寬幅鋼混組合箱梁橋精細(xì)化分析

李井輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

沈陽市東一環(huán)高架橋位于遼寧省沈陽市境內(nèi)，屬城市主動(dòng)脈的一段，是沈陽市東部地區(qū)快速路系統(tǒng)的重要組成部分。高架橋設(shè)計(jì)速度60 km/h，標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?3.5 m，雙向六車道。橋梁上部結(jié)構(gòu)主要采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑40 m的連續(xù)鋼混組合箱梁，下部橋墩采用花瓶墩，橋臺(tái)采用一字型臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)。

1 高架橋上部結(jié)構(gòu)簡介

高架橋在標(biāo)準(zhǔn)路段采用孔徑3 m×40 m一聯(lián)的連續(xù)鋼-混組合箱梁。箱梁寬23.5 m，為單箱六室的斜腹板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)線處梁高2.2 m，跨徑分界線處的支座間距為5.5 m，箱梁底板水平，橋面橫坡通過調(diào)整腹板高度形成。

1.1 組合梁構(gòu)造簡介

鋼混組合箱梁主要由槽形鋼主梁、鋼筋混凝土橋面板、剪力釘組成。槽形鋼主梁縱向受力構(gòu)件主要分為：上翼緣板、腹板、下翼緣板。上翼緣板共5道，每道寬度為70 cm；腹板共7道，包括5道豎直腹板、2道外包斜腹板；下翼緣板共1道，通長設(shè)置。槽形梁橫向受力構(gòu)件主要為跨中隔板、支點(diǎn)橫梁；跨中隔板間距4 m一道布置，支點(diǎn)橫梁對應(yīng)橋梁支座設(shè)置，邊支點(diǎn)橫梁布置為單箱單室、中支點(diǎn)橫梁布置為單箱雙室。橋面板采用鋼筋混凝土橋面板，橫橋向跨中部分板厚25 cm，鋼梁腹板處板厚40 cm，懸臂端部厚15 cm。

1.2 組合梁計(jì)算方法簡介

鋼混組合箱梁橋采用強(qiáng)配筋(僅配置普通鋼筋)控制負(fù)彎矩區(qū)橋面板裂縫的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，為有效控制裂縫寬度，設(shè)計(jì)時(shí)橋面板自重、鋼梁自重僅由鋼主梁承擔(dān)，鋪裝等二期恒載、活載等由鋼梁與混凝土橋面板形成的組合結(jié)構(gòu)承擔(dān)。本橋組合梁寬23.5 m、雙支座間距僅為5.5 m、橫梁懸臂長度達(dá)9，受力具有顯著的空間特性，計(jì)算采用精細(xì)化分析與整體分析相結(jié)合的方式，計(jì)算方案見圖1。

圖1 組合梁設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖

2 組合梁精細(xì)化分析簡介

2.1 組合梁負(fù)彎矩區(qū)開裂范圍分析

為了更貼切的反映出負(fù)彎矩區(qū)橋面板開裂對結(jié)構(gòu)受力的影響，設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用纖維截面單元建立組合梁的非線性分析模型，模擬組合梁在逐級加載狀況下的開裂過程，并與普通梁單元模型進(jìn)行結(jié)果對比分析。纖維截面模型中纖維單元的鋼筋、混凝土本構(gòu)關(guān)系模型見圖2、圖3；考慮開裂的梁單元模型中，負(fù)彎矩區(qū)開裂范圍取支座兩側(cè)各0.15倍跨徑，此范圍內(nèi)組合梁截面取開裂剛度。對比結(jié)果列于表1。

圖2 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

圖3 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

表1 纖維截面模型與普通梁 單元模型計(jì)算結(jié)果對比表

表1中考慮開裂的梁單元模型結(jié)果與纖維截面模型分析結(jié)果一致，二者最大差別僅為2%；不考慮開裂的梁單元模型正彎矩區(qū)結(jié)果與纖維截面模型分析結(jié)果相差達(dá)26%，偏于不安全。

