鋼-混組合梁橋受力分析及養(yǎng)護(hù)維修建議

馬瑞澤

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司蚌埠工務(wù)段，安徽 蚌埠 233000）

關(guān)鍵字：鋼-混組合梁；位移應(yīng)力；承載力

0 引言

鋼-混組合梁橋是通過剪力連接件將鋼結(jié)構(gòu)和混凝土板連接起來的一種復(fù)合式結(jié)構(gòu)?；炷恋目箟盒阅鼙瓤估阅軓?qiáng)，而鋼材抗拉性能比較突出，組合梁充分利用了材料的自身特性。組合梁最早出現(xiàn)在19世紀(jì)末20 世紀(jì)初，由于組合梁具有自重輕、承載力大、噪音小、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，在我國鐵路、公路橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，在交通運(yùn)輸中起到關(guān)鍵作用。然而隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛軸重和運(yùn)行頻率的增加，加之后期對組合梁檢查保養(yǎng)維修不到位，導(dǎo)致組合梁出現(xiàn)各種病害。如：鋼箱梁裂縫銹蝕、栓釘銹蝕、混凝土板裂縫，承載力不足等主要病害，本文通過有限元模型分析研究組合梁鋼筋生銹和橫隔板裂縫對組合梁強(qiáng)度、剛度穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合實(shí)際對組合梁橋檢養(yǎng)修提出建議。

1 模型模擬

通過建立有限元ANSYS 模型來模擬生銹的鋼-混組合梁，在三種荷載工況下（1t、2t、4t）計(jì)算其鋼板生銹和橫隔板裂縫對組合梁受力性能的影響。

1.1 模型尺寸

模型中的鋼-混凝土簡支直線組合梁，直線總長6.2 m，一端設(shè)固定鉸支座，另一端設(shè)活動鉸支座，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為6m。結(jié)合梁截面為單箱單室，隔板厚度為6 mm，結(jié)合梁高度為270mm，其中混凝土板厚度為70mm，寬度為700mm。鋼材的型號為Q235，混凝土等級為C30，板內(nèi)縱向鋼筋和箍筋均為φ6圓鋼。鋼梁與混凝土板之間采用栓釘進(jìn)行連接，栓釘直徑為13mm，每個鋼梁腹板上方設(shè)1 列，共35 個，屬于完全連接。

1.2 鋼-混組合梁的模擬

1.2.1 鋼箱梁和混凝土板模擬

在有限元模型中，組合梁中的鋼梁和橫隔板均采用板單元SHELL43 模擬，混凝土采用實(shí)體單元SOLID65模擬。

1.2.2 鋼梁和混凝土之間的栓釘模擬

鋼梁和混凝土之間的栓釘連接件采用彈簧單元COMBIN39 進(jìn)行模擬，采用豎向耦合的方法來模擬鋼板上翼緣和混凝土之間無豎向位移，建立1 個橫向和1 個縱向彈簧來模擬栓釘，兩個彈簧的屬性分別設(shè)置為：KEYOPT(3)=1 和KEYOPT(3)=3。其栓釘連接件的剪力-滑移規(guī)律可按公式（1）定義：

1.3 生銹鋼箱梁和栓釘模擬

1.4 隔板和腹板裂縫模擬

隔板和腹板裂縫用生死單元進(jìn)行模擬，隔板工況分三類。

工況一：兩隔板，即只有支座處有橫隔板。

工況二：三隔板，即支座處有橫隔板，跨中有橫隔板。

工況三：五隔板，在工況二的基礎(chǔ)上分別在支座處隔板和中間隔板之間等距加一個隔板。

2 數(shù)值分析

鋼箱梁底部中心線沿跨度方向建立路徑1，提取路徑1 上的豎向位移和主應(yīng)力。在鋼梁上翼緣中間沿跨度方向建立路徑2，在鋼梁上翼緣與混凝土交界處的混凝土板上建立沿跨度方向的路徑3，分別提取路徑3 和路徑2 的縱向位移差得到滑移曲線。豎向力采取軸重1t、2t、4t加載在跨中腹板正上方混凝土板上。

