鋼板組合連續(xù)梁橋荷載橫向分布影響研究

王思偉,陳雙慶

(1.湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)沙 410075)

(2.湖南文理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，常德 415000)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，橋梁工程建設(shè)進(jìn)一步擴(kuò)大，相關(guān)部委發(fā)布意見(jiàn)指出，中等跨徑的橋梁推薦采用標(biāo)準(zhǔn)化程度高的鋼混組合梁橋.鋼混組合梁橋?qū)⒅饾u成為我國(guó)新建橋梁的重要組成部分，目前我國(guó)鐵路、公路和其它制式橋梁也都開(kāi)始對(duì)鋼混組合梁橋進(jìn)行推廣應(yīng)用[1].為了讓鋼混組合梁橋得到更好地應(yīng)用與推廣，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)組合梁橋結(jié)構(gòu)形式、連接件等進(jìn)行了分析與優(yōu)化[2-5].

鋼板組合梁橋是鋼混組合梁橋主要結(jié)構(gòu)型式之一，在中小跨度橋梁中應(yīng)用最為廣泛.其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)受力傳遞明確、易于加工和施工、結(jié)構(gòu)用料較省等.鋼板組合梁在荷載作用下發(fā)生空間變形，分析其荷載橫向分布情況是研究橫向受力性能分析的關(guān)鍵.文獻(xiàn)[6]以雙工字鋼組合梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用有限元法研究了鋼主梁高度、橋面寬度、鋼板尺寸等對(duì)荷載橫向分布的影響規(guī)律，并基于橫向分布系數(shù)的分析結(jié)果對(duì)橋梁受力情況進(jìn)行對(duì)比.文獻(xiàn)[7]針對(duì)橋?qū)?4 m的鋼板組合簡(jiǎn)支梁橋，采用有限元方法和多種橫向分布系數(shù)數(shù)值分析方法，研究了寬跨比、主梁數(shù)、主梁高度等對(duì)組合梁橋橫向分布的影響，對(duì)比分析了各種計(jì)算方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)橋梁的適用性，并擬合簡(jiǎn)化計(jì)算公式，可用于橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能改善.

多片式鋼板組合梁橋具有結(jié)構(gòu)高度低、景觀(guān)效果好等優(yōu)勢(shì)，可較好地達(dá)到預(yù)制化、裝配化等橋梁建造目標(biāo)，特別適用于城市立交橋、跨線(xiàn)橋等[8].為解決組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)裂縫控制的問(wèn)題，一些橋梁開(kāi)始應(yīng)用新型連接件，如抗拔不抗剪栓釘，其在傳統(tǒng)栓釘?shù)耐獠刻砑拥蛷椖２牧?，使得栓釘可在縱向變形，同時(shí)具有抗掀起作用，抗拔不抗剪栓釘可減少鋼梁與混凝土板之間的組合作用，顯著減小混凝土板受到的拉力作用，達(dá)到控制負(fù)彎矩區(qū)裂縫的目的[9-11].但抗拔不抗剪栓釘對(duì)組合連續(xù)梁橋的橫向分布系數(shù)的影響規(guī)律尚不明確.此外，當(dāng)應(yīng)用抗拔不抗剪栓釘后，橫梁的設(shè)置形式是否對(duì)橋梁正、負(fù)彎矩區(qū)的荷載橫向分布有顯著影響值得探討.

為研究抗拔不抗剪栓釘和橫梁設(shè)置情況對(duì)多片式組合連續(xù)梁橋受力情況的影響，文中以某城市快速路高架橋(30+45+30)m鋼板組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用有限元方法，選取荷載橫向分布系數(shù)作為橫向受力指標(biāo)，分析了影響線(xiàn)豎標(biāo)值，針對(duì)連續(xù)梁橋的邊跨和中跨部分，開(kāi)展了不同栓釘形式和橫梁形式對(duì)其近支點(diǎn)和跨中位置的荷載橫向分布影響，對(duì)比采用了2種栓釘(抗拔不抗剪栓釘、普通栓釘)和3種橫梁設(shè)置形式(滿(mǎn)布橫梁、間斷設(shè)置橫梁、不設(shè)置橫梁).

