鋼-混組合梁橋不同模型精度分析研究

肖鵬程

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司城建設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430050)

近些年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入也加大，其中橋梁作為控制性工程建設(shè)越來越多，橋梁建設(shè)壓力越來越大，隨著鋼混組合梁的廣泛應(yīng)用，橋梁建設(shè)壓力得到緩解，尤其是在建設(shè)城市高架橋中應(yīng)用頗多[1～2]。鋼-混組合梁橋是鋼主梁與混凝土橋面板之間通過剪力釘與現(xiàn)澆混凝土耦合形成整體共同受力的一種結(jié)構(gòu)形式，既發(fā)揮了鋼材的抗拉性能，又發(fā)揮了混凝土的抗壓性能，具有兩種材料優(yōu)越的力學(xué)性能且易于施工[3～5]。針對(duì)鋼-混凝土組合梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，采用不同有限元模型分析對(duì)結(jié)構(gòu)施工階段和成橋階段的應(yīng)力以及位移等有很大的差異[6]。目前已有的研究成果大多僅僅采用單一的計(jì)算模型進(jìn)行分析，而對(duì)不同模型的精度以及適用性鮮有研究[7]。為此分別采用組合梁施工聯(lián)合截面和雙主梁?jiǎn)卧獌煞N梁?jiǎn)卧Ｐ?，分析了組合梁精細(xì)模型采用不同模型的計(jì)算差異，對(duì)比了在施工階段和成橋階段的應(yīng)力、撓度等響應(yīng)，從而得到一種更值得推薦的組合梁橋有限元計(jì)算分析方法，為實(shí)際工程提供借鑒。

1 組合梁模擬方法介紹

1.1 組合梁聯(lián)合截面梁?jiǎn)卧?/h3>

組合梁聯(lián)合截面主要是將鋼材與混凝土兩種不同材料之間看成緊密連接形成整體截面，忽略鋼材與混凝土之間的相對(duì)滑動(dòng)，所以在分析組合梁中鋼梁與混凝土橋面板之間局部的滑動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，不能采用這種組合梁聯(lián)合截面模擬方式。在分析組合梁結(jié)構(gòu)時(shí)，首先基于等效剛度原則換算兩種材料截面，然后依據(jù)此按照常規(guī)方法計(jì)算普通截面，對(duì)此進(jìn)行力學(xué)性能分析。采用這種方法可以較為準(zhǔn)確的模擬混凝土橋面板與和鋼箱梁兩種材料之間的連接作用，比較接近于鋼混組合梁結(jié)構(gòu)的受力特性。由于基于等效剛度原則將兩種材料通過換算后等效成全截面，因此忽略了橋面板混凝土單獨(dú)的收縮徐變效應(yīng)。目前常通過折減混凝土的彈性模量的方法來分析橋面板的收縮徐變效益，但此方法計(jì)算誤差較大，不適合精細(xì)化分析橋面板收縮徐變。

1.2 雙主梁?jiǎn)卧?/h3>

雙主梁?jiǎn)卧捶謩e建立橋面板梁?jiǎn)卧弯摿簡(jiǎn)卧?，然后將兩者通過彈性連接的剛接模擬剪力釘?shù)淖饔眠B接主梁。但是橋面板軸線與鋼箱梁軸線在實(shí)際工程中有著一定的距離，而兩種不同單元產(chǎn)生的軸力相對(duì)組合梁軸心會(huì)形成彎矩，因此如果忽略鋼箱梁與橋面板之間的相對(duì)位置，將兩種材料單元看成同一節(jié)點(diǎn)連接的，就會(huì)致使結(jié)構(gòu)計(jì)算分析出現(xiàn)較大的誤差甚至完全錯(cuò)誤?；诖藛栴}，在鋼梁?jiǎn)卧蜆蛎姘鍐卧g采用剛臂單元來連接，剛臂長(zhǎng)度依據(jù)鋼梁與橋面板之間的相對(duì)位置而定。但是此方式模擬組合梁仍舊有著很大的局限性，因?yàn)閯偙酆雎粤藛卧虚g部分的連接，僅僅連接了鋼梁與橋面板單元接近的兩端節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致了單元內(nèi)部的變形不一致，使得組合梁結(jié)構(gòu)力學(xué)特性與實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)有著一定的誤差，所以如果選擇此單元模型分析模擬時(shí)，必須將單元長(zhǎng)度劃分精細(xì)，從而在一定程度上減小誤差。

