鋼-混組合連續箱梁結構受力研究

朱 斌

(中電建冀交高速公路投資發展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

鋼混組合橋充分發揮了各自的性能特點，但鋼混結合后性能是否能充分發揮，是亟須研究的問題之一[1-5]。千里堤大橋是津石高速公路重點工程，是京津冀協同一體化的重要交通樞紐，千里堤特大橋主線橋為(55+80+55) m鋼混組合連續箱梁橋，該橋鋼混結合后的質量高低直接影響了橋梁的安全使用，因此本文以千里堤特大橋為工程背景，對千里堤特大橋主線橋(55+80+55) m鋼混組合連續箱梁橋進行施工階段和成橋階段內力分析，為該工程的順利、安全、快速施工提供保障。

1 橋梁概況

千里堤特大橋主橋孔徑布置及橋長基于防洪而設計，孔跨布置為(55+80+55) m鋼-混組合連續箱梁，左右幅錯孔，橋墩按右前夾角90°布置，橋臺正交布置。半幅橋梁長度為190 m，下部結構為柱式墩、樁基礎。

橋梁位于整體式路基上，橋梁與路基同寬，單幅橋梁全寬16.152 m，凈寬15.63 m。主梁橫向由3片單箱單室截面鋼箱梁組成，其中梁體與混凝土橋面板采用抗剪焊釘進行連接。千里堤大橋鋼箱梁梁間距為2.26 m，其中懸臂部分1.4 m，底板寬度為3.0 m，在中心線處，梁高2.0～4.3 m，主梁高2.5～4.6 m。

橋梁平面為圓曲線和緩和曲線，鋼梁按曲線預制，各片鋼梁的梁高變化段采用相同長度，內外側弧差由跨中等高段調整。為有效對負彎矩區混凝土橋面板施加預應力，千里堤大橋采用了“剪力釘群”方案。首先以較小間距形成焊釘群，再以較大間距將形成的焊釘群布置在翼緣長度方向上，并在澆筑混凝土時預留孔洞，當千里堤大橋施加預應力后采用微膨脹漿液填充孔洞，這樣將鋼梁和橋面板形成一個整體，共同發揮作用。千里堤大橋預留孔洞間距為1.2 m，大小為620 mm×420 mm，采用的焊釘尺寸大小為φ22 mm，長220 mm。各“剪力釘群”由4 行6列排立的20根焊釘組成，間距為100 mm。砂漿的強度為混凝土強度的1.3倍。

2 計算模型

2.1 有限元模型

全橋縱向計算時考慮橋面板之間的橫向連接作用，采用Midas Civil雙單元以及彈性連接模擬鋼縱梁與橋面板的實際受力過程，結合施工步驟對結構進行離散化。全橋按空間網格建模，全橋共1 016個節點，1 278個單元，建立全橋有限元模型如圖1所示。

圖1 組合橋梁Midas有限元模型圖

2.2 計算荷載及荷載組合

計算荷載及荷載組合如表1所示。

表1 荷載及荷載組合一覽表

3 計算結果分析

3.1 全橋施工階段受力分析

施工過程中，在混凝土橋面板澆筑并達到設計強度之前，鋼梁橫向聯系、澆筑的混凝土和模板的重量等，應由鋼梁承擔；在混凝土橋面板達到設計強度之后，二期恒載、活載、溫度荷載以及支座沉降荷載應由鋼梁和橋面板形成的組合截面共同承擔。經計算，整個施工過程中鋼梁上、下緣和橋面板上、下緣應力包絡如圖2～9所示。

圖2 施工階段鋼梁上緣最大應力云圖(MPa)

圖3 施工階段鋼梁上緣最小應力云圖(MPa)

圖4 施工階段鋼梁下緣最大應力云圖(MPa)

圖5 施工階段鋼梁下緣最小應力云圖(MPa)

圖6 施工階段橋面板上緣最大應力云圖(MPa)

圖7 施工階段橋面板上緣最小應力云圖(MPa)

圖8 施工階段橋面板下緣最大應力云圖(MPa)

圖9 施工階段橋面板下緣最小應力云圖(MPa)

依據規范，組合梁在施工階段，梁體的短暫狀況設計需要進行承載能力和穩定性驗算，如有特殊情況還需進行抗傾覆演算。其中承載能力和抗彎承載力驗算分別采用基本荷載組合、線彈性方法計算。并應符合式(1)規定：

(1)

式中：Md，i——鋼梁或組合截面的彎矩設計值；

Weff，i——鋼梁或組合截面的抗彎模量；

f——材料強度設計值。

通過計算可知：鋼梁最大拉應力：1.2×123.9=148.7 MPa<270 MPa；鋼梁最大壓應力：1.2×105.1=126.1 MPa<270 MPa；橋面板最大壓應力：1.2×15.5=18.6 MPa<22.4 MPa。結果表明，全部施工過程中結構承載能力滿足規范要求。