1 工程概況

以某城市快速路高架橋鋼板組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，該橋的孔跨布置為(30+45+30)m，橋梁在支點(diǎn)處設(shè)有支點(diǎn)橫梁，支點(diǎn)橫梁為工字型鋼，梁高800 mm，翼緣板寬400 mm、厚18 mm，腹板厚14 mm.中橫梁為工字鋼，梁高400 mm，翼緣板寬200 mm、厚10 mm，腹板厚12 mm.邊跨和中跨分別設(shè)有4道和7道中橫梁，標(biāo)準(zhǔn)橫梁間距為6 m，中跨跨中位置的3道橫梁間距加密至4.5 m，如圖1(a).

組合梁橫向布設(shè)8片工字型鋼主梁，鋼主梁梁高1 700 mm，腹板厚度16 mm，翼緣板寬度784 mm，上翼緣板有16 mm和40 mm兩種板厚形式，下翼緣板有18 mm、28 mm和40 mm 3種板厚形式；混凝土橋面板采用C50混凝土，板厚300 mm，鋼結(jié)構(gòu)均采用Q345qD鋼材.鋼主梁橫向間距3 m，車(chē)道布置形式為雙向六車(chē)道，橋梁全寬24 m，如圖1(b).

圖1 鋼板組合連續(xù)梁橋布置(單位：mm)

為探討鋼板組合連續(xù)梁橋典型構(gòu)造形式對(duì)荷載橫向分布的影響，文中針對(duì)不同負(fù)彎矩區(qū)栓釘類(lèi)型以及不同橫梁設(shè)置形式，分析研究了荷載橫向分布的影響規(guī)律，具體工況如表1.普通栓釘和抗拔不抗剪栓釘均采用分布式布置，栓釘長(zhǎng)度均為170 mm，橫向間距均為100 mm，兩者沿跨向間距分別為150 mm和200 mm，橋梁正彎矩區(qū)采用普通栓釘.間斷橫梁指橫梁在橫向間隔設(shè)置，即在圖1中的1#～2#梁和3#～4#梁間設(shè)置橫梁，而在2#～3#梁之間不設(shè)置橫梁，橫斷面以橋梁中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置.

表1 工況列表

2 荷載橫向分布分析方法

按照上節(jié)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用有限元軟件Midas Civil，約束根據(jù)實(shí)際工程支座布置施加，建立橋梁三維空間精細(xì)化有限元模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)40 837個(gè)，單元數(shù)46 116個(gè)，模型如圖2.模型中橫向分布的工字鋼主梁下方均設(shè)有支座，共8排，支座在順橋向則設(shè)置于各跨端部，共4排，共計(jì)32個(gè)支座.所有支座均約束豎向，橫橋向中間兩排支座約束橫向，順橋向第二排支座約束徑向.

圖2 連續(xù)梁橋有限元模型

選取橋梁的近支點(diǎn)斷面和跨中斷面2種典型橫斷面，將1 kN集中力以節(jié)點(diǎn)力的方式依次施加在相應(yīng)橫斷面的節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)分析，獲得荷載作用于斷面不同位置時(shí)各主梁的豎向位移.通過(guò)式(1)計(jì)算影響線(xiàn)豎標(biāo)值:

(1)

式中：ηik為荷載作用在i號(hào)主梁位置時(shí)k號(hào)主梁的分布影響線(xiàn)豎標(biāo)值；yik為荷載作用在i點(diǎn)主梁位置時(shí)k號(hào)主梁的豎向位移.

研究采用豎標(biāo)值，用以代表各主梁分擔(dān)的荷載比例，再連線(xiàn)形成橫向分布影響線(xiàn).根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)進(jìn)行橫向最不利布載，同時(shí)考慮車(chē)道橫向折減，通過(guò)式(2)得到i號(hào)主梁的荷載橫向分布系數(shù)

mi=λ∑ηik/2

(2)

式中：m為荷載橫向分布系數(shù)；λ為橫向車(chē)道布載系數(shù).

3 荷載橫向分布影響因素

由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，1#～4#主梁與另一側(cè)的四片鋼主梁的受力、荷載分布等情況相同，文中僅針對(duì)1#～4#主梁進(jìn)行深入分析和探討.