1.3 梁+板雙單元

梁+板雙單元模型也類似于雙主梁?jiǎn)卧M方式，其中鋼箱梁使用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，橋面板則使用板殼單元進(jìn)行模擬，兩者同樣采用剛臂進(jìn)行連接。這種方法不僅有著雙主梁?jiǎn)卧Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)，而且還運(yùn)用了更加精細(xì)化的板殼單元模擬橋面板，可以比較準(zhǔn)確的反映橋面板剪力滯效應(yīng)、偏載效應(yīng)等空間受力特點(diǎn)，是一種較為準(zhǔn)確的有限元模擬方法。然而在板殼單元中較難考慮鋼筋、預(yù)應(yīng)力荷載等因素，因此這種方法也存在一定的局限性。

2 依托工程概況

由于依托工程為在建項(xiàng)目，故全文用某在建多跨鋼混組合梁橋代替，橋梁全長(zhǎng)為360 m，跨徑組合為4 m×90 m，橋?qū)?7.5 m，雙向四車道。組合梁采用預(yù)制橋面板，橋面板間通過濕接縫聯(lián)系。為控制負(fù)彎矩區(qū)橋面板應(yīng)力，通過支座預(yù)位移削減混凝土應(yīng)力。橋面板采用C50混凝土，鋼梁采用Q355C鋼材。

3 組合梁計(jì)算模型建立

3.1 組合梁聯(lián)合截面單元模型

通過軟件中的施工聯(lián)合截面來模擬橋面板與鋼箱梁的連接作用，通過建立單梁模型來模擬組合梁橋結(jié)構(gòu)，將主梁?jiǎn)卧?xì)劃分為1 m，全模型共包含360個(gè)單元。

3.2 雙主梁?jiǎn)卧Ｐ?/h3>

分別建立橋面板梁?jiǎn)卧弯摿簡(jiǎn)卧?，然后將兩者通過軟件中的剛性連接的剛性進(jìn)行連接。通過有限元軟件進(jìn)行建模時(shí)，可選擇軟件中的截面偏心功能來模擬鋼箱梁質(zhì)心與橋面板質(zhì)心的距離，主梁?jiǎn)卧?xì)劃分為1 m，全模型共包含720個(gè)單元。

3.3 梁+板雙單元模型

結(jié)合鋼混組合梁橋的受力特點(diǎn)，梁+板單元主要是通過建立梁?jiǎn)卧M橋梁的鋼箱梁，同時(shí)結(jié)合混凝土橋面板結(jié)構(gòu)的殼體特點(diǎn)，建立板殼單元模擬橋面板。梁?jiǎn)卧桶鍤卧ㄟ^偏心共結(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行連接，有限元軟件在分析時(shí)，兩種單元的質(zhì)心通過剛臂建立連接，以確保它們二者受力狀態(tài)一致。為合理布置橋面板中的預(yù)應(yīng)力鋼束，單獨(dú)建立沒有自重與剛度的虛擬梁?jiǎn)卧谔摂M梁?jiǎn)卧惺┘宇A(yù)應(yīng)力并通過共節(jié)點(diǎn)方式傳遞至橋面板中。

4 不同模型受力特性分析

為避免橋面板鋪裝完畢后墩頂處負(fù)彎矩區(qū)混凝土開裂，預(yù)先將中間的支座升高，待鋼箱梁與混凝土橋面板通過濕接縫結(jié)合成組合結(jié)構(gòu)后再回落支座以儲(chǔ)備預(yù)壓力。為比較三種不同的有限元模型計(jì)算精度的差異性，將對(duì)比分析鋼箱梁架設(shè)后各施工階段中鋼箱梁和橋面板的應(yīng)力、位移及成橋后橋面板的應(yīng)力。鋼箱梁架設(shè)完畢后的施工階段如表1所示。

