某高速公路鋼板組合梁有限元分析

鄭翠鳳

(廣西交建工程建設(shè)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530006)

0 引言

橋梁是國家高速公路網(wǎng)和省級高速公路網(wǎng)的重要組成部分。大跨徑、特大跨徑橋梁一般采用特殊結(jié)構(gòu)型式,往往是高速公路的控制性工程,而中小跨徑橋梁占比較大,一般達(dá)到90%以上,因此中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)選型尤為重要。目前橋梁建設(shè)中,跨徑≤40 m的橋梁,大多采用裝配式T梁、箱梁等后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)型式。但預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工質(zhì)量不易控制,作業(yè)工序復(fù)雜,產(chǎn)業(yè)工人耗費(fèi)量大,建設(shè)工期長,砂石料需求量大,已經(jīng)不能滿足橋梁工業(yè)化建造的需求。鋼混組合結(jié)構(gòu)具備自重輕,自然資源耗費(fèi)少,施工速度快等顯著優(yōu)勢,在國外尤其是歐洲國家中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。鋼混組合結(jié)構(gòu)中鋼板組合梁力學(xué)概念清晰,用鋼量較省,便于制造運(yùn)輸,在國內(nèi)沿海及平原地區(qū)得到了一定的推廣應(yīng)用。

國內(nèi)學(xué)者對鋼板組合梁相關(guān)研究較多。王東偉等[1]對鋼板組合梁施工技術(shù)及關(guān)鍵工序進(jìn)行了探討;荊偉偉等[2]綜合考慮強(qiáng)度、穩(wěn)定性及傾覆等關(guān)鍵問題,提出了一套適用于鋼板組合梁的架設(shè)施工安全監(jiān)測方法;羅攀[3]探討了鋼板組合梁的設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)并對混凝土裂縫控制和收縮徐變影響進(jìn)行了分析研究;過令等[4]結(jié)合山區(qū)地形地質(zhì)條件,通過具體工程研究了輕質(zhì)鋼板組合梁一體化施工技術(shù);季云峰等[5]基于ANSYS軟件分析了鋼板組合梁焊釘剪力連接件的可靠性;楊凱等[6]從腹板穩(wěn)定性角度,通過理論分析與有限元計(jì)算,對腹板加勁肋的設(shè)計(jì)原則與布置方法進(jìn)行了研究。關(guān)于鋼板組合梁相關(guān)研究主要涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝等方面內(nèi)容,對結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算分析研究較少。本文以某高速公路30 m跨度簡支鋼板梁為研究對象,對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與受力情況進(jìn)行了分析,為同類型橋梁的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 工程背景

某高速公路為雙向六車道設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)速度為120 km/h,汽車荷載為公路Ⅰ級。通過常規(guī)混凝土橋與鋼板組合梁橋全生命周期綜合效益對比分析,并考慮工業(yè)化、輕質(zhì)化設(shè)計(jì)理念后,橋高<20 m的橋梁上部結(jié)構(gòu)按30 m跨度鋼板組合梁設(shè)計(jì)。鋼板高度為1 700 mm,橋面板混凝土等厚,厚度為250 mm,鋼板與混凝土之間采用焊釘連接,并設(shè)置50 mm厚度的橡膠墊條。鋼梁上下翼緣寬度分別為600 mm和700 mm,板厚分別為24 mm和28 mm,腹板厚度為14 mm。橫隔板間距為5 000 mm,共設(shè)置7道橫隔板,其中短橫隔板和中橫隔板高度分別為1 350 mm和1 100 mm。典型橫斷面如圖1所示。

圖1 典型橫斷面圖(mm)

橫隔板與鋼梁采用栓接連接,橫隔板頂部與鋼梁頂部齊平以便于橋面板混凝土施工。鋼板組合梁鋼板全部采用耐候鋼設(shè)計(jì),材料類型為Q355NHC,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.31,橋面板混凝土強(qiáng)度等級為C50,彈性模量為34 500 MPa,泊松比為0.2。橋梁結(jié)構(gòu)類型為結(jié)構(gòu)簡支,橋面采用連續(xù)形式。

2 有限元分析模型

鋼材與混凝土具有不同的材料特性,同時從單元類型上也具有差異,鋼板為薄板結(jié)構(gòu),宜采用板殼單元模擬,橋面板混凝土為厚板,宜采用實(shí)體單元模擬?；谝陨纤悸?依托ABAQUS軟件,將鋼板梁、端橫梁、中橫梁和橋面板混凝土進(jìn)行離散化,其中鋼材部分單元類型為S4R,混凝土單元類型為C3D8R,均采用一階線性單元形式。單元網(wǎng)格尺寸<200 mm,鋼板上翼緣與橋面板混凝土保持50 mm墊條空間并采用節(jié)點(diǎn)耦合連接,不考慮鋼材與混凝土之間的滑移作用。有限元模擬時充分考慮施工階段的影響,分別建立橋面板混凝土作為濕重荷載前的模型和結(jié)合后的整體模型,鋼板考慮螺栓和局部加勁肋重量,取自重系數(shù)為1.06?；钶d按照車道荷載加載,分別考慮中載和偏載兩種情形。所建立的有限元模型如圖2所示。

