組合桁梁橋主要設(shè)計(jì)參數(shù)分析

李 森,黃祖慰,雷俊卿

(1.廣西路橋集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)有限公司,廣西 南寧 530201;2.北京交通大學(xué),北京 100044;3.交通運(yùn)輸部路網(wǎng)監(jiān)測與應(yīng)急處置中心,北京 100029)

0 引言

我國公路橋梁中鋼橋的占比較低,在我國“去產(chǎn)能”“供給側(cè)改革”的背景下,提高鋼橋的應(yīng)用比例勢在必行,其中,組合桁梁橋越來越受到關(guān)注[1]。相比于傳統(tǒng)的鋼桁梁橋,組合桁梁橋具有剛度大、造價低、受力合理、便于施工等優(yōu)點(diǎn)[2]。但是由于目前我國已建成的組合桁梁橋不多,還難以總結(jié)出較為準(zhǔn)確的梁高計(jì)算公式,只能進(jìn)行估算,或者參考已有圖紙[3]。

張振學(xué)等[4]以天津海河吉兆橋?yàn)橐劳?對該連續(xù)組合桁梁橋的受力性能進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)采用施工工序優(yōu)化措施可減少橋面板的開裂現(xiàn)象和提升下弦桿的穩(wěn)定性;Choong-Eon Kim等[5]提出了一種鋼箱梁和組合桁梁橋結(jié)合的橋梁結(jié)構(gòu),并進(jìn)行試驗(yàn)分析,試驗(yàn)結(jié)果表明這種結(jié)構(gòu)能提升組合桁梁橋的跨徑;張瑩瑩等[6]對鋼桁腹預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁橋進(jìn)行研究,使用數(shù)值分析的方法,分析了該種橋型的基本力學(xué)性能;劉永健等[7]提出了一種新型的鋼管混凝土組合桁梁橋,計(jì)算和論證了這種新型組合桁梁橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn);陳宜言等[8]對一種新型鋼混組合桁架梁進(jìn)行研究,研究發(fā)現(xiàn),這種新型結(jié)構(gòu)自重輕、成本低、施工速度快,值得在全世界推廣使用。已有研究主要提出新式組合桁梁橋橋型,并探討橋型的結(jié)構(gòu)和受力,對于組合桁梁橋的設(shè)計(jì)參數(shù)對于受力特性的影響研究較少。

本文以組合桁梁橋?yàn)檠芯繉ο?以某實(shí)際工程為研究背景,主要針對桁高、桁寬、節(jié)間數(shù)、剪力連接件剛度、混凝土頂板厚度這5個主要設(shè)計(jì)參數(shù),分析組合桁梁橋在荷載作用下的受力特性。通過建立組合桁梁橋在不同參數(shù)下的有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬,對比分析應(yīng)力、豎向位移等相應(yīng)結(jié)果,統(tǒng)計(jì)其中的規(guī)律,為該種橋型設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況與模型

1.1 依托工程概況

某組合桁梁橋橋跨布置為3×80 m,由上部分的橋面板和下部分的鋼桁梁通過剪力連接件結(jié)合組成整體。其中混凝土頂板采用C50混凝土,彈性模量為Ec=3.45×104MPa、泊松比為νc=0.2、密度ρc=2 549 kg/m3;鋼材采用Q420,彈性模量為Es=2.06×105MPa、泊松比為νs=0.3、密度ρs=7 850 kg/m3。

本文研究的5個主要設(shè)計(jì)參數(shù)為桁高H、桁寬W、一跨節(jié)間數(shù)P、剪力連接件剛度k、混凝土頂板厚度T,其中節(jié)間數(shù)指的是一跨連續(xù)梁組合桁梁橋中節(jié)間的數(shù)量,各參數(shù)示意如圖1所示。

圖1 參數(shù)示意圖

原結(jié)構(gòu)桁高H=7 200 mm、桁寬W=6 700 mm、一跨節(jié)間數(shù)P=10、混凝土頂板厚度T=400 mm。其中T以頂板最厚處為代表值。

1.2 剪力連接件的簡化

采用將剪力連接件簡化成彈簧單元的方法模擬剪力釘群。文獻(xiàn)[9-10]采用了使用彈簧單元模擬剪力釘?shù)姆椒?計(jì)算每個剪力釘?shù)牡刃Ъ羟袆偠?使用彈簧模型來模擬剪力釘,此方法能較好地模擬剪力釘群的連接作用,本文參考此方法簡化剪力連接件。本文依托工程采用剪力釘作為鋼桁梁上弦桿與混凝土橋面板的連接件,使用彈簧單元模擬接力釘。在邊跨采用4 214個剪力釘,在中跨采用4 116個剪力釘。剪力釘?shù)臄?shù)量較多,需要簡化后建立模型。簡化過程如圖2所示。

(a)簡化前

連接件的簡化有以下幾點(diǎn):

(1)將剪力釘群簡化為彈簧進(jìn)行計(jì)算。剪力釘群是由多個剪力釘縱橫排列成矩形而組成的。該橋主要有3種剪力釘群,為了建模和計(jì)算方便,將每個剪力釘群簡化成3種彈簧來進(jìn)行。

