中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁閉口與開口截面對(duì)比分析

張雅杰，汪維安

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)不斷發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)量持續(xù)增加，我國(guó)開始大力推廣在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用鋼材[1]。鋼箱-混凝土組合梁橋因其整體性能好，抗震性能優(yōu)，承載能力強(qiáng)，能充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)，且鋼結(jié)構(gòu)自重輕，便于運(yùn)輸?shù)跹b，施工工期短，對(duì)既有公路影響小等優(yōu)勢(shì)，越來越多地被應(yīng)用于實(shí)際工程，尤其是中小跨徑的跨線橋中。

本文基于高速公路鋼混組合梁通用圖，以中小跨徑鋼箱-混凝土組合梁為例，對(duì)其受力過程開展理論分析研究，對(duì)閉口鋼箱截面和開口鋼箱截面下該類組合梁的應(yīng)力、撓度、用鋼量增量和焊縫減少量進(jìn)行了分析，為我國(guó)中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁的設(shè)計(jì)和建設(shè)應(yīng)用提供參考。

1 鋼箱-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)

鋼箱-混凝土橋面板組合梁橋主要由鋼箱主梁(或鋼箱主梁+ 工字型小縱梁)、鋼橫梁、加勁板、邊側(cè)板、拼接板和螺栓、混凝土橋面板及其底鋼板等組成（見圖1）。

圖1 鋼箱- 混凝土組合梁構(gòu)造示意圖

圖2 中b1 為頂板有效寬度范圍，截面（a）中b2與b1 等厚度，頂板為整塊鋼板，b1 與b2 間無焊縫。截面（b）中b2 采用8 mm 厚底鋼板，b2 與b1 不等厚，b1 與b2 間采用焊接連接。截面（c）為頂板按局部穩(wěn)定折減后的計(jì)算截面。

圖2 鋼箱截面形式

2 鋼梁頂板有效寬度

施加混凝土橋面板濕重階段，鋼梁頂板由于寬厚比過大，鋼板將發(fā)生屈曲現(xiàn)象，構(gòu)件發(fā)生局部失穩(wěn)。此時(shí)，部分板件屈曲后退出工作，頂板有效寬度減小，截面承載能力減小。為保證截面有效寬度，在頂板上側(cè)設(shè)置加勁肋，改善頂板局部失穩(wěn)現(xiàn)象，保證截面強(qiáng)度和承載能力。頂板局部穩(wěn)定屈曲模型見圖3。

圖3 頂板局部穩(wěn)定屈曲模型

鋼板有效寬度計(jì)算方法按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[2]中5.1.6 和5.1.7 條執(zhí)行。頂板縱向加勁肋分為剛性加勁肋和柔性加勁肋，根據(jù)表1 可知，本文實(shí)例分析中的頂板縱向加勁肋為柔性加勁肋，板的局部穩(wěn)定折減系數(shù)ρ 取0.45。

表1 剛性、柔性加勁肋判斷

3 鋼箱-混凝土組合梁力學(xué)行為過程

中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁的建設(shè)可不設(shè)臨時(shí)支墩，而是通過分段澆筑混凝土橋面板的方法來達(dá)到控制主梁應(yīng)力和變形的目的，從而實(shí)現(xiàn)組合梁快速施工，并避免了臨時(shí)支墩施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁的施工步驟主要分為以下幾個(gè)階段（見圖4）：

圖4 計(jì)算模型

（1）鋼梁架設(shè)，包括鋼構(gòu)件焊接和縱、橫向節(jié)段拼接等。

（2）整體澆筑或分段澆筑混凝土橋面板。

（3）鋼梁與混凝土橋面板形成整體，施加防撞墻、橋面鋪裝等二期荷載。

（4）結(jié)構(gòu)完成收縮徐變，結(jié)構(gòu)投入運(yùn)營(yíng)開始承擔(dān)移動(dòng)活載。

考慮鋼梁頂板有效寬度折減后，對(duì)于閉口箱形截面（a），在鋼梁架設(shè)過程中，由開口箱形截面承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重；在澆筑混凝土橋面板過程中，由開口箱形截面承擔(dān)混凝土橋面板濕重；在施加二期荷載和成橋階段，由閉口箱形截面承擔(dān)混凝土橋面板濕重（見圖5）。

圖5 閉口鋼箱受力截面變化形式（未示出頂板加勁肋）

對(duì)于開口箱形截面（b），在鋼梁架設(shè)過程中，由開口箱形截面承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重；在澆筑混凝土橋面板過程中，由開口箱形截面承擔(dān)混凝土橋面板濕重；在施加二期荷載和成橋階段，由開口箱形截面承擔(dān)混凝土橋面板濕重（見圖6）。

圖6 開口鋼箱受力截面變化形式（未示出頂板加勁肋）

4 閉口、開口鋼箱受力對(duì)比

利用通用有限元軟件Midas Civil 建立整體模型，采用梁?jiǎn)卧褪┕るA段聯(lián)合截面建立梁格模型。通過Midas FEA 建立局部模型，采用板殼單元模擬鋼板屈曲，并結(jié)合手算和ABAQUS 確定鋼板局部穩(wěn)定折減系數(shù)。

4.1 截面和材料

鋼箱- 混凝土組合梁采用L=50 m，B=12.6 m 的直線橋，主次橫梁間距分別為5 m，主次橫梁交叉布置，鋼纖維混凝土橋面板180 mm，鋼梁腹板均為12 mm 厚鋼板，懸臂寬1 m，箱室寬2 m，橋?qū)挿秶鷥?nèi)共設(shè)兩個(gè)主箱，不設(shè)工字小縱梁，頂板設(shè)柔性加勁肋，圖7、圖8 寬度范圍以外的頂板板厚采用8 mm。取3 種板厚截面進(jìn)行對(duì)比分析，詳見表2。