3.2 全橋成橋階段受力分析

3.2.1 全橋持久狀況承載能力極限狀態分析

(1)鋼梁抗彎承載力計算

采用線彈性計算方法進行組合梁截面抗彎承載能力驗算。計算中考慮恒載、支座沉降、汽車荷載、梯度溫度、體系溫度作用，其中汽車荷載按照三車道偏載布置，按照基本組合乘以各自的分項系數。基本組合下，鋼梁上、下緣應力包絡圖如圖10～11所示。

圖10 基本組合鋼梁上緣應力云圖(MPa)

圖11 基本組合鋼梁下緣應力云圖(MPa)

基本組合下，鋼梁最大拉應力位于邊梁中支點上緣，為149.9 MPa，小于鋼材抗拉設計強度270 MPa；鋼梁最大壓應力位于邊梁中跨跨中截面上緣，為-165.6 MPa，小于鋼材抗壓設計強度270 MPa。

(2)組合梁豎向抗剪承載力能力驗算

根據規范，豎向剪力設計值可取聯合截面最大剪力計算值，并由鋼梁腹板承擔。組合梁豎向抗剪，經計算在支點位置剪力最大，需驗算支點的截面豎向抗剪承載力。此時，組合梁中支點最大剪力為9 858 kN，端支點最大剪力為4 976kN。對其進行驗算有：

γ0ννd≤Vνu，Vνu=fνdAW

(2)

中支點：γ0ννd=9 858 kN<(25×4 180×2)×155/1 000=32 395 kN；端支點：γ0ννd=4 976 kN<(20×1 980×2)×155/1 000=12 276 kN，結果表明組合梁豎向抗剪承載力滿足要求。

3.2.2 全橋持久狀況正常使用極限狀態分析

(1)使用極限狀態橋面板正截面壓應力分析

在考慮預應力效應、荷載取標準值的情況下，混凝土橋面板正截面壓應力計算結果如圖12～13所示。

圖12 標準組合橋面板上緣應力云圖(MPa)

圖13 標準組合橋面板下緣應力云圖(MPa)

經驗算：組合梁混凝土頂板在標準值組合下出現最大壓應力15.4 MPa，小于規范C50混凝土σkc+σpt=16.2 MPa限值，滿足要求。

(2)使用極限狀態橋面板裂縫寬度分析

使用階段預應力混凝土橋面板分析在荷載短期效應組合下的正截面應力，主要計算結果如圖14～15所示。

圖14 短期組合橋面板上緣應力云圖(MPa)

圖15 短期組合橋面板下緣應力云圖(MPa)

在荷載短期效應組合下，橋面板出現最大拉應力為2.25 MPa，位于邊跨跨中位置，超出規范C50混凝土σkc+σpt≤0.7 fck=1.855 MPa，建議延長負彎矩鋼束布置，消掉此處超限拉應力區。除此之外，其余部位拉應力均滿足規范要求。

(3)剛度分析

汽車荷載作用下，結構的最大上撓為18.3 mm，橋梁的最大下撓為-36.6 mm，得到橋梁的計算撓度為54.9 mm=L/1457，該值小于規范的限值1/500，滿足要求。如圖16、圖17所示。

圖16 活載作用組合梁最大上撓云圖(MPa)

圖17 活載作用組合梁最大下撓云圖(MPa)

3.3.3 支座反力

標準值組合作用下，全橋各支座最大及最小反力如表2所示。

表2 支座反力計算結果對比表(kN)

結果表明，中支點最大支座反力為-7 274 kN，支座采用TXPZ-7.0支座，支座反力稍超出支座承載力，但考慮到計算是按超載1.3系數進行驗算的，因此中支點支座規格能滿足受力要求，端支點支座規格也滿足要求。

4 結語

經過分析得到，施工階段，鋼箱梁及混凝土橋面板強度均滿足規范要求；成橋階段，結構剛度及支座選型均滿足規范要求；成橋階段，鋼箱梁總體應力水平較低，最大壓應力為-165.6 MPa，最大拉應力為149.9 MPa，遠小于Q345qD的強度設計值270 MPa，建議適當優化梁高或者鋼板厚度；成橋階段，橋面板最大壓應力為15.4 MPa<16.2 MPa，滿足規范要求；橋面板在邊跨跨中附近截面上緣出現了2.25 MPa拉應力，>0.7 fck=1.855 MPa，不滿足A類預應力抗裂要求，建議延長負彎矩鋼束布置，消掉此處超限拉應力區。