(2)在水平方向的剪切剛度按表1取。表中使用藺釗飛等[11]通過試驗(yàn)得出的式(1)計(jì)算單個剪力釘?shù)目辜魟偠萲s,根據(jù)剪力釘群數(shù)量計(jì)算每個彈簧的抗剪剛度得到k。

表1 彈簧抗剪剛度取值表

(1)

式中:Es——剪力釘鋼材彈性模量;

Ec——混凝土彈性模量。

注:ks為單個剪力釘抗剪剛度;n為彈簧所代表的剪力釘數(shù)量;k為彈簧抗剪剛度

(3)在豎直方向直接耦合豎向位移。在豎直方向上,剪力釘受豎向力較小,而且剪力釘柱頭和混凝土板有較強(qiáng)的機(jī)械咬合力。因此,在一般的運(yùn)營狀態(tài)下,組合桁梁橋的鋼桁梁和混凝土板發(fā)生豎向相對位移的可能性很小。

(4)忽略鋼梁上弦桿和混凝土板的摩擦力。

1.3 加載工況

荷載布置及路徑如圖3所示,橋跨布置為3×80 m,圖中僅示出一半,剩下部分為對稱。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015),使用公路—Ⅰ級車輛荷載施加在橋面對應(yīng)車道位置處。

(a)上頂板加載工況

1.4 計(jì)算模型

本研究采用有限元軟件進(jìn)行建模分析,借助ANSYS軟件建立有限元模型。其中采用Shell63單元模擬混凝土橋面板;梁單元采用Beam188單元建立;剪力釘采用Combin14單元建立,重疊使用Combin14單元并賦予水平兩個方向的等效剛度,同時耦合混凝土板和鋼桁梁位置上的豎向位移。整體結(jié)構(gòu)被離散成47 214個節(jié)點(diǎn),47 189個單元。模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型圖

邊界條件:如圖4所示,所有支座約束豎向位移。另外,①⑤⑦處不約束水平位移,②⑥⑧處僅約束橫向位移,③處僅約束縱向位移,④處約束縱向和橫向位移。

2 計(jì)算結(jié)果分析

分析橋梁各部分參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)受力的影響,總結(jié)其中規(guī)律,對該種橋梁設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。

2.1 計(jì)算結(jié)果路徑說明

計(jì)算結(jié)果取路徑上的特殊點(diǎn)作為說明,其中路徑1、2如圖3(a)所示,路徑1為沿著頂板上表面橫向中點(diǎn)從橋頭連線到橋末端,路徑2為左邊跨的跨中上表面線。鋼桁架編號如圖3(b)所示。

2.2 桁高變化對組合桁梁橋受力特性的影響

組合桁梁橋鋼桁架部分原來的桁高H=7 200 mm,現(xiàn)除桁高外其他參數(shù)不變,H變化幅度為15%,按式(2)計(jì)算,下同。取路徑1橫坐標(biāo)40 m,即以路徑2橫坐標(biāo)6.45 m的點(diǎn)以及20號腹桿應(yīng)力作為參考,用來分析應(yīng)力和位移的變化幅值規(guī)律。H變化時位移和應(yīng)力各自的變幅和平均幅值如表2所示。由表2可知,應(yīng)力和位移隨著H的增加而減小。參考點(diǎn)的豎向位移、應(yīng)力以及參考腹桿應(yīng)力的變幅隨著H的增加而逐漸增加。桁高的增加可提升橋梁整體的剛度。

表2 桁高變化對受力特性影響的各數(shù)值變化統(tǒng)計(jì)表

變幅的計(jì)算方法為:以前一個數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),按后一個數(shù)據(jù)比前一個數(shù)據(jù)的增量來計(jì)算,即:

(2)

式中:Δ——變幅;

δx——表格中上一行數(shù)據(jù);

δx+1——表格中下一行數(shù)據(jù)。

2.3 桁寬變化對組合桁梁橋受力特性的影響

組合桁梁橋鋼桁架部分原來的桁寬W=6 700 mm,現(xiàn)除桁寬外其他參數(shù)不變,W變化幅度為15 %,按式(2)計(jì)算。其中,混凝土頂板最厚處的位置、上下平聯(lián)長度隨W的變化相應(yīng)地做出調(diào)整。以路徑1橫坐標(biāo)40 m,即路徑2橫坐標(biāo)6.45 m的點(diǎn),以及20號腹桿應(yīng)力作為參考,研究W變化時受力特性變化的幅值,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 桁寬變化對受力特性影響的各數(shù)值變化統(tǒng)計(jì)表

由表3可知,隨著W在參數(shù)范圍內(nèi)增加,豎向位移和應(yīng)力增加,變幅也逐漸增大。

2.4 一跨節(jié)間數(shù)變化對組合桁梁橋受力特性的影響

原結(jié)構(gòu)鋼桁梁節(jié)間長度為8 m,跨度布置為3×80 m,每一跨被分成10個節(jié)間。本節(jié)為了研究節(jié)間數(shù)P變化對組合桁梁橋產(chǎn)生的影響,P改變時,腹桿的長度和數(shù)量以及傾斜角、上下平聯(lián)桿數(shù)量都會做出相應(yīng)的調(diào)整。下文將采用不同P分別建立數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