表2 截面板厚對(duì)應(yīng)

圖7 閉口截面尺寸

圖8 開口截面尺寸

4.2 荷載

一期恒載，即為自重，按材料容重加載，加勁肋重量單獨(dú)加載。二期恒載包括防撞護(hù)欄、橋面鋪裝，按均布荷載施加，單側(cè)防撞護(hù)欄取10 kN/m。鋼纖維混凝土橋面板按濕重荷載施加。汽車活載按照汽車荷載公路-I 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)取值。整體溫度、梯度溫度、收縮徐變均按規(guī)范要求進(jìn)行加載[3]。

4.3 應(yīng)力對(duì)比

本文通過分別對(duì)3 種不同尺寸的閉口鋼箱截面和開口鋼箱截面進(jìn)行計(jì)算，獲得各截面上、下緣及腹板分別在不同施工階段和荷載作用下的應(yīng)力結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。圖9 至圖11 中給出了不同階段應(yīng)力數(shù)值，單位均為MPa。

圖9 不同截面、不同工況下鋼梁上翼緣應(yīng)力圖

由圖9 可以看出，鋼梁頂?shù)装宀捎孟嗤穸葧r(shí)，閉口截面鋼梁上翼緣應(yīng)力小于開口截面，約減小10～20 MPa。鋼梁上翼緣應(yīng)力差異主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，鋼梁上翼緣在二期恒載、溫度、活載、收縮徐變作用下的應(yīng)力差別不大?？缰形恢瞄]口截面與開口截面上翼緣應(yīng)力差值，較支點(diǎn)位置閉口截面與開口截面上翼緣應(yīng)力差值更小。

由圖10 可以看出，鋼梁頂?shù)装宀捎孟嗤穸葧r(shí)，支點(diǎn)位置閉口截面鋼梁下翼緣應(yīng)力小于開口截面，約減小0～10 MPa。鋼梁下翼緣應(yīng)力差異主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，鋼梁下翼緣在二期恒載、溫度、活載、收縮徐變作用下的應(yīng)力差別不大。跨中位置閉口截面與開口截面下翼緣應(yīng)力相差不大。

圖10 不同截面、不同工況下鋼梁下翼緣應(yīng)力圖

由圖11 可以看出，鋼梁頂?shù)装宀捎孟嗤穸?，閉口截面鋼梁腹板剪切應(yīng)力略小于開口截面鋼梁腹板剪切應(yīng)力。鋼梁腹板剪切應(yīng)力差異主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，鋼梁腹板在二期恒載、活載作用下的剪切應(yīng)力差別不大。

圖11 腹板剪切應(yīng)力

4.4 撓度、用鋼量與焊縫增量對(duì)比

由圖12 可以看出，鋼梁頂?shù)装宀捎孟嗤穸龋]口截面鋼梁撓度略小于開口截面鋼梁撓度。鋼梁撓度差異主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，鋼梁在二期恒載、活載作用下的撓度差別不大。

圖12 主梁撓度對(duì)比圖

由表3、表4 可知，相同板厚下，相比開口截面，閉口截面以增加少量用鋼量為代價(jià)，來換取鋼梁應(yīng)力水平的降低和焊縫數(shù)量的減少。

表3 用鋼量增量與焊縫增量B=2 m（以2.5 m 長(zhǎng)節(jié)段計(jì)算）

表4 用鋼量增量與焊縫增量B=12.6 m（以2.5 m 長(zhǎng)節(jié)段計(jì)算）

5 結(jié)語

（1）對(duì)鋼箱- 混凝土組合梁，相同板厚下，閉口截面鋼梁應(yīng)力較開口截面更小，尤其是鋼梁上翼緣應(yīng)力減小較多，鋼梁下翼緣正應(yīng)力和腹板剪切應(yīng)力減小較少；支點(diǎn)位置鋼梁應(yīng)力減小幅度大于跨中位置。

（2）對(duì)鋼箱- 混凝土組合梁，相同板厚下，閉口截面鋼梁撓度略小于開口截面鋼梁撓度。

（3）鋼梁上下翼緣應(yīng)力、腹板剪切應(yīng)力和主梁撓度差異均主要存在于澆筑鋼纖維混凝土橋面板濕重階段，而在二期恒載、活載、溫度及收縮徐變作用下的差別不大。

（4）相同板厚下，相比開口截面，閉口截面雖增加少量用鋼量（橋面全寬范圍內(nèi)該增量還將大大減?。?，但鋼梁應(yīng)力水平降低較多，且焊縫數(shù)量大大減少。由于工人技術(shù)、環(huán)境等因素影響，鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量難以有效控制[4]，組合梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用中焊接問題較為突出，采用閉口截面能夠減少焊縫數(shù)量，進(jìn)而減少過多集中焊接量，可適當(dāng)避免焊接質(zhì)量問題。另外，由于閉口截面應(yīng)力水平低于開口截面，采用閉口截面時(shí)可適當(dāng)降低鋼梁頂?shù)装搴穸?，進(jìn)而在相同應(yīng)力水平下，閉口截面與開口截面用鋼量能夠基本保持一致。

（5）本文按規(guī)范給出了鋼板有效寬度計(jì)算方法，對(duì)鋼箱- 混凝土組合梁的受力過程開展了詳細(xì)的理論分析，并對(duì)閉口鋼箱截面和開口鋼箱截面進(jìn)行了對(duì)比分析，為今后中小跨徑鋼箱- 混凝土組合梁的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了參考。