鋼-混組合梁橋支座橫向間距對橫梁受力性能的影響分析

孟淼

（中鐵七局集團有限公司第二工程有限公司，沈陽 110000）

1 工程概況

鋼-混凝土組合結構橋梁通過2 種材料的共同工作，充分發揮了混凝土抗壓和鋼材抗拉性能上的優勢，避免了混凝土受拉開裂和鋼材受壓失穩的問題。組合結構具有結構自重輕、施工性能好等方面的優點，得到廣泛運用【1~5】。本文依托某42m+2×70m+42m 鋼-混組合梁結構跨越繞城高速橋梁。鋼混組合梁中支點直線段長度4m，梁高4.2m；邊支點直線段長度10m，梁高2.6m。本文針對2 支座間距較小的外伸橫梁及2 支座間距布置在橫梁兩端的一般橫梁分別用ANSYS 軟件進行精細化建模計算【6，7】，分析了各自在最不利荷載工況作用下的受力性能，并進行了對比，為類似工程設計提供了參考。

2 橫梁的計算圖式

為方便建模計算，本案例將縱向橋面板在計算單元范圍內的恒載、活載傳遞到橫梁上，按照公路-Ⅰ級荷載標準值取值，在各個可能出現的工況中選取了最不利荷載組合工況進行計算。

1）橫梁的簡化模型：橋面板的縱向長度l 取值2 780mm；橫梁可看作簡支梁，考慮間距為2.85m 與7.0m 2 種情況。

2）荷載取值：依據相關規范【8~11】，承載能力極限狀態恒載乘以1.2 倍系數，活載乘以1.4 倍系數。

3 有限元建模

鋼-混組合箱梁橫梁局部模型采用大型空間有限元程序ANSYS 進行精細化的實體有限元分析，利用橋梁結構整體最不利荷載工況及對應的力邊界條件，將鋼-混組合箱梁橫梁看作簡支梁，根據計算簡圖考慮支座大小間距影響，對局部有限元模型進行加載，即可得到鋼-混組合箱梁局部模型局部應力水平和應力分布狀態。

4 有限元結果分析

4.1 承載力極限狀態計算

4.1.1 第一主應力計算（最大拉應力）

承載能力極限狀態下，大小間距對鋼結構最大應力云圖分布形式影響不大，圖1 為大間距情況下鋼結構最大拉力分布云圖。由圖1 看出，支座間距不同情況下鋼結構絕大部分區域處于底板全截面受拉、兩邊腹板大部分截面受拉、整個鋼箱受拉應力區域呈凹槽狀。結果顯示，大間距支座布置最大主拉應力為50.507 2MPa，小間距支座布置最大主拉應力為34.639 9MPa，均小于鋼結構極限承載能力。比較二者可以看出，小間距最大拉應力受力狀況優于大間距受力狀況。

圖1 鋼結構最大拉應力分布云圖

承載能力極限狀態下，大小間距對混凝土部分最大應力云圖分布形式影響不大，圖2 為大間距情況下混凝土橋面板最大拉力分布云圖。由圖2 看出，支座間距不同情況下預應力混凝土板絕大部分區域處于理想受壓狀態。支座間距不同對預應力混凝土板受力影響不大。預應力混凝土板兩端出現較大拉應力原因為預應力鋼絞線兩端錨固引起的應力集中所致，該區域結果失真可以忽略。

4.1.2 第三主應力計算（最大壓應力）

承載能力極限狀態下，支座間距不同情況下鋼結構絕大部分區域處于頂板全截面受壓、整個鋼箱受壓應力區域向下凸起，大間距支座布置情況下鋼結構壓應力從頂板傳遞至箱梁中部位置時向兩邊腹板底角傳遞，形成平扁“X”形分布狀，而小間距情況下呈下凹狀，未向兩邊腹板底角傳遞。大間距支座布置最大主壓應力為60.000 1MPa，小間距支座布置最大主壓應力為46.421 5MPa，均小于鋼結構極限承載能力。比較二者可以看出，小間距最大拉應力受力狀況優于大間距受力狀況。

圖2 混凝土板最大拉應力分布云圖

4.1.3 鋼束內力計算

承載能力極限狀態下，大、小間距支座布置情況下預應力鋼束內力分布相差不大，鋼束受力均處于設計允許范圍內，滿足規范要求。

4.1.4 剪力計算

承載能力極限狀態下，大、小間距支座布置情況下鋼結構與預應力混凝土板剪力分布相差不大，大間距支座布置情況下橫梁結構中鋼結構與混凝土橋面板結構剪力分布均呈現均勻對稱分布，由于建模原因，鋼絞線端部錨固與支座位置出現應力集中可以忽略。

4.2 正常使用極限狀態變形計算

正常使用極限狀態下，大間距支座布置鋼-混組合箱梁橫梁結構最大撓度為-2.665 43mm，懸臂端混凝土板上撓10.733 1mm；小間距支座布置最大撓度為-0.438 954mm，懸臂端混凝土板上撓11.780 1mm；比較二者可以看出，鋼-混組合箱梁橫梁結構小間距支座布置變形狀況優于大間距支座布置情況下變形狀況。

5 結語

1）鋼-混組合箱梁橫梁結構在極限承載能力狀況下鋼結構部分受力分布均勻、合理，預應力混凝土橋面板大部分區域均處于理想三向受壓狀態，滿足規范要求且設計富余度合理；

2）橫梁支座間距對鋼-混組合箱梁橫梁結構整體受力有影響，本文設定的小間距支座情況下鋼-混組合箱梁橫梁結構受力與變形更優，建議在設計施工過程中考慮。