腹板結(jié)構(gòu)對(duì)鋼-混凝土組合梁橋穩(wěn)定性能的影響研究

陸振盛

【摘要：】文章以某分幅式鋼-混凝土組合梁橋?yàn)檠芯勘尘埃ㄟ^(guò)采用ANSYS有限元軟件建立全橋?qū)嶓w數(shù)值模型，系統(tǒng)研究了腹板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)鋼-混凝土組合梁橋穩(wěn)定性能的影響，得出以下結(jié)論：（1）鋼-混組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)隨著腹板高厚比的增大而逐漸減小，減小腹板的高厚比能提升橋梁的極限承載能力，腹板高厚比取110～120能兼具腹板穩(wěn)定和防止翼緣板失穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn);（2）隨著豎向腹板加勁肋厚度的增大，鋼-混組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)呈小幅度逐漸增大趨勢(shì)，考慮到實(shí)際施工中加勁肋厚度應(yīng)該與其翼緣板、腹板等構(gòu)件相互匹配，故建議取值為1.2～1.6 cm;（3）隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小，密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而稀疏布置加勁肋會(huì)略微削弱橋梁的穩(wěn)定性能，鋼-混組合梁橋采用2.5 m的加勁肋間距即可滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞：】鋼-混凝土組合梁橋;腹板高厚比;加勁肋厚度;加勁肋間距;穩(wěn)定性能

U448.21+6A491633

0 引言

由于鋼-混凝土組合梁橋具有自重輕、施工方便、經(jīng)濟(jì)美觀及可工廠預(yù)制等特點(diǎn)，在我國(guó)的橋梁工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨著我國(guó)大力推廣橋梁工業(yè)化建造技術(shù)，組合梁橋由多主梁形式逐漸發(fā)展到少主梁及簡(jiǎn)化加勁肋的形式，如雙工字鋼-混凝土組合梁橋即為現(xiàn)階段中小跨徑橋梁的熱點(diǎn)橋型之一[3-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在鋼-混組合梁橋方面進(jìn)行了大量研究，如冀偉等[5]推導(dǎo)了長(zhǎng)期荷載作用下鋼-混組合梁的撓度計(jì)算公式，并通過(guò)實(shí)測(cè)值和有限元值驗(yàn)證了公式的可靠性;長(zhǎng)沙理工大學(xué)的郭超[6]以?xún)煽邕B續(xù)鋼-混凝土組合梁為研究背景，通過(guò)采用ANSYS有限元軟件建立實(shí)橋模型，探討了連續(xù)組合梁的各組成部分對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變的影響，并進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)提出了合理優(yōu)化的相關(guān)建議;鄧青兒等[7]以上海杭申線某改建橋梁為例，針對(duì)老舊橋梁改建工程中大跨徑鋼-混凝土組合梁的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)研究;朱勁松等[8]以官?gòu)d水庫(kù)特大橋?yàn)檠芯勘尘?，探討了不同吊裝方案情形下鋼-混凝土組合梁懸索橋的顫振穩(wěn)定性能，并提出針對(duì)性的控制措施。由上述研究可知，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于雙工字鋼-混凝土組合梁橋方面的研究比較缺乏?；诖耍疚囊阅撤址戒?混凝土組合梁橋?yàn)檠芯勘尘?，通過(guò)采用ANSYS有限元軟件建立全橋?qū)嶓w數(shù)值模型，針對(duì)不同腹板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的鋼-混凝土組合梁橋進(jìn)行穩(wěn)定性能數(shù)值分析，研究結(jié)果可為同類(lèi)橋梁工程的設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 工程背景

某分幅式連續(xù)梁橋跨徑布置為4×40 m，橋梁?jiǎn)畏鶎挾葹?3.5 m，主梁采用雙工字鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)。該橋鋼主梁梁高為1.8 m，腹板厚度為1.6～2.0 cm，上下翼緣板寬度分別為80 cm、96 cm，上翼緣板厚3.4 cm，下翼緣板厚2～5 cm。兩根鋼梁間采用每隔8 m設(shè)置1道的工字形對(duì)稱(chēng)截面橫梁進(jìn)行連接，其中跨間處小橫梁的高度及其翼緣板的寬度均為40 cm，翼緣板厚度為1.3 cm，腹板厚度為2.1 cm;中支點(diǎn)處中橫梁和邊支點(diǎn)處端橫梁的梁高均為80 cm，翼緣板的寬、厚分別為70 cm和1.6 cm，腹板厚度為2.0 cm。腹板設(shè)有2.8 cm、3.5 cm寬的縱向加勁肋，其中除中橫梁、端橫梁處的厚度為1.6 cm外，其他位置厚度均為1.3 cm。橋面板均采用C50強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，鋼主梁等所有鋼構(gòu)件均采用Q345鋼。鋼-混組合梁的橫斷面布置如圖1所示。

2 模型建立

通過(guò)采用ANSYS有限元軟件建立鋼-混組合梁實(shí)橋三維模型，其中鋼主梁和混凝土分別采用Shlle43單元、Solid45單元進(jìn)行模擬，全橋有限元計(jì)算模型如圖2所示。模擬過(guò)程中將一根鋼主梁的一端進(jìn)行固定約束，其他則采取橫、豎向位移約束;另一根鋼主梁的一端用橫、豎向位移進(jìn)行約束，其他則僅采取豎向位移約束。計(jì)算荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、車(chē)輛偏載以及風(fēng)荷載。模型中混凝土和鋼材計(jì)算參數(shù)取值如表1所示。