表1 鋼箱梁架設(shè)后各施工階段

4.1 鋼箱梁應(yīng)力分析

根據(jù)midas Civil分析不同有限元模型，得到三種模型中邊跨跨中和次中點(diǎn)位置處的鋼箱梁上下翼緣板在各施工階段的應(yīng)力值，如圖1和圖2所示。

圖1 邊跨跨中鋼箱梁應(yīng)力圖

圖2 次中跨支點(diǎn)處鋼箱梁應(yīng)力圖

由圖1和圖2可知，在鋼箱梁和橋面板混凝土形成整體受力前的施工階段中，采組合梁截面單元模型、雙主梁?jiǎn)卧Ｐ秃土?板單元模型所得到的鋼箱梁上下緣應(yīng)力接近，但是通過鋼箱梁剪力釘和濕接縫的連接形成整體后，模型精度的差異性漸漸顯示出來，鋼箱梁上下緣的最大應(yīng)力均為梁+板雙單元模型所得到的，其中邊跨跨中和次中跨支點(diǎn)鋼箱梁上緣最大應(yīng)力分別為83.7 MPa和101.5 MPa；而組合截面單元模型得到的鋼箱梁應(yīng)力最小，其中邊跨跨中和次中跨支點(diǎn)鋼箱梁上緣最小應(yīng)力分別為80.7 MPa和97.9 MPa；因此相對(duì)于組合梁截面單元模型的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)。

4.2 橋面板應(yīng)力分析

針對(duì)各施工階段橋面板應(yīng)力進(jìn)行分析，分別得到三種模型在各個(gè)施工階段的邊跨跨中和次中跨支點(diǎn)位置處的橋面板混凝土上翼緣應(yīng)力值，如圖3和圖4所示應(yīng)力。特別注意的是梁+板雙單元模型的應(yīng)力取值為混凝土橋面板中心線上的應(yīng)力，避開了應(yīng)力集中區(qū)域。

圖3 邊跨跨中混凝土上緣應(yīng)力圖

圖4 次中跨支點(diǎn)混凝土上緣應(yīng)力圖

由圖3和圖4可看出，三種單元模型均能相對(duì)正確的模擬出橋面板混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，同樣待混凝土濕接縫與鋼箱梁剪力釘連接成整體結(jié)構(gòu)前，混凝土橋面板是不參與整個(gè)體系受力的，等到橋面板與鋼箱梁連接成整體同時(shí)解除支座預(yù)頂后，三種單元模型中橋面板的應(yīng)力值漸漸顯示出差異性。總的來說，采用梁+板單元模型計(jì)算得出的橋面板應(yīng)力值相較于其他兩種模型偏大，其中邊跨跨中和次中跨支點(diǎn)混凝土上緣壓應(yīng)力最大分別為6.5 MPa和5.3 MPa，最小分別為6.2 MPa和5.1 MPa，但相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)。

4.3 成橋運(yùn)營(yíng)階段撓度分析

針對(duì)成橋運(yùn)營(yíng)階段主梁各位置撓度進(jìn)行分析，分別得到三種不同模型在各個(gè)位置的位移值。如圖5所示。

圖5 成橋運(yùn)營(yíng)階段截面位移圖

根據(jù)圖5可知，三種有限元模型計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)位移曲線整體趨勢(shì)接近，其中梁+板單元模型計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)位移值比其他模型大，最大下?lián)线_(dá)到了86.7 mm，但相對(duì)誤差均不超過3%。

5 結(jié) 論

(1)在各施工階段中，三種單元模型得到的鋼箱梁上下翼緣應(yīng)力和橋面板上緣應(yīng)力的接近一致，待混凝土濕接縫與鋼箱梁剪力釘連接成整體后，三種模型顯示出差異性，其中梁+板雙單元模型計(jì)算結(jié)果偏大，但相對(duì)誤差不超過5%。

(2)成橋運(yùn)營(yíng)階段，三種模型模擬方式得到的結(jié)構(gòu)位移曲線整體趨勢(shì)接近，但梁+板單元模型位移計(jì)算結(jié)果相較于其他兩種模型偏大，相對(duì)誤差為3%左右。

(3)采用梁+板雙單元模型計(jì)算多跨鋼混組合梁，能夠較為精確的模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況。