P的取值和一跨的桁架布置示意圖如圖5所示。

圖5 不同節(jié)間數(shù)對應(yīng)桁架布置示意圖(m)

為了研究P變化時受力特性變化的幅值,以路徑1時橫坐標(biāo)為40 m處的豎向位移作為參考,以下弦桿80 m處的應(yīng)力值作為參考,計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知,P對豎向位移的影響較小,平均變幅為0.67 %;隨著P的增加,下弦桿應(yīng)力逐漸增加。

表4 節(jié)間數(shù)變化對受力特性影響的各數(shù)值變化統(tǒng)計(jì)表

2.5 剪力連接件剛度變化對組合桁梁橋受力特性的影響

剪力連接件僅考慮彈性變形,忽略塑型變形。經(jīng)過簡化剪力連接件被簡化成彈簧單元,原彈簧單元剛度k如表1所示。將每個簡化彈簧單元變化20%,按式(2)計(jì)算,變化取用參數(shù)如表5所示。

表5 剪力連接件剛度變化統(tǒng)計(jì)表

將變化的k放入數(shù)值模型中計(jì)算,得出結(jié)果如表6所示。其中豎向位移和應(yīng)力用的是參考點(diǎn)的結(jié)果,參考點(diǎn)坐標(biāo)為路徑1橫坐標(biāo)40 m處,即路徑2橫坐標(biāo)6.45 m處的點(diǎn),以及20號腹桿應(yīng)力作為參考。

表6 剪力連接件剛度變化對受力特性影響的各數(shù)值變化統(tǒng)計(jì)表

由表6可看出,剪力連接件在研究的剛度范圍內(nèi)變化時,參考點(diǎn)的豎向位移、應(yīng)力和參考腹桿的應(yīng)力變化都不大,豎向位移的平均變幅為0.05 %,應(yīng)力為0.03 %,腹桿應(yīng)力為0.002 %,剪力連接件剛度在所研究的受力情況下,在研究的范圍內(nèi)變化時,對組合桁梁橋的受力特性影響較小。

2.6 混凝土頂板厚度變化對組合桁梁橋受力特性的影響

原結(jié)構(gòu)混凝土頂板尺寸如圖6所示,其中最厚處為T=400 mm,以最厚處為代表值,其他部位按照最厚處的增減而變化,即取值(T0-98) mm、(T0-52) mm、(T0+0) mm、(T0+60) mm、(T0+129) mm,其中T0為原結(jié)構(gòu)厚度。將頂板整體厚度進(jìn)行增減,以研究頂板厚度增減后組合桁梁橋受力特性的變化。

圖6 混凝土頂板尺寸示意圖(m)

為了研究T變化時受力特性變化的幅值,同時為了避開施力點(diǎn)以獲得比較普遍的計(jì)算結(jié)果,以路徑1時橫坐標(biāo)為46 m處的豎向位移以及20號腹桿應(yīng)力值作為參考,變幅如表7所示。當(dāng)其他參數(shù)不變時,增加T的主要作用是減少頂板應(yīng)力。

表7 混凝土頂板厚度變化對受力特性影響的各數(shù)值變化統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語

經(jīng)過研究,得出以下結(jié)論:

(1)在所研究參數(shù)范圍內(nèi),桁高H增加15 %時參考點(diǎn)豎向位移減少14.30%～18.38 %,參考點(diǎn)應(yīng)力減少9.31%～11.54%,腹桿應(yīng)力減少1.02%～2.66%。桁高的增加可提升橋梁整體剛度。桁寬W在參數(shù)范圍內(nèi)增加15%,參考點(diǎn)豎向位移增加2.33%～9.27%,參考點(diǎn)應(yīng)力增加7.89%～9.70%,腹桿應(yīng)力增加0.95%～1.43%。節(jié)間數(shù)P從8逐漸增加到12時,豎向位移先減小后增大,P=9時為最小;下弦桿應(yīng)力逐漸增加,增加幅度為8.54%～9.58%。剪力連接件剛度從0.69倍原剛度增加到1.44倍原剛度時,參考點(diǎn)豎向位移和應(yīng)力逐漸減小,但平均變幅都在0.06 %之內(nèi);參考腹桿應(yīng)力逐漸增大,但是變幅均在0.002 %左右。剪力連接件對整體受力的影響較小?；炷另敯搴穸萒在所研究的范圍內(nèi)逐漸增加15%,參考點(diǎn)豎向位移增加2.89%～8.26%,參考點(diǎn)應(yīng)力減小3.71%～13.10%,腹桿應(yīng)力增加10.78%～11.09%。T增加對頂板應(yīng)力減少的作用明顯。

(2)在所研究的5個參數(shù)中,增加桁高H和增加混凝土頂板厚度T對橋梁整體剛度提升明顯。其中H增加15%時,參考點(diǎn)應(yīng)力平均減少10.37%;T增加15%時,參考點(diǎn)應(yīng)力平均減少8.49%,參考腹桿應(yīng)力平均減少10.93%。