2.1 位移計(jì)算

2.1.1 栓釘和鋼箱梁銹蝕對組合梁位移的影響

在軸重2t，5 隔板情況下，分別計(jì)算路徑1 豎向位移，箱梁與混凝土板的縱向滑移。

（1）在箱梁不銹蝕，計(jì)算栓釘無銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%的位移。

通過圖1 可以發(fā)現(xiàn)，縱向滑移在0～1/4L（L 為標(biāo)準(zhǔn)跨徑）滑移增大，1/4L 出現(xiàn)最大值，在1/4L ～1/2L滑移值減小為0，曲線在0～1/2L 之間與L1/2～L 之間關(guān)于跨中對稱，在1/2L 處曲線斜率最大，在1/4L、3/8L曲線斜率為0，可知在1/4L、3/8L處縱向剪力最大，在1/2L處剪力變化最快，所以在日常檢查中重點(diǎn)檢查1/4L、L1/2、3/8L 跨徑處的栓釘狀態(tài)。栓釘銹蝕越嚴(yán)重，縱向滑移絕對值越大；縱向位移在銹蝕15%～20%區(qū)段明顯比10%～15%區(qū)段變化快，說明銹蝕越嚴(yán)重滑移值的變化越大。

圖1 栓釘銹蝕時縱向滑移

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，豎向位移在從0～L 先減小后增大，變化形式近似拋物線，在跨中位移最大，栓釘?shù)妮S力也就最大，在日常檢查中1/2L處栓釘也是重點(diǎn)檢查項(xiàng)目。栓釘銹蝕越嚴(yán)重豎向位移越大。

圖2 栓釘銹蝕時豎向位移

（2）在栓釘不銹蝕時，計(jì)算鋼箱梁無銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%的位移。

通過圖3 可以發(fā)現(xiàn)，鋼箱梁生銹時縱向滑移從0～L 與栓釘生銹相似，在1/4L、3/8L 最大，在1/2L 為0。鋼板越生銹縱向滑移越大，但現(xiàn)象不明顯。

圖3 鋼箱梁銹蝕對縱向滑移影響曲線

通過圖4可以發(fā)現(xiàn)，豎向位移在從0～L 先減小后增大，變化形式近似拋物線，在跨中位移最大，栓釘?shù)陌瘟σ簿妥畲?。鋼板銹蝕越嚴(yán)重豎向位移越大，豎向位移變化也就越快。

圖4 鋼箱梁銹蝕對豎向位移影響曲線

2.1.2 隔板數(shù)量對組合梁位移的影響

在軸重2t 下，隔板數(shù)目分別為2、3、5，計(jì)算鋼板和栓釘同時無銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%的位移。

從圖5、圖6 可以看出，隔板數(shù)目對縱向滑移和豎向位移影響不明顯，栓釘和鋼板生銹越嚴(yán)重組合梁的縱向滑移和豎向位移越明顯。

圖5 2t時1/4L處縱向滑移

圖6 2t時1/2L梁低處豎向位移

2.1.3 軸重對組合梁位移的影響

在軸重分別為1t、2t、4t，隔板數(shù)目為5 的情況下，計(jì)算鋼板和栓釘同時無銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%的位移。

從圖7 可以看出，在5 隔板情況下，在無銹蝕時縱向滑移隨著重載增大而線性增大，當(dāng)生銹程度達(dá)到20%時，縱向滑移隨著重載增大靠近指數(shù)形式增大，說明隨著生銹程度的增加縱向滑移從線性逐漸轉(zhuǎn)為非線性，并且滑移量逐漸增大，如果生銹得不到遏制，栓釘受到的剪應(yīng)力逐漸增大，可能會剪斷栓釘，從而破壞結(jié)構(gòu)，所以要在日常檢查中認(rèn)真檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時遏制。

圖7 當(dāng)5隔板時1/4L處縱向滑移

從圖8 可以看出，豎向位移隨著軸重的增大以線性增加，生銹越嚴(yán)重，逐步由直線轉(zhuǎn)變成曲線增大。說明鋼箱梁在生銹輕微時處在彈性狀態(tài)，但隨著生銹程度的增加，逐步由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑椥?。所以對鋼梁的日常保養(yǎng)顯得尤為重要。

圖8 當(dāng)5隔板時1/2L梁低處豎向位移

2.2 梁底主應(yīng)力計(jì)算

計(jì)算時軸重分別為1t、2t、4t，隔板數(shù)為5，計(jì)算栓釘和鋼板同時無銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%時鋼梁底部主應(yīng)力，見圖9、圖10。

