斜彎鋼—混組合梁橋橋面板空間受力分析

朱鴻煥

(浙江工業大學 土木工程學院 杭州市 310014)

1 概述

隨著對城市道路和高速公路的要求越來越高，大量的新建改建道路，特別是高速互通匝道受到原有道路的限制，新道路需要斜向穿越原有路線的同時彎曲改變行進方向滿足人們日益增高的對于交通運輸的要求[1]，促進了斜彎鋼-混組合梁橋的出現。斜彎橋相對于直線橋具有更強的環境適應性，不僅能夠應用于城市空間立體交通，還能實現有效跨越山區某些河流以及道路的目的，從空間上有效解決兩條或者多條公路交匯的問題[2]。

鋼—混凝土組合梁橋與傳統混凝土箱梁不同的是，組合梁箱梁部分采用工廠預制鋼結構，橋面板部分為鋼筋混凝土結構，再通過等剪力件[3]將兩者連接成一個共同作用的整體，該組合結構能在橫截面內共同受力，可充分發揮鋼材抗拉、混凝土抗壓性能好的優點，具有承載力高、抗震動力性能好、箱梁截面尺寸小、重量小等特點，鋼—混凝土組合梁橋近年來得到了較為廣泛的應用[4]。

但是由于斜彎橋平面線形的曲線性以及支承與下部公路或者河流斜交的影響，斜彎橋的受力遠比正直橋復雜，最典型的就是彎-扭耦合特性[5]，受力復雜[6]，這給斜彎橋的結構設計以及施工帶來了巨大的挑戰。

2 工程背景

本文依托工程為杭州繞城西復線汪家埠樞紐F匝道2號橋，該橋為85m鋼—混組合梁橋，鋼箱高2.5m，采用Q345d，橋面板厚220mm，采用 C40鋼纖維混凝土，鋼纖維長度控制在25～50mm。結構長84.88m，跨距中心布置為45m+40m，平面處于緩和曲線內(R=250m)，橋面橫坡4%，考慮到鋼混組合梁上跨項目主線，高速中分帶較窄，中墩采用錯孔布置， F匝道2號橋平面圖見圖1。

3 有限元模擬

3.1 全橋模型

使用Midas Civil有限元軟件建立F匝道2號橋全橋模型，如圖2所示。全橋237個節點，157個梁單元。其中臨時支撐節點84個，永久支撐節點10個，使用施工階段聯合截面建立組合截面，分為8個施工階段：吊裝五段主梁、焊接主梁整體、澆筑正彎矩橋面板、澆筑負彎矩橋面板、拆除臨時支撐、強制位移80mm、二期恒載和收縮徐變。頂升落梁施工采用在中間橋墩處施加支座強迫位移的方法進行模擬，頂升高度80mm。

3.2 局部精細模型

在Midas Civil計算獲得最不利組合的基礎上通過大型通用有限元軟件ABAQUS[7]建立了F匝道2號橋負彎矩區局部精細化模型研究斜彎組合梁案例橋負彎矩區橋面板的空間受力不對稱性。為減少圣維南原理對局部模型應力分布情況的影響，局部模型總長度在24m左右，兩端距離中間負彎矩位置距離在4m以上。

圖1 F匝道2號橋平面圖(單位：cm)

圖2 全橋有限元模型

橋面板與鋼箱采用綁定進行約束，設置殼—實體耦合實現殼的邊與實體的面運動耦合。

為保證網格質量，在鋼板集中及不規則區域網格進行精細化布種劃分，在橋面板負彎矩區域適當提高布種密度，局部模型網格劃分如圖3。

圖3 組合梁負彎矩段模型網格劃分

4 施工階段受力分析

4.1 全橋模型受力分析

根據Midas模型計算，施工階段中拆除臨時支撐時橋面板拉應力最大，各階段應力圖如圖4所示。

由圖4可知，斜彎組合梁橋面板明顯呈現出沿橋長方向受力的不對稱性，在各個關鍵施工階段，拉應力最大處均出現在41m和51m處，這兩處分別為組合梁內外側支座所在位置。此外，橋面板最大拉應力出現在拆除臨時支撐階段受彎內側，達到了3.55MPa，而外側的應力值為3.24MPa，略低于內側。施加強制位移80mm階段，橋面板拉應力大幅度減小，最大拉應力僅為0.3MPa。在隨后的成橋階段應力有了一定的增加，在二期恒載階段，內側最大拉應力為1.21MPa，而外側最大拉應力為1.57MPa，外側大于內側且均出現在兩側支座處。由此可知，在線形彎曲的影響下，負彎矩橋面板外側拉應力小于內側拉應力；中間支座施加同樣的強制位移由于彎曲線形會造成對內側影響大于外側，從而使得外側橋面板拉應力大于內側。

4.2 局部精細模型受力分析

根據負彎矩段在整體Midas模型中的受力情況，分別截取橋面板和鋼箱梁兩端的內力情況，將之以邊界條件的形式通過參考點的方法加載在ABAQUS模型橋面板以及鋼箱梁的兩端，實現準確加載[8]。將聯合截面剪力均施加至鋼箱梁部分，整體模型中負彎矩段的局部受力，橋面板和鋼箱梁的荷載設置如表1。

圖5為組合梁橋面板最大主應力在ABAQUS可視化中的云圖，即最大主應力圖。由圖5所示，組合梁橋面板最大主拉應力值為6.33MPa，位于內側支座附近。由于斜支承影響，兩側拉應力較大區域均位于支座內側附近，且呈斜向分布，與支座方向保持一致，彎橋效應影響受拉區域相對外側較大。最大拉應力不在支座對應位置，彎橋效應使其向內側偏移1.3m左右。

圖4 關鍵施工階段負彎矩橋面板組合應力圖

表1 拆除臨時支撐局部模型計算狀態荷載

圖5 組合梁橋面板最大主應力圖

5 結論

針對杭州繞城西復線汪家埠樞紐F匝道2號橋，運用MidasCivil和ABAQUS有限元軟件分別建立全橋模型和局部精細模型，對施工過程中的關鍵階段混凝土橋面板進行受力分析，得到如下結論：

(1)中間支承為斜支承時，會造成梁橋受力呈現不對稱狀態。具體表現為，在支座處截面負彎矩橋面板拉應力最大，向兩端遞減。

(2)彎橋對負彎矩內側橋面板影響更大。梁橋為曲線橋時，彎橋效應會造成負彎矩內側拉應力大于外側拉應力，與支座反力正好相反。但當對中間支承施加相同的強制位移后，會造成內側應力小于外側應力。

(3)強制位移對負彎矩區施加的壓力在內外側的影響不同，為保證施加強制位移后橋面板內外側應力相近，內側施加的強制位移應小于外側。