3.1 影響線(xiàn)豎標(biāo)值對(duì)比

對(duì)于工況1，負(fù)彎矩區(qū)采用抗拔不抗剪栓釘、橫梁滿(mǎn)布時(shí)，近支點(diǎn)位置和跨中位置的分布影響線(xiàn)豎標(biāo)值，如圖3.

圖3 各片主梁橫向分布影響線(xiàn)

由圖3(a)可見(jiàn)，在近支點(diǎn)位置，邊跨和中跨的分布影響線(xiàn)豎標(biāo)值曲線(xiàn)相近，荷載作用于不同位置時(shí)各點(diǎn)的分布影響線(xiàn)豎標(biāo)值相差甚小.當(dāng)荷載的橫向作用位置位于橋梁邊緣時(shí)，各片主梁荷載分布最不均勻，越靠近橋梁橫向中部的主梁承擔(dān)荷載越小.當(dāng)荷載橫向作用位置靠近于橋梁中部時(shí)，分布影響線(xiàn)豎標(biāo)值的變化幅度變小，各片主梁的荷載分布相對(duì)均勻.在近支點(diǎn)位置，主梁分擔(dān)荷載比例達(dá)到40%左右.

對(duì)比圖3(a)和圖3(b)，跨中位置的影響線(xiàn)豎標(biāo)值明顯更小，跨中位置的荷載分布均勻，最大值小于0.25.當(dāng)荷載橫向位置由邊緣向中部移動(dòng)時(shí)，影響線(xiàn)豎標(biāo)值更趨于均勻，最大豎標(biāo)值和最小豎標(biāo)值之間的差異小于0.1.當(dāng)荷載在接近于中部位置時(shí)，豎標(biāo)值分布變化幅度略有增大，最大和最小的差值達(dá)到0.15左右.

3.2 負(fù)彎矩區(qū)栓釘類(lèi)型的影響

為探究負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)的栓釘類(lèi)型對(duì)汽車(chē)荷載橫向分布的影響，對(duì)比抗拔不抗剪栓釘(工況1)和普通栓釘(工況2)2種栓釘設(shè)置方式，分別針對(duì)兩車(chē)道布載和三車(chē)道布載的情況，根據(jù)式(2)得到荷載橫向分布系數(shù)，如圖4.

由圖4(a)可見(jiàn)，2種工況下，在近支點(diǎn)位置，負(fù)彎矩區(qū)栓釘類(lèi)型對(duì)各主梁橫向分布系數(shù)影響不顯著.對(duì)于工況1和工況2，1#和4#主梁的橫向分布系數(shù)均較小，2#主梁的橫向分布系數(shù)最大，邊跨和中跨的最大橫向分布系數(shù)分別為0.359和0.343.當(dāng)連續(xù)梁負(fù)彎矩區(qū)采用抗拔不抗剪栓釘(工況1)時(shí)，各片主梁的荷載橫向分布系數(shù)有一定程度減小，減小幅度約為3%～5%.對(duì)比邊跨和中跨的橫向分布系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，中跨近支點(diǎn)位置的各片主梁的橫向分布系數(shù)明顯更為均勻.

圖4 不同栓釘類(lèi)型的連續(xù)梁橋橫向分布系數(shù)對(duì)比

對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可知，跨中位置各片主梁的橫向分布系數(shù)與近支點(diǎn)位置處的顯著不同，2#和3#主梁的橫向分布系數(shù)較小，1#主梁的橫向分布系數(shù)最大，邊跨和中跨的最大橫向分布系數(shù)分別為0.261和0.246.負(fù)彎矩區(qū)的栓釘形式對(duì)跨中位置各片主梁的橫向分布系數(shù)影響不明顯，當(dāng)采用抗拔不抗剪栓釘時(shí)(工況1)，橫向分布系數(shù)僅略微減小.中跨各片主梁的橫向分布系數(shù)的分布規(guī)律與邊跨相似，但中跨的分布系數(shù)較邊跨小4%～8%.