圖9 重載2t隔板5情況下鋼箱梁底部主應(yīng)力

圖10 在隔板數(shù)5不同生銹情況下鋼箱梁底部1/2L處主應(yīng)力

從圖中可以發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力在梁端最小，跨中最大，但在隔板處有突變，生銹越嚴(yán)重主應(yīng)力越大，主應(yīng)力值變化越大。主應(yīng)力隨著軸重增大以直線增大。

3 結(jié)論與檢養(yǎng)修建議

荷載作用在跨中時，縱向滑移在0～1/4L（L為標(biāo)準(zhǔn)跨徑）滑移增大，在1/4L ～1/2L 滑移值減小為0，在1/2L～L之間與1/2L～0之間曲線變化相同但方向相反，在1/2L 處曲線斜率最大，在1/4L、3/8L 曲線斜率為0；豎向位移在從0～L 先減小后增大，變化形式近似拋物線，在跨中位移最大。主應(yīng)力在梁端最小，跨中最大。主應(yīng)力隨著軸重增大以直線形式增大。

3.1 剪力連接件生銹問題

生銹越嚴(yán)重位移、應(yīng)力變化越快，栓釘由彈性變形轉(zhuǎn)化成非彈性變形，然后逐漸達(dá)到屈服狀態(tài)。在1/4L、3/8L 栓釘受到的剪力最大，1/2L 處的栓釘軸力最大且剪力變化最快，軸重越大，以上現(xiàn)象越明顯。因此在日常檢查中重點(diǎn)對1/4L、1/2L、3/8L 處栓釘進(jìn)行檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土和鋼梁有錯位，說明剪力件受到縱向較大剪力，這時需要鑿除栓釘處混凝土板，重新焊接栓釘，連接鋼筋，澆筑混凝土板，否則組合梁將演化成無連接結(jié)合梁，豎向剛度和梁體使用壽命大幅降低。

3.2 鋼箱梁和橫向連接的生銹、裂縫問題

鋼箱梁在生銹輕微時處在彈性狀態(tài)，但隨著生銹程度的增加，逐步由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑椥裕桓舭鍞?shù)目對縱向滑移和豎向位移影響不明顯，橫線連接主要加強(qiáng)組合梁的橫向剛度，增加組合梁的整體穩(wěn)定性。在日常檢查中重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)生銹及時除銹保養(yǎng)，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行防腐處理；裂縫在日常的檢查中也是重點(diǎn)，可分別通過目測法、硝酸酒精侵蝕法、著色探傷法、儀器探測法等檢測裂縫，一旦發(fā)現(xiàn)裂縫及時記錄，并詳細(xì)記錄裂縫發(fā)生處鋼材質(zhì)量、焊接狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)、銹蝕狀況和疲勞狀況，定期檢查，并作比較[4]，最后利用合理的方法處理裂縫。

3.3 混凝土板裂縫問題

由于混凝土長期受到車輛反復(fù)荷載、外部環(huán)境侵蝕、受力不均、偏心荷載等原因?qū)е禄炷脸霈F(xiàn)裂縫；當(dāng)裂縫較小時可以采取封閉處理的方法：（1）涂抹環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封閉；（2）用工具沿裂縫裸露面鋸鑿，使縫擴(kuò)大成槽形豁口后，然后用各種黏結(jié)材料進(jìn)行填充封閉；（3）用注射環(huán)氧樹脂膠液并加配鋼筋加固；（4）粘貼鋼板或碳纖維布修補(bǔ)。

3.4 承載力不足的問題

由于組合梁使用時間較長，車輛軸重大，速度快，鋼件生銹，混凝土受到外部環(huán)境侵蝕等原因?qū)е陆M合梁承載力不足?？梢酝ㄟ^體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)使原橋承載力增加，也可以在鋼梁底部或腹板處粘貼碳纖維片材，這種材料憑借強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)、抗疲勞性能強(qiáng)等優(yōu)勢在國外應(yīng)用廣泛。

4 結(jié)語

綜上所述，本文對鋼-混組合梁橋受力情況進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修建議。橋梁養(yǎng)護(hù)工作十分重要，養(yǎng)護(hù)人員在對組合梁的日常檢查養(yǎng)修中不能粗心大意，發(fā)現(xiàn)問題要及時采取措施，從而保證橋梁耐久度，確保交通安全。