鋼板組合梁橋混凝土溫度效應(yīng)研究

秦敏QIN Min

（安徽省路興建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，阜陽 236045）

0 引言

近年來，鋼板組合梁橋作為廣泛應(yīng)用于橋梁工程的結(jié)構(gòu)形式，其施工工藝及性能研究備受關(guān)注。段亞軍等[1]綜述了鋼板組合梁橋的施工工藝，著重介紹了頂推法、吊裝法以及橋面板的預(yù)制和現(xiàn)澆施工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。周輝的研究[2]通過數(shù)值模擬深入探討了鋼-混組合梁界面滑移效應(yīng)與掀起效應(yīng)之間的相互影響。張彥玲等[3]通過試驗(yàn)研究鋼-混凝土組合梁的性能，發(fā)現(xiàn)橫隔板數(shù)目對切向滑移影響相對較小。齊書瑜的研究[4]通過彎扭性能模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，曲線組合梁在負(fù)彎矩與扭矩作用下，切向和徑向滑移隨跨徑比減小而減小。張興虎等[5]提出了一種新型鋼-混凝土組合梁設(shè)計(jì)方案，通過試驗(yàn)表明其相對于傳統(tǒng)組合梁具有更高的抗剪承載力和變形能力。焦馳宇等[6]通過有限元軟件研究了梁格法在曲線箱梁橋的適用條件，并提出了單梁法和梁格法在應(yīng)力計(jì)算中的對比。滿建琳[7]對4 跨鋼-混組合曲線連續(xù)箱梁橋進(jìn)行了全橋模擬分析，關(guān)注了支座反力、橋面板位移和結(jié)構(gòu)應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)。在這一背景下，本文旨在深入研究鋼板組合梁橋的溫度效應(yīng)，通過參數(shù)分析探討其在不同工況下的性能變化，為鋼板組合梁橋的設(shè)計(jì)和實(shí)際工程應(yīng)用提供科學(xué)的理論支持。

1 工程背景

項(xiàng)目位于阜陽市，路線全長6.273 公里，一級公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，公路段長度5.45 公里，市政段長度0.85 公里，引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力組合箱梁，預(yù)制梁板共計(jì)176 片，引橋下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板式橋臺、樁基礎(chǔ)，橋墩采用樁柱式橋墩、樁基礎(chǔ)。

2 有限元建模說明

采用有限元分析軟件Abaqus，通過空間模型簡化建立全橋有限元分析模型。簡化的過程就是將實(shí)際的小半徑鋼板組合梁橋通過力學(xué)抽象，進(jìn)而簡化為能用于矩陣分析的空間力學(xué)模型。模型簡化必須使力學(xué)模型盡可能符合實(shí)際原型結(jié)構(gòu)。模型中選用的單元類型必須能夠模擬實(shí)際構(gòu)件的受力特征，同時(shí)采用的單元參數(shù)要符合實(shí)際構(gòu)件的參數(shù)，邊界約束狀況必須和實(shí)際結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)相符。在建模過程中，鋼板組合梁的鋼箱梁采用殼單元進(jìn)行模擬，混凝土橋面板均采用實(shí)體單元模擬，支座采按照實(shí)際工程進(jìn)行布置。部分有限元模型示意圖如圖1～圖2 所示。

圖1 Abaqus 有限元模型圖

圖2 網(wǎng)格劃分圖

3 關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析

3.1 計(jì)算跨徑的影響規(guī)律

圖3（a）～圖3（c）為整體升、降溫作用下，內(nèi)、外側(cè)主梁的彎矩、剪力、扭矩最大值隨計(jì)算跨徑的變化規(guī)律。由圖3（a）可見，在整體溫度作用下，各個計(jì)算跨徑的組合梁橋內(nèi)、外側(cè)主梁的彎矩最大值變化規(guī)律類似，整體升溫產(chǎn)生的效應(yīng)值為整體降溫的1.125 倍，原因是在考慮溫度效應(yīng)時(shí)取原始溫度為0℃，整體升溫為27℃，整體降溫為-24℃，整體升溫?cái)?shù)值為整體降溫的1.125 倍。