3.3 橫梁設(shè)置形式的影響

鋼板梁間通常需要設(shè)置橫梁以加強(qiáng)橋梁的橫向穩(wěn)定性.為了探究各片主梁間橫梁的設(shè)置形式對(duì)荷載橫向分布的影響，對(duì)比了滿(mǎn)布橫梁(工況1)、間斷橫梁(工況3)和無(wú)橫梁(工況4)3種橫梁設(shè)置形式，分別針對(duì)兩車(chē)道布載和三車(chē)道布載的情況，得到橫梁不同布置形式時(shí)的荷載橫向分布系數(shù)，如圖5.

圖5 不同橫梁設(shè)置形式的連續(xù)梁橋橫向分布系數(shù)對(duì)比

由圖5(a)可見(jiàn)，3種工況下，在近支點(diǎn)位置，各片主梁間橫梁的設(shè)置形式對(duì)各片主梁橫向分布系數(shù)的影響較大，對(duì)于間斷橫梁設(shè)置(工況3)，各主梁的橫向分布系數(shù)均最小，設(shè)置間斷橫梁有利于各片主梁的荷載均勻分布和整體受力.對(duì)于連續(xù)梁橋的邊跨，不同橫梁設(shè)置形式下1#主梁和3#主梁的橫向分布系數(shù)接近.2#主梁的橫向分布系數(shù)在不設(shè)置橫梁(工況4)時(shí)最大，在設(shè)置間斷橫梁(工況3)時(shí)最小，這兩種工況下橫向分布系數(shù)差異達(dá)到14%.4#主梁的橫向分布系數(shù)則在設(shè)置滿(mǎn)布橫梁時(shí)最大，在設(shè)置間斷橫梁時(shí)最小，兩種情況下橫向分布系數(shù)差異達(dá)到22%.對(duì)于連續(xù)梁橋的中跨，2#主梁和3#主梁的橫向分布系數(shù)對(duì)橫梁的設(shè)置形式較不敏感.1#主梁的橫向分布系數(shù)在不設(shè)橫梁時(shí)最大，4#主梁的橫向分布系數(shù)則在設(shè)置滿(mǎn)布橫梁時(shí)最大，但1#主梁和4#主梁的橫向分布系數(shù)整體相近.

由圖5(b)可見(jiàn)，在跨中位置，橫梁設(shè)置形式對(duì)各片主梁橫向分布系數(shù)的影響規(guī)律基本一致.即設(shè)置滿(mǎn)布橫梁(工況1)時(shí)各片梁的橫向分布系數(shù)均最小，不設(shè)置橫梁(工況4)時(shí)各片梁的橫向分布系數(shù)均最大，但整體上橫向分布系數(shù)的數(shù)值差異較小.

4 結(jié)論

針對(duì)某鋼板組合連續(xù)梁橋，討論了采用抗拔不抗剪栓釘時(shí)橋梁近支點(diǎn)和跨中位置的荷載橫向分布，并對(duì)比了橫梁設(shè)置形式的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 負(fù)彎矩區(qū)采用抗拔不抗剪栓釘、橫梁滿(mǎn)布時(shí)，在跨中位置，2#主梁和3#主梁的橫向分布系數(shù)較小，1#主梁的橫向分布系數(shù)最大，連續(xù)梁橋邊跨與中跨的主梁橫向分布系數(shù)規(guī)律相近，但中跨的分布系數(shù)普遍偏小.

(2) 相比于采用抗剪栓釘，當(dāng)負(fù)彎矩區(qū)采用抗拔不抗剪栓釘時(shí)，橫向分布系數(shù)可減小5%.

(3) 對(duì)比滿(mǎn)布橫梁、間斷橫梁和無(wú)橫梁3種橫梁設(shè)置形式，不同橫梁設(shè)置形式引起橫向分布系數(shù)的變化幅度超過(guò)20%，設(shè)置間斷橫梁時(shí)，各片主梁的橫向分布系數(shù)均為最小.

(4) 采用抗拔不抗剪栓釘或間斷橫梁，可降低荷載橫向分布系數(shù)的最大值，各片主梁均按照受力最大的主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主梁梁高或板厚等可適當(dāng)減小，可提高鋼板組合連續(xù)梁橋建造的經(jīng)濟(jì)性.