小半徑管翼緣組合梁橋剛度及動(dòng)力性能研究

摘要 文章對(duì)管翼緣組合梁曲線橋和工字鋼-混凝土組合梁曲線橋進(jìn)行了工程實(shí)例的對(duì)比，以國(guó)內(nèi)某橋?yàn)槔?，采用?6+48+36） m連續(xù)管翼緣組合梁橋和（36+48+36） m連續(xù)工字鋼混凝土組合梁橋，平面位于半徑為100 m的圓曲線上，橫向布置為單向三車(chē)道，荷載等級(jí)為公路-I級(jí)。通過(guò)Midas Civil軟件對(duì)兩種方案進(jìn)行了建模分析，并考慮恒載、移動(dòng)荷載、溫度作用和支座沉降等因素，對(duì)兩種方案的橋型結(jié)構(gòu)剛度及動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)算分析。

關(guān)鍵詞 管翼緣組合梁；小半徑曲線橋；動(dòng)力性能

中圖分類(lèi)號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）17-0122-03

0 引言

近年來(lái)，在對(duì)已有的鋼-混組合梁研究基礎(chǔ)上，隨著材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，鋼-混凝土組合梁出現(xiàn)了多種截面形式及多種新材料[1]。其中，由美國(guó)Lehigh大學(xué)Sause教授[2]提出的新型管翼緣組合梁就是一種新型鋼-混組合梁，將工字鋼-混凝土組合梁中的平板上翼緣用矩形或圓形代替形成新型的鋼-混凝土組合梁，其中管翼緣可以采用內(nèi)填混凝土或空心截面形式。

國(guó)內(nèi)已建成的管翼緣組合梁橋有陜西省眉縣常興鎮(zhèn)魏家堡水電站的常興二號(hào)橋、跨黃延高速的K18+496.141車(chē)行天橋。眉縣常興二號(hào)橋?yàn)橐豢?4 m矩形管翼緣鋼-混凝土簡(jiǎn)支梁橋[3]，橋?qū)?6 m，主梁采用6片簡(jiǎn)支的新型管翼緣組合梁，鋼主梁間距為2.8 m；跨黃延高速K18+496.141車(chē)行天橋采用兩跨2×28 m連續(xù)梁，橋面寬5.5 m，采用3片焊接矩形管翼緣組合梁，主梁間距為1.8 m，鋼梁1.25 m。兩座已建成的矩形管翼緣組合梁橋如圖1所示：

圖1 國(guó)內(nèi)已建成管翼緣鋼混組合梁橋照片

對(duì)管翼緣組合梁曲線橋和工字鋼-混凝土組合梁曲線橋進(jìn)行工程實(shí)例的對(duì)比，利用Midas Civil軟件對(duì)曲線管翼緣組合梁橋及曲線工字鋼組合梁橋，在不同荷載組合下的剛度及動(dòng)力性能進(jìn)行研究。

1 工程概況

對(duì)新型管翼緣組合梁橋和工字型組合梁橋進(jìn)行深入的對(duì)比分析。實(shí)例采用（36+48+36） m連續(xù)管翼緣組合梁橋和（36+48+36） m連續(xù)工字鋼混凝土組合梁橋，平面位于半徑為100 m的圓曲線上，橫向布置為單向三車(chē)道，斷面橫向采用5片焊接組合梁作為主梁，主梁梁高2.2 m，主梁中心間距為2.8 m，懸臂寬度為1.4 m，荷載等級(jí)為公路-I級(jí)。

通過(guò)Midas Civil軟件對(duì)兩種方案進(jìn)行建模分析，并考慮恒載、移動(dòng)荷載、溫度作用和支座沉降等因素，對(duì)兩種方案的橋型剛度及動(dòng)力性能進(jìn)行分析。

主要材料如下：

（1）混凝土

主梁方管翼緣內(nèi)填C50收縮自補(bǔ)償型微膨脹混凝土，橋面板采用C50混凝土，橋面鋪裝為水泥混凝土。

（2）普通鋼筋

采用符合《鋼筋混凝土用鋼 第1部分：熱軋光圓鋼筋》（GB 1499.1—2008）和《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB 1499.2—2007）相關(guān)規(guī)定的HPB300、HRB400鋼筋。

（3）鋼材

所用鋼結(jié)構(gòu)部分的鋼材均使用Q345qCNH鋼板。

（4）高強(qiáng)螺栓

鋼梁連接所用的高強(qiáng)螺栓、螺母、墊圈符合GB/T 1228～1231—2006的要求。

（5）橋面鋪裝

鋪設(shè)10 cm厚的水泥混凝土。

2 兩種組合梁橋設(shè)計(jì)方案

2.1 矩形管翼緣鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)方案

主梁由縱梁、橫梁和橋面混凝土板組成，鋼結(jié)構(gòu)部分含主梁、橫梁；鋼結(jié)構(gòu)部分均采用Q345qCNH鋼材。40 m跨主梁梁高2.2 m，鋼結(jié)構(gòu)部分高度為1 920 mm，橫向5片鋼梁梁高一致。上翼緣方管尺寸為（500×250×14） mm，下翼緣板厚度為30 mm，寬720 mm，腹板厚16 mm。管翼緣組合梁橫斷面構(gòu)造如圖2所示。