圖3 不同計(jì)算跨徑下的溫度效應(yīng)影響

由圖3（a）～圖3（c）可見，各計(jì)算跨徑的組合橋梁在不同的整體溫度工況下，內(nèi)、外側(cè)梁的最大彎矩值均隨計(jì)算跨徑的增大而增大，當(dāng)計(jì)算跨徑由l=4×20m 增至l=4×40m，整體升、降溫工況下內(nèi)側(cè)梁彎矩最大值的增幅分別為29.54%、29.46%，外側(cè)梁最大彎矩值的增幅分別為22.33%、21.01%。且內(nèi)、外側(cè)最大彎矩圖在數(shù)值上差別不大，特別的有計(jì)算跨徑在20m 和30m 的時(shí)候會稍有區(qū)別，在其他跨徑下兩側(cè)主梁的最大彎矩值基本相同。除計(jì)算跨徑為4×25m 的組合梁橋外，整體升溫下內(nèi)側(cè)主梁產(chǎn)生的最大剪力值略大于外側(cè)梁，但最大剪力值數(shù)值都很小。在整體升溫作用下，內(nèi)、外側(cè)主梁最大剪力值隨著計(jì)算跨徑的增大而減小，當(dāng)計(jì)算跨徑由l=4×20m 增至l=4×40m 時(shí)，內(nèi)、外側(cè)主梁最大彎矩值的降幅分別為62.05%、78.21%。在整體升溫作用下，內(nèi)、外側(cè)主梁最大扭矩值隨著計(jì)算跨徑的增大整體上呈下降趨勢，并且下降幅度特別大，說明整體溫度作用下組合梁橋的扭矩值關(guān)于計(jì)算跨徑的敏感性很高，但是由于扭矩整體的數(shù)值非常小，所以整體升溫對主梁扭矩影響很小。綜上來看，整體溫度作用下組合梁橋的溫度效應(yīng)關(guān)于計(jì)算跨徑的參數(shù)敏感性很高。

在正溫度梯度作用下，各計(jì)算跨徑的組合梁橋控制截面處的最大彎矩變化值成規(guī)律性變化，主梁抗彎最不利截面位于兩邊跨內(nèi)支點(diǎn)處。從數(shù)值上看，正溫度梯度作用下在組合梁橋上產(chǎn)生的彎矩值很大，以原始橋例（R250、4×25m、雙主梁構(gòu)造）為例主梁在正溫度梯度作用下的彎矩最大值分別為1701.32kN·m。在正溫度梯度作用下，各個計(jì)算跨徑的組合梁橋彎矩分布規(guī)律性強(qiáng)，主梁彎矩變化最大值隨計(jì)算跨徑的增大而增大，當(dāng)計(jì)算跨徑由l=4×20m 增至l=4×40m 時(shí)，主梁的彎矩最大值由1404.25kN·m 增至1701.32kN·m，增幅為21.15%。各跨剪力值的分布規(guī)律呈現(xiàn)出較大的差異性；主梁剪力值分布規(guī)律基本相同，在各支點(diǎn)處有較大突變，主梁抗剪最不利截面位于兩邊跨內(nèi)支點(diǎn)處。以原始橋例（4×40m）為例，主梁在兩抗剪最不利截面處的剪力值分別為-88.09kN（第一跨內(nèi)支點(diǎn)）、88.09kN（第四跨內(nèi)支點(diǎn)）。

3.2 鋼梁高跨比的影響規(guī)律

由圖4（a）～圖4（c）可見，在整體升溫作用下，主梁最大彎矩值隨鋼梁高跨比的增大而增大，當(dāng)鋼梁高跨比由1/27 變?yōu)?/18 時(shí)，主梁最大彎矩值的增幅為46.74%。由此說明，相比于車道荷載，在整體溫度作用下，組合梁橋的最大彎矩值關(guān)于鋼梁高跨比的參數(shù)敏感性很高。在整體溫度作用下，各鋼梁高跨比的組合梁橋主梁的剪力最大值變化規(guī)律類似，整體升溫產(chǎn)生的效應(yīng)值為整體降溫的1.125倍，原因與彎矩相同。整體升溫下主梁產(chǎn)生的最大剪力值較為接近。在整體升溫作用下，主梁的最大剪力值隨鋼梁高跨比的增大而增大，當(dāng)鋼梁高跨比由1/27 變?yōu)?/18 時(shí)，主梁最大剪力值的增幅為35.88%。在整體升溫作用下，內(nèi)、外側(cè)主梁最大扭矩整體呈下降趨勢，當(dāng)鋼梁高跨比由1/27 變?yōu)?/18 時(shí)，其降幅為51.40%。

