某高速公路40m跨簡支槽型鋼組合梁縱橫向受力分析

作者簡介：楊千里（1985—），工程師，主要從事路橋施工工作。

文章以某高速公路40 m跨簡支槽型鋼組合梁為研究對象，對結(jié)構(gòu)設(shè)計情況進行了闡述，借助Midas Civil有限元軟件，基于梁格法對槽型鋼梁縱向受力進行了計算分析，考慮活載分布寬度，得到了鋼筋混凝土橋面板裂縫寬度。分析表明，該設(shè)計的槽型組合梁受力較好，滿足使用要求。

簡支槽型鋼組合梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計；縱向受力；橫向受力

U448.21+6A471673

0?引言

公路交通網(wǎng)是實現(xiàn)城鎮(zhèn)互通互聯(lián)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在公路建設(shè)中，橋梁占據(jù)重要而不可替代的位置。除小半徑互通匝道外，公路橋梁大多采用常規(guī)跨徑裝配式小箱梁和T梁形式，跨徑大多取25 m、30 m和40 m，此類橋梁結(jié)構(gòu)形式簡單，施工工藝成熟，因此在過去的幾十年里得到了極大的推廣應用。近年來，減碳、降耗理念首先在建筑業(yè)進行了一定規(guī)模的推廣，而后，公路交通行業(yè)也掀起了一場工業(yè)化浪潮。對于沿海平原地區(qū)，機械化程度高，樁基已嘗試采用預制管樁，預制墩柱和節(jié)段梁也進行了實踐與嘗試，并形成了成熟完備的施工工藝。對于中小跨徑橋梁而言，國內(nèi)設(shè)計單位和研究院所開展了鋼板組合梁和鋼箱組合梁的相關(guān)研究［1-2］，形成了典型路幅寬度下的標準圖集，使鋼混組合結(jié)構(gòu)在目前公路交通行業(yè)中占據(jù)重要地位。近年來，鋼混組合橋梁設(shè)計、施工和運維管養(yǎng)等仍是橋梁研究的重要課題。

槽型組合梁由開槽的鋼箱梁與橋面板通過焊釘連接鍵組成，與鋼板組合梁相比，抗扭性能較好，可適用于彎橋，與鋼箱組合梁相比，節(jié)約了鋼材用量，結(jié)構(gòu)輕盈，考慮到鋼材受拉性能好，混凝土受壓承載力高的優(yōu)勢，槽型組合梁更加適用于常規(guī)跨徑簡支橋梁中。陳卓異等將波形鋼腹板代替混凝土腹板，基于模型試驗研究了槽型組合梁的破壞特征［3］；郭智磊從節(jié)段劃分、施工安裝角度分析了鋼箱組合梁的優(yōu)勢［4］；萬淑敏等基于Midas Civil軟件建立了50 m跨簡支鋼箱組合梁受力模型，重點分析了臨時支架對施工過程受力的影響［5］。由于槽型組合梁結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)較晚，目前對于鋼混組合梁相對缺少對槽型組合梁設(shè)計和受力方面的研究。基于此，參考鋼箱組合梁研究思路，本文選取適用性較強的40 m跨簡支槽型組合梁為研究對象，介紹了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計情況，分別考慮縱橫向受力特點對鋼槽型梁和混凝土兩種材料進行了驗算分析，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應用提供參考。

1?工程背景

某高速公路止點段連接城市重要節(jié)點，受橋下空間利用的影響，入城段盡量少墩，上部結(jié)構(gòu)輕盈美觀。在混凝土橋、鋼橋和鋼混組合橋三者方案比選過程中，擬采用能兼顧梁高和施工工期因素的槽型組合梁方案。橋梁主要技術(shù)標準如下：設(shè)計速度為120 km/h；雙向八車道，橋?qū)?7.75 m；地震動加速度為0.05 g；主梁采用分離式槽型組合梁設(shè)計，橋面荷載采用公路-Ⅰ級。支點和跨中橫斷面分別如圖1和圖2所示，梁高為2 200 mm，鋼梁高度為1 800 mm，鋼筋混凝土板厚度為400 mm。

設(shè)計時，為適應主梁受彎和受剪需要，將40 m跨槽型組合梁劃分為5個梁段，包含兩個梁段A，長度均為4 500 mm，兩個梁段B，長度均為9 000 mm，1個梁段C，長度為12 900 mm，梁段內(nèi)布設(shè)框架橫隔板，間距為5 000 mm。如圖3所示。

槽型鋼梁鋼材均采用Q345qD，不同梁段槽型鋼梁上下翼緣和腹板厚度按照不同參數(shù)取值，適應受力需求。板厚變化見表1。

2?有限元模型

2.1?縱向分析有限元模型

有限元模擬時需要考慮鋼混組合結(jié)構(gòu)的施工過程，上部結(jié)構(gòu)施工過程主要分為5步：（1）槽型鋼梁安裝；（2）澆筑橋面板混凝土；（3）橋面板混凝土達到設(shè)計強度，與槽型梁形成共同受力的聯(lián)合截面；（4）二期鋪裝施工；（5）收縮徐變。槽型鋼梁橫向通過高度為500 mm的焊接工字鋼相連接，采用施工階段聯(lián)合截面，按照不同施工順序分別激活槽型鋼單元和橋面板混凝土單元，橫向按照梁格法［6］建立虛擬橋面板混凝土單元，確保橫向傳力的需要?？蚣軝M隔板按照節(jié)點荷載考慮，焊縫重量按照1.5%的槽型鋼梁自重系數(shù)進行考慮?；贛idas Civil軟件，所建立的縱向分析有限元模型如圖4所示。

