橋的三維有限元分析模型，研究跨度和曲率半徑對組合箱梁橋反力、彎曲應力、剪應力和跨中撓度的影響。主要結論如下：

（1）對跨度為20 m和30 m的組合箱梁橋，反作用力與曲率半徑成反比例關系，與跨度成正比例關系，通過增大曲率半徑可獲得最小反作用力。

（2）對于跨度為40 m的組合箱梁橋，在曲率半徑等于200 m時跨中撓度最小，但是對于跨度為30 m和20 m的組合箱梁橋則分別在曲率半徑為150 m和100 m時出現(xiàn)最小撓度值。

（3）對跨度為20 m和30 m的組合箱梁橋，彎曲應力隨曲率半徑的增大而減小。對于跨度為40 m的組合箱梁橋，曲率半徑發(fā)生變化時，彎曲應力基本保持不變。當跨度增大時，建議曲率半徑選取200 m以下，以確保獲得最大抗彎強度。

（4）曲率半徑減小會使對應的剪切應力增加，同時剪應力也隨跨度的增加而增大。對不同跨度的組合箱梁橋，當曲率半徑在150 m以上時，剪切應力分布均勻，不同曲率半徑處基本保持不變。

參考文獻：

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