寬幅鋼混組合箱梁橋精細化分析

李井輝

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

沈陽市東一環高架橋位于遼寧省沈陽市境內，屬城市主動脈的一段，是沈陽市東部地區快速路系統的重要組成部分。高架橋設計速度60 km/h，標準段橋寬23.5 m，雙向六車道。橋梁上部結構主要采用標準跨徑40 m的連續鋼混組合箱梁，下部橋墩采用花瓶墩，橋臺采用一字型臺，墩臺基礎采用群樁基礎。

1 高架橋上部結構簡介

高架橋在標準路段采用孔徑3 m×40 m一聯的連續鋼-混組合箱梁。箱梁寬23.5 m，為單箱六室的斜腹板結構，設計線處梁高2.2 m，跨徑分界線處的支座間距為5.5 m，箱梁底板水平，橋面橫坡通過調整腹板高度形成。

1.1 組合梁構造簡介

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，通長設置。槽形梁橫向受力構件主要為跨中隔板、支點橫梁；跨中隔板間距4 m一道布置，支點橫梁對應橋梁支座設置，邊支點橫梁布置為單箱單室、中支點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 組合梁計算方法簡介

鋼混組合箱梁橋采用強配筋(僅配置普通鋼筋)控制負彎矩區橋面板裂縫的模式進行設計，為有效控制裂縫寬度，設計時橋面板自重、鋼梁自重僅由鋼主梁承擔，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構承擔。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9，受力具有顯著的空間特性，計算采用精細化分析與整體分析相結合的方式，計算方案見圖1。

圖1 組合梁設計計算流程圖

2 組合梁精細化分析簡介

2.1 組合梁負彎矩區開裂范圍分析

為了更貼切的反映出負彎矩區橋面板開裂對結構受力的影響，設計時運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行結果對比分析。纖維截面模型中纖維單元的鋼筋、混凝土本構關系模型見圖2、圖3；考慮開裂的梁單元模型中，負彎矩區開裂范圍取支座兩側各0.15倍跨徑，此范圍內組合梁截面取開裂剛度。對比結果列于表1。

圖2 鋼筋應力-應變關系模型

圖3 混凝土應力-應變關系模型

表1 纖維截面模型與普通梁 單元模型計算結果對比表

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

2.2 組合梁剪力滯效應分析

本橋箱梁受力具有顯著的空間特性，能否按規范方法計算有效分布寬度，設計計算時將精細化模型的應力結果與按規范方法進行有效分布寬度折減后的應力計算結果進行了對比分析，結果見表2。

圖4 中支點附近1 m處截面正應力圖/MPa

表2 有限元結果與規范有效分布 寬度方法計算結果對比表

表2中規范方法計算的應力結果比精細化分析模型應力結果大6%，說明按規范方法進行有效分布寬度計算是適合本橋的。

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的剪力要大與遠離支座的腹板，采用整體截面的梁單元分析模型無法反應此問題，設計計算通過精細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 中支點附近截面剪應力分布圖/MPa

表3 組合梁縱腹板恒載剪力 分配結果及采用的板厚

表3中各腹板剪力分配比值為0.2∶1∶1.5∶1.6，可見，整體計算確定的腹板總厚度，需按照精細化分析模型的結果對各個腹板進行厚度調整，否則結構存在安全風險。

2.4 組合梁活載偏載效應分析

組合梁約束扭轉效應顯著，為了分析汽車偏載系數，將精細化分析模型的“車道偏載加載正應力結果”與“車道均布加載正應力結果”進行對比，得到活載偏載系數；車輛偏載加載正應力分布圖見圖8，分析過程見表4。

表4 活載偏載效應分析表(豎直邊腹板)

圖6 車輛偏載加載正應力計算結果示意圖/MPa

表4中精細化分析模型得到的汽車偏載系數平均為1.45，設計時若直接取用規則箱梁的汽車偏載系數1.15～1.2，對結構來說是不安全的。

2.5 組合梁中支點橫梁受力分析

組合箱梁中支點橫梁采用三道隔板，支座支撐在中隔板上，導致三道隔板受力不均，整體截面梁單元模型無法反應出此問題，設計時需借助精細化分析模型得出每道隔板的剪力分配比例，進而確定出每道隔板的厚度；分析過程見表5。

表5 中支點橫梁恒載剪力分配結果及采用的板厚

表5中各隔板剪力分配比值為0.59∶1∶0.59，可見，整體計算確定的隔板總厚度，需按照精細化分析模型的結果對各個隔板進行厚度調整，否則結構存在安全風險。

3 結 論

東一環高架橋上部連續鋼混組合箱梁計算采用了精細化分析與整體分析相結合的方式，通過精細化計算結果來修正整體截面梁單元模型的計算參數，主要結論如下。

(1)設計計算時應考慮橋面板開裂對縱向模型的影響，否則對結構正彎矩區計算是不安全的；

(2)可按規范公式計算本橋組合箱梁的剪力滯效應，無需修正；

(3)精細化分析結果換算的活載偏載系數為1.45，按常規方法取1.15～1.2對本橋箱梁偏于不安全；

(4)整體計算確定的腹板總厚度，需按精細化分析結果對各個腹板進行厚度調整，否則結構存在安全風險。