3 鋼-混組合梁橋穩(wěn)定性能分析

3.1 腹板高厚比

為了探討不同腹板高厚比對(duì)鋼-混組合梁橋穩(wěn)定性能的影響，本文基于原橋三維實(shí)體有限元模型，在保證主梁截面剛度不變的情況下，分別擬定了80、90、100、110、125、150六種腹板高厚比，并針對(duì)該鋼-混組合梁橋在組合階段、非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)展開(kāi)有限元數(shù)值分析，分別得到其彈性穩(wěn)定系數(shù)與失穩(wěn)位置的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在組合階段和非組合階段下，鋼-混組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)隨著腹板高厚比的增大均呈逐漸減小變化趨勢(shì)。其中，當(dāng)腹板高厚比<90時(shí)，組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)降幅都較為明顯。在組合階段下，不同腹板高厚比的失穩(wěn)均發(fā)生于腹板位置，說(shuō)明組合梁橋的橋面板與鋼梁上緣翼板之間起到了良好的連接作用;在非組合階段下，腹板高厚比<100時(shí)的失穩(wěn)均發(fā)生于翼緣板位置，而其余腹板高厚比時(shí)的失穩(wěn)則均同樣發(fā)生于腹板位置。綜上所述可知，當(dāng)腹板高厚比取值<90時(shí)，橋梁的極限承載能力表現(xiàn)優(yōu)異;當(dāng)腹板高厚比取值在100～125時(shí)，既可保證腹板的穩(wěn)定性，還能防止受壓翼緣板發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.2 腹板加勁肋厚度

以原橋有限元數(shù)值模型為基礎(chǔ)，擬定了0.8 cm、1.2 cm、1.6 cm、2.0 cm四種腹板豎向加勁肋厚度，針對(duì)不同加勁肋厚度的鋼-混組合梁橋進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值分析，得到其在組合階段與非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。

根據(jù)圖3與有限元計(jì)算結(jié)果可知，鋼-混組合梁橋在組合階段、非組合階段的失穩(wěn)狀態(tài)分別表現(xiàn)為跨中翼緣板屈曲和近支點(diǎn)處腹板屈曲。隨著腹板加勁肋厚度的增大，不同階段的組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)均逐漸增大，但其增幅均不明顯，說(shuō)明鋼-混組合梁橋的穩(wěn)定性受腹板豎向加勁肋厚度的影響較小，但考慮到實(shí)際工程施工中加勁肋的厚度應(yīng)該與其翼緣板、腹板等構(gòu)件相互匹配，故在一般情況下加勁肋的厚度取值建議為1.2～1.6 cm。

3.3 腹板加勁肋間距

以原橋有限元數(shù)值模型為基礎(chǔ)，在保證其余參數(shù)不變的情況下，擬定了0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m八種腹板加勁肋間距，針對(duì)不同加勁肋間距的鋼-混組合梁橋展開(kāi)穩(wěn)定性分析，分別得到其在組合階段和非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋在組合階段和非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)均逐漸減小。其中，當(dāng)腹板加勁肋間距由0.5 m增至1.0 m時(shí)，組合階段和非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)分別減小了3.85、5.16，此時(shí)組合梁橋的穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)明顯的降低;當(dāng)腹板加勁肋間距由1.0 m增至2.5 m時(shí)，兩階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)分別減小了3.12、2.4，此時(shí)組合梁橋的穩(wěn)定系數(shù)降幅出現(xiàn)明顯減小;而當(dāng)腹板加勁肋間距由2.5 m增至4.0 m時(shí)，彈性穩(wěn)定系數(shù)分別僅減小了0.43、0.48，此時(shí)組合梁橋的穩(wěn)定系數(shù)逐漸趨向于未設(shè)置腹板豎向加勁肋。綜合以上可知，在腹板豎向加勁肋間距較小時(shí)，即密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而在腹板豎向加勁肋間距較大時(shí)，即稀疏布置加勁肋會(huì)略微削弱橋梁的穩(wěn)定性能，但對(duì)于鋼-混組合梁橋，一般采用2.5 m的腹板加勁肋間距即可滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）鋼-混組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)隨著腹板高厚比的增大均呈逐漸減小變化趨勢(shì)。通過(guò)減小腹板的高厚比能提升橋梁的極限承載能力，腹板高厚比取值在100～125時(shí)，既可保證腹板的穩(wěn)定性，還能防止受壓翼緣板發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

（2）隨著豎向腹板加勁肋厚度的增大，不同階段的組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)均逐漸增大，但其增幅均不明顯?？紤]到實(shí)際施工中加勁肋厚度應(yīng)該與其翼緣板、腹板等構(gòu)件相互匹配，故一般情況下加勁肋的厚度取值建議為1.2～1.6 cm。

（3）隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋在組合階段和非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)均逐漸減小，密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而稀疏布置加勁肋會(huì)略微削弱橋梁的穩(wěn)定性能，但鋼-混組合梁橋一般采用2.5 m的腹板加勁肋間距即可滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

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