2.2 組合梁剪力滯效應(yīng)分析

本橋箱梁受力具有顯著的空間特性，能否按規(guī)范方法計(jì)算有效分布寬度，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)將精細(xì)化模型的應(yīng)力結(jié)果與按規(guī)范方法進(jìn)行有效分布寬度折減后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，結(jié)果見表2。

圖4 中支點(diǎn)附近1 m處截面正應(yīng)力圖/MPa

表2 有限元結(jié)果與規(guī)范有效分布 寬度方法計(jì)算結(jié)果對比表

表2中規(guī)范方法計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果比精細(xì)化分析模型應(yīng)力結(jié)果大6%，說明按規(guī)范方法進(jìn)行有效分布寬度計(jì)算是適合本橋的。

2.3 組合梁腹板剪力不均勻性分析

直觀上分析本橋箱梁受力特性可知：靠近支座的腹板承擔(dān)的剪力要大與遠(yuǎn)離支座的腹板，采用整體截面的梁單元分析模型無法反應(yīng)此問題，設(shè)計(jì)計(jì)算通過精細(xì)化模型恒載加載分析來得到各腹板的剪力分配情況，從而確定出各腹板厚度，分析過程見表3。

圖5 中支點(diǎn)附近截面剪應(yīng)力分布圖/MPa

表3 組合梁縱腹板恒載剪力 分配結(jié)果及采用的板厚

表3中各腹板剪力分配比值為0.2∶1∶1.5∶1.6，可見，整體計(jì)算確定的腹板總厚度，需按照精細(xì)化分析模型的結(jié)果對各個(gè)腹板進(jìn)行厚度調(diào)整，否則結(jié)構(gòu)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 組合梁活載偏載效應(yīng)分析

組合梁約束扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著，為了分析汽車偏載系數(shù)，將精細(xì)化分析模型的“車道偏載加載正應(yīng)力結(jié)果”與“車道均布加載正應(yīng)力結(jié)果”進(jìn)行對比，得到活載偏載系數(shù)；車輛偏載加載正應(yīng)力分布圖見圖8，分析過程見表4。

表4 活載偏載效應(yīng)分析表(豎直邊腹板)

圖6 車輛偏載加載正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果示意圖/MPa

表4中精細(xì)化分析模型得到的汽車偏載系數(shù)平均為1.45，設(shè)計(jì)時(shí)若直接取用規(guī)則箱梁的汽車偏載系數(shù)1.15～1.2，對結(jié)構(gòu)來說是不安全的。

2.5 組合梁中支點(diǎn)橫梁受力分析

組合箱梁中支點(diǎn)橫梁采用三道隔板，支座支撐在中隔板上，導(dǎo)致三道隔板受力不均，整體截面梁單元模型無法反應(yīng)出此問題，設(shè)計(jì)時(shí)需借助精細(xì)化分析模型得出每道隔板的剪力分配比例，進(jìn)而確定出每道隔板的厚度；分析過程見表5。

表5 中支點(diǎn)橫梁恒載剪力分配結(jié)果及采用的板厚

表5中各隔板剪力分配比值為0.59∶1∶0.59，可見，整體計(jì)算確定的隔板總厚度，需按照精細(xì)化分析模型的結(jié)果對各個(gè)隔板進(jìn)行厚度調(diào)整，否則結(jié)構(gòu)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

東一環(huán)高架橋上部連續(xù)鋼混組合箱梁計(jì)算采用了精細(xì)化分析與整體分析相結(jié)合的方式，通過精細(xì)化計(jì)算結(jié)果來修正整體截面梁單元模型的計(jì)算參數(shù)，主要結(jié)論如下。

(1)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮橋面板開裂對縱向模型的影響，否則對結(jié)構(gòu)正彎矩區(qū)計(jì)算是不安全的；

(2)可按規(guī)范公式計(jì)算本橋組合箱梁的剪力滯效應(yīng)，無需修正；

(3)精細(xì)化分析結(jié)果換算的活載偏載系數(shù)為1.45，按常規(guī)方法取1.15～1.2對本橋箱梁偏于不安全；

(4)整體計(jì)算確定的腹板總厚度，需按精細(xì)化分析結(jié)果對各個(gè)腹板進(jìn)行厚度調(diào)整，否則結(jié)構(gòu)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。