圖4 不同鋼梁高跨比下的溫度效應(yīng)影響

正溫度梯度作用下，在組合梁橋上產(chǎn)生的最大彎矩值很大，以高跨比為1/18 的橋例為例，主梁在正溫度梯度作用下的彎矩最大為1733kN·m。在正溫度梯度作用下，各個鋼梁高跨比的組合梁橋彎矩值差異較大，主梁彎矩最大值均隨鋼梁高跨比的增大而增大，如當(dāng)鋼梁高跨比由1/27增至1/18 時(shí)，主梁的彎矩最大值由1223kN·m 增大為1733kN·m，增幅為41.70%?？傮w來說，在正溫度梯度作用下，組合梁橋彎矩值關(guān)于鋼梁高跨比的參數(shù)敏感性較高，且內(nèi)、外側(cè)梁的敏感度較為接近。各跨內(nèi)的剪力分布規(guī)律呈現(xiàn)出較大的差異性，在各支點(diǎn)處有較大的突變，主梁抗剪最不利截面位于兩邊跨內(nèi)支點(diǎn)處。以高跨比為1/18 的橋例為例，主梁在兩抗剪最不利截面處的剪力值分別為-78.29kN（第一跨內(nèi)支點(diǎn)）、78.29kN（第四跨內(nèi)支點(diǎn)）。在正溫度梯度作用下，主梁的剪力值（絕對值大?。╇S鋼梁高跨比的增大而減小，當(dāng)鋼梁高跨比由1/27 增至1/18 時(shí)，主梁的最大剪力值由81.14kN 減小為74.81kN，降幅為8.46%。由此可知，在正溫度梯度作用下，主梁的剪力值關(guān)于鋼梁高跨比的敏感性較高，鋼梁高跨比的變化會對組合梁橋在梯度溫度作用下的剪力值產(chǎn)生較大影響。主梁的扭矩分布規(guī)律類似，在全橋范圍內(nèi)的扭矩分布大致關(guān)于跨中中心反對稱，扭矩分布呈現(xiàn)出不光滑的峰谷交替鋸齒狀，震蕩往復(fù)頻率較高，尤其是在各中支點(diǎn)處會出現(xiàn)較大的起伏，說明中橫梁等橫向聯(lián)系會對扭矩值的變化產(chǎn)生較大影響。以原始橋例（R250、4×25m、雙主梁構(gòu)造）為例，主梁的最大扭矩值為101.96kN·m。在正溫度梯度作用下，主梁扭矩最大值均隨主梁高跨比的增大而增大，當(dāng)鋼梁高跨比由1/27增至1/18 時(shí)，主梁的最大扭矩值從29.58kN·m 增大到35.18kN·m，其增幅為18.93%?？梢姡摪褰M合梁橋的扭矩最大值關(guān)于鋼梁高跨比的參數(shù)敏感性較高，鋼梁高跨比的變化會對扭矩值產(chǎn)生較大的影響。

4 結(jié)論

通過改變鋼板組合梁的設(shè)計(jì)參數(shù)，本章研究了計(jì)算跨徑和鋼梁高跨比對其受力性能的影響。在整體升降溫和主梁截面梯度升降溫作用下，剪力和扭矩較小，可忽略。然而，整體升降溫對主梁彎矩的影響顯著，達(dá)到自重+汽車荷載下彎矩的10%。曲率半徑的變化影響組合梁橋的彎曲程度，越大則越接近直橋，彎扭耦合效應(yīng)減弱，內(nèi)外側(cè)主梁受力更均勻。在溫度梯度作用下，剪力和扭矩可忽略，但整體升降溫對主梁彎矩的影響更大，變化略大于溫度梯度作用下的彎矩。