2.2 工字鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)方案

工字鋼-混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)方案的工字鋼-混凝土組合梁與管翼緣-鋼混凝土組合梁的抗彎剛度相同，梁高、混凝土板尺寸均相同，各部分材料特性也相同，如圖3所示：

3 有限元計(jì)算分析

3.1 有限元模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，采用Midas Civil 2015軟件建立靜力分析的有限元模型，如圖4所示：

3.2 荷載施加

計(jì)算過(guò)程考慮恒載、汽車(chē)荷載、溫度作用、橋墩基礎(chǔ)不均勻沉降、風(fēng)荷載、活載風(fēng)、離心力等因素影響[4]。

3.3 荷載組合及計(jì)算分析斷面

在進(jìn)行主梁驗(yàn)算時(shí)，主要分析不同荷載工況下控制截面的鋼梁上下翼緣應(yīng)力、混凝土頂板應(yīng)力和組合梁的變形。計(jì)算分析斷面示意如圖5所示，A-A截面為第一跨支點(diǎn)截面，B-B截面為第一跨跨中截面，C-C截面為中支點(diǎn)截面，D-D截面為第二跨跨中截面，E-E截面為中支點(diǎn)截面，F(xiàn)-F截面為第三跨跨中截面，G-G截面為第三跨支點(diǎn)截面。

3.4 剛度分析

管翼緣鋼-混凝土組合梁的變形限值參考工字鋼-混凝土組合梁橋，結(jié)構(gòu)的豎向活載撓度應(yīng)不大于L/600；結(jié)構(gòu)在恒載、活載作用下的撓度之和大于L/1600時(shí)應(yīng)設(shè)置的預(yù)拱度，預(yù)拱度為計(jì)算得到的恒載位移，再疊加上1/2活載引起的最大位移，恒載、活載及不同荷載組合作用下的跨中最大撓度見(jiàn)表1所示。通過(guò)計(jì)算可知，在活載作用下兩種結(jié)構(gòu)的跨中最大撓度均小于L/600=80 mm，因此結(jié)構(gòu)變形符合規(guī)范要求。由于相同主梁片數(shù)、等梁高的管翼緣組合梁橫截面面積和抗彎剛度與傳統(tǒng)工字鋼-混凝土組合梁相等，但抗扭剛度較高，因此管翼緣鋼-混凝土組合梁橋的豎向撓度小于工字鋼-混凝土組合梁，表現(xiàn)出更強(qiáng)的整體剛度。

準(zhǔn)永久組合作用及基本組合作用下兩種組合梁B-B、D-D截面撓度如圖6所示。從圖6可看出，準(zhǔn)永久組合作用下的兩種組合梁撓度沿橫截面分布基本一致，管翼緣組合梁與工字鋼混凝土組合梁相比，撓度偏??；基本組合作用下的管翼緣組合梁撓度比工字鋼混凝土組合梁小10%～15%。

3.5 動(dòng)力特性分析

橋梁的動(dòng)力特性，只與結(jié)構(gòu)本身的固有性質(zhì)有關(guān)，頻率可以宏觀地表征結(jié)構(gòu)的剛度[5]。對(duì)兩座橋進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算，將恒載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量利用Lanczos法進(jìn)行特征值分析，兩座組合梁橋的頻率及振型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示。由計(jì)算結(jié)果可看出，管翼緣組合梁與工字鋼-混凝土組合梁的前三階振型相同，管翼緣組合梁橋各階自振頻率略高于工字鋼-混凝土組合梁橋，表現(xiàn)出更高的抗扭、抗彎剛度。

4 結(jié)論

該文在相同的工程背景下，分別設(shè)計(jì)了曲線管翼緣鋼-混凝土組合梁橋和工字鋼-混凝土組合梁橋，通過(guò)對(duì)兩種形式組合梁橋的剛度及動(dòng)力特性分析計(jì)算[6]，得到了如下結(jié)論：

準(zhǔn)永久組合作用下的兩種組合梁撓度沿橫截面分布基本一致，管翼緣組合梁與工字鋼混凝土組合梁相比，撓度偏小；基本組合作用下的管翼緣組合梁撓度比工字鋼混凝土組合梁小10%～15%。

對(duì)兩種截面形式的曲線組合梁橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析，發(fā)現(xiàn)兩種方案的前三階振型一致，分別為扭轉(zhuǎn)、橫向彎曲、豎彎與扭轉(zhuǎn)耦合[7]；管翼緣組合梁橋三階頻率均高于工字鋼-混凝土組合梁，表現(xiàn)出更高的抗彎、抗扭剛度。

參考文獻(xiàn)

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