(a)橋面板混凝土安裝前

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)基頻分析

鋼板組合梁自重輕,活載占比較大,為此,對活載沖擊系數(shù)的計(jì)算尤為重要。在有限元模型中將結(jié)構(gòu)自重轉(zhuǎn)化為質(zhì)量,鋪裝層不作為結(jié)構(gòu)剛度的一部分,不計(jì)鋪裝層作用?？紤]到模型結(jié)構(gòu)整體比較簡單,單元節(jié)點(diǎn)相對較小,此處采用lanczos方法對結(jié)構(gòu)振型特征值進(jìn)行求解。計(jì)算得到結(jié)構(gòu)基頻下的振型云圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)基頻下的振型云圖(mm)

計(jì)算結(jié)果表明:(1)在本文所選取的單元網(wǎng)格尺寸下,鋼梁與橋面板混凝土未發(fā)生明顯滑移,進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性,該有限元模型能夠用于鋼板組合梁相關(guān)研究;(2)簡支鋼板組合梁一階振型表現(xiàn)為主梁的豎向撓區(qū)變形,結(jié)構(gòu)基頻為4.4 Hz,經(jīng)規(guī)范計(jì)算[7],活載沖擊系數(shù)為0.25,將沖擊系數(shù)考慮到后續(xù)應(yīng)力計(jì)算中。

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

鋼梁架設(shè)后,安裝橋面板混凝土,此時鋼梁與橋面板混凝土未形成聯(lián)合截面,將橋面板混凝土以濕重形式施加在鋼板梁上翼緣處,計(jì)算得到鋼梁翼緣應(yīng)力如圖4所示。

圖4 鋼梁翼緣應(yīng)力云圖(MPa)

鋼梁在自重和橋面板混凝土濕重作用下,上翼緣最大壓應(yīng)力為84.6 MPa,下翼緣最大拉應(yīng)力為69.1 MPa,應(yīng)力水平較低,因此鋼板組合梁施工階段應(yīng)力不是設(shè)計(jì)控制的重點(diǎn)關(guān)注環(huán)節(jié)。此外經(jīng)此階段穩(wěn)定性屈曲分析發(fā)現(xiàn),鋼板梁不會產(chǎn)生失穩(wěn)問題,進(jìn)一步表明密肋式鋼板梁整體剛度較大,鋼材利用率較高,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注成橋狀態(tài)下的鋼梁應(yīng)力。

成橋狀態(tài)下,綜合考慮自重、二期鋪裝、溫度作用和車道荷載影響,按照基本組合分別提取鋼梁在中載和偏載下的應(yīng)力,如圖5和圖6所示。

圖5 中載作用下的翼緣應(yīng)力云圖(MPa)

圖6 偏載作用下的翼緣應(yīng)力云圖(MPa)

鋼板組合梁鋼結(jié)構(gòu)部分由于縱梁與橫梁相連接,呈現(xiàn)典型格子梁特征,在偏載作用下,邊梁下翼緣應(yīng)力較大,最大值為191.1 MPa,其數(shù)值比中載下的應(yīng)力高21.9 MPa,因此對于具有格子梁特征的鋼板組合梁,活載分析時必須考慮偏載的影響。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),成橋后,由于橋面板混凝土與鋼梁形成聯(lián)合作用,主梁中性軸向上移動,鋼梁上翼緣應(yīng)力降低,因此,對于焊接鋼板梁設(shè)計(jì)時在確保翼緣參數(shù)滿足規(guī)范的前提下[8],上翼緣板厚取低值,下翼緣板厚應(yīng)結(jié)合計(jì)算結(jié)果選取。

3.3 下翼緣板厚參數(shù)分析

為研究鋼板梁下翼緣板厚變化對應(yīng)力結(jié)果的影響,分別取板厚為22 mm、24 mm、26 mm、30 mm和32 mm進(jìn)行分析,分析時鋼梁其他參數(shù)均保持不變,計(jì)算得到鋼板梁最大拉應(yīng)力隨下翼緣板厚的變化規(guī)律如后頁圖7所示。

圖7 鋼板梁最大拉應(yīng)力隨下翼緣板厚變化曲線圖

計(jì)算結(jié)果表明:鋼板組合梁下翼緣最大拉應(yīng)力隨板厚變化基本呈線性關(guān)系,隨著板厚的增加,最大拉應(yīng)力逐漸減小,但較小幅度有所降低。本文所選取的下翼緣厚度28 mm基本合適,當(dāng)板厚進(jìn)一步減小后,不考慮重要性系數(shù),最大拉應(yīng)力將>200 MPa,此時鋼材安全富裕度較小。

4 結(jié)語

本文以某高速公路30 m跨度鋼板組合梁為研究對象,闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),得到了結(jié)構(gòu)基頻及振型,對施工階段和成橋狀態(tài)應(yīng)力進(jìn)行了分析。在本文所選取的鋼板組合梁參數(shù)下,結(jié)構(gòu)應(yīng)力<200 MPa,具有一定的安全富裕度。另外,經(jīng)參數(shù)化計(jì)算分析,下翼緣板厚對應(yīng)力影響較大,隨板厚增加,最大拉應(yīng)力基本呈線性下降趨勢,設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮造價和應(yīng)力水平,對鋼板參數(shù)進(jìn)行合理取值。