2.2?橫向分析有限元模型

根據(jù)縱橫向跨度大小，橋面板混凝土為單向板，在活載作用下，荷載主要沿橫向進行分配。橋面板瀝青混凝土鋪裝層厚度為10 cm，計算得到平行于板跨徑方向的荷載分布寬度為0.8 m，垂直于板跨徑方向的荷載分布寬度按照規(guī)范進行計算取值［7］，取橋面板有限元模型縱向長度為1 m，單輪加載輪載為70 kN，縱向分析有限元模型如圖5所示。其中，單元按從左到右進行編號，共計38個單元。

3?縱橫向計算分析

3.1?縱向計算分析

考慮施工過程最不利受力狀態(tài)，即橋面板混凝土作為外荷載不參與結(jié)構(gòu)受力階段，混凝土濕重容重取26 kN/m3。槽型鋼梁應力云圖如圖6所示，上、下翼緣應力最大值分別為-109.4 MPa（壓）和107.0 MPa（拉），最大值均位于跨中截面位置。整體而言，截面應力分布與彎矩分布相符合，梁段劃分符合應力變化規(guī)律。

為分析成橋后槽型鋼梁持久狀況下的承載能力，取基本組合（1.2恒載+1.4偏載+1.05梯度溫度）為加載工況，活載按照4車道偏載進行布置，此時邊梁截面應力處于不利狀態(tài)。計算得到成橋后的基本組合下槽型鋼邊梁應力云圖如圖7所示，基本組合下，上下翼緣最大應力為-180.7 MPa（壓）和237.8 MPa（拉），考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1后，應力最大值為261.6 MPa，其數(shù)值接近《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64-2015）強度設(shè)計值270 MPa限制要求［8］。從施工階段到成橋階段而言，考慮組合系數(shù)及活載作用后，應力增幅明顯。經(jīng)分析，對于槽型鋼邊梁跨中截面下翼緣而言，在基本組合荷載成分中，活載占比為28.8%，因此大跨度鋼結(jié)構(gòu)應加強活載效應的分析。

3.2?橫向計算分析

將橫向分析有限元模型中槽型鋼上翼緣與橋面板混凝土接觸部分進行固結(jié)約束。橫向受力主筋直徑截面上層取20 mm，截面下層取16 mm，強度等級為HRB400，橫向間距為12 cm?？紤]荷載縱橫向分布寬度，對橋面板鋼筋混凝土構(gòu)件進行持久狀況下的承載能力和裂縫寬度進行驗算分析。計算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

結(jié)果表明：（1）抗彎最不利截面位于邊支點負彎矩處，即槽型鋼邊梁上翼緣與橋面板混凝土連接處，最大負彎矩組合值為-139.8 kN·m，小于彎矩抵抗值-265.4 kN·m。此外，最大正彎矩組合值為38.7 kN·m，小于彎矩抵抗值95.6 kN·m，抗彎承載力最小安全系數(shù)為1.9，橋面板抗彎承載能力較好，滿足規(guī)范要求；（2）橋面板混凝土裂縫寬度最大值受負彎矩控制，出現(xiàn)在截面頂緣位置，最大值為0.084 mm，小于規(guī)范0.2 mm限值要求?？缰凶畲笳龔澗匾鸬牧芽p寬度為0.047 mm，根據(jù)裂縫寬度計算結(jié)果及分布規(guī)律，分離式槽型鋼組合梁橋面板混凝土在進行橫向配筋時，截面頂緣處的鋼筋規(guī)格應大于底緣，確保裂縫寬度滿足要求。

經(jīng)試算分析，鋼筋規(guī)格配置對裂縫寬度的影響比抗彎承載能力更敏感。由于橋面板混凝土設(shè)計受負彎矩控制，此處在截面頂緣配置直徑為20 mm的主筋的基礎(chǔ)上，保持底緣鋼筋和間距不變，進一步對比分析直徑分別為14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、25 mm和28 mm的主筋對裂縫寬度的影響，如圖10所示。

根據(jù)以上計算結(jié)果，當橋面板混凝土截面頂緣鋼筋直徑＜20 mm時，負彎矩區(qū)裂縫寬度將＞0.1 mm。負彎矩區(qū)混凝土開裂形成受力裂縫后會威脅行車安全，可能導致槽型梁箱內(nèi)出現(xiàn)銹蝕，影響結(jié)構(gòu)耐久性。對于鋼筋混凝土橋面板構(gòu)件而言，應嚴格控制槽型組合梁負彎矩區(qū)混凝土裂縫寬度，建議≤0.1 mm，便于后期橋梁的管養(yǎng)維護。

4?結(jié)語

本文以某高速公路40 m跨簡支槽型鋼組合梁為研究對象，基于Midas Civil軟件進行了縱橫向受力數(shù)值模擬分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）將槽型鋼梁根據(jù)受力需要劃分成5個不同板厚參數(shù)的縱向梁段，經(jīng)縱向受力分析，成橋狀態(tài)下承載能力小于規(guī)范限值，槽型鋼梁幾何尺寸設(shè)計經(jīng)濟合理。

（2）經(jīng)橫向受力分析，分離式槽型組合梁鋼筋混凝土橋面板承載能力和裂縫寬度均受鋼-混連接處負彎矩區(qū)控制。在本文所選取的槽型組合梁結(jié)構(gòu)尺寸條件下，橋面板橫向應按照雙筋截面進行配筋，建議截面頂緣處鋼筋直徑應≥20 mm。

參考文獻

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