多梁式鋼-混組合連續梁橋橫隔梁構造對整體性影響分析*

王棟威， 王祥真， 何余良， 肖景平

(1.紹興文理學院 土木工程學院， 浙江 紹興 312000；2.紹興市交通工程質量安全監督站， 浙江 紹興 312000；

計算多梁式組合橋梁結構中每片梁的荷載響應較復雜，設計中主要通過引入荷載橫向分布概念將結構計算簡化，將空間問題轉化為平面問題。但荷載橫向分布系數受到多種因素的影響。針對鋼-混組合梁橋的荷載橫向分布，聶建國等通過理論推導、試驗及有限元分析，提出了主梁剛度、間距不相等的橋梁荷載橫向分布系數計算方法；項貽強等考慮多梁式鋼-混組合小箱梁橋界面滑移效應，對傳統橫向分布系數計算公式進行了修正；Razaqpur A. G.等采用非線性有限元方法研究了卡車荷載下砼非線性和鋼筋彎曲對簡支組合梁橋荷載分布的影響；Fatemi S.等比較了各國設計規范下曲率比、跨長、車道數、單元數等對荷載橫向分布系數的影響；王柏瓔采用模態參數法計算T梁橋和空心板橋的荷載橫向分布，并分析了橫隔梁設置、斜交角、主梁間距對簡支梁橋荷載橫向分布的影響。但現有研究較少涉及多梁式鋼-混組合連續梁橋的橫向分布。特別是近年來市政小跨徑空心板橋改建工程增多，設計時簡支組合梁的橫向分布計算方法能否直接應用，二者間一些關鍵影響因素的影響程度是否一致，特別是橫隔梁構造形式還有待研究。該文以現役連續鋼-混組合梁橋為工程背景進行試驗研究，探究現有橫向分布計算方法能否用于連續鋼-混組合梁橋，并采用文獻[6]中基于荷載橫向分布均勻性系數評價上部結構整體性的方法評價橫隔梁構造形式對鋼-混組合梁橋荷載橫向分布的影響程度。

1 背景工程試驗

紹興市壺觴大橋改造工程的上部結構采用連續鋼-混組合梁結構體系，跨徑組合為(3×13+3×20+3×13) m。半幅橋面寬11.99 m，由6片鋼梁組成，鋼梁間布置小橫梁，采用高強螺栓與鋼梁連接，單孔設置3道小橫梁(橫梁間距4 m)加強其橫向聯系。鋼主梁高0.65 m，鋼筋砼橋面板為現場澆筑，設計標號C50。結構橫斷面見圖1，表1為鋼-混組合梁橋的計算參數。

圖1橋梁結構橫斷面(單位：m)

選取13 m跨徑進行試驗。靜載試驗撓度測點設于鋼梁底緣，測試斷面沿縱橋向布置于Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ截面。采用全站儀觀測結構豎向變位，以支點處撓度測值作為支座變位修正依據，按實測工況對以小橫梁作為橫隔梁構造的鋼-混組合梁橋橫向分布進行研究。車輛荷載縱橫向布置及撓度測點布置見圖2，實測車輛及棱鏡布置見圖3。

圖2 加載車及撓度測點布置(單位：cm)

圖3 試驗現場

2 基準有限元模型

2.1 有限元方法

采用ABAQUS建立三維有限元模型。鋼、砼均采用線彈性本構，砼彈性模量為34.5 GPa，泊松比為0.2；鋼材彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。砼、鋼主梁、小橫梁均采用四節點減縮積分殼單元(S4R)，橋面板與主梁工字鋼上緣采用Tie連接。鋼主梁由工字鋼與加勁肋組成，通過與小橫梁采用Merge連接形成新的構件。實測橋梁整體模型、主梁與小橫梁模型見圖4。

圖4 實測橋梁有限元模型

采用文獻[1]中推導的公式計算橫向分布系數，第i號梁的橫向分布系數為：

(1)

式中：fi為i號梁的跨中撓度；n為加載車的列數。

2.2 有限元驗證

該鋼-混組合梁橋部分寬跨比遠大于0.5，不采用剛性橫梁法，而采用傳統剛接梁法及考慮界面滑移的修正剛接梁法。美國AASHTO規范對于寬跨比沒有具體要求，但其對設計車道數及內外梁的橫向分布系數計算方法進行分類，并考慮了跨度、橋面板厚度、主梁剛度及間距的影響。通過理論計算及試驗測試結果對有限元模型進行比較驗證，試驗測試值與有限元模型撓度值見圖5，不同方法計算的各梁跨中橫向分布系數見表2。

圖5 橋梁跨中撓度值

從圖5可看出：跨中試驗測試值與模型計算值整體上吻合良好，最大誤差出現在3#梁，為7.7%。說明修正后的三維有限元模型能較好地模擬多梁式組合梁橋在靜力荷載作用下的受力性能。

從表2可看出：實測結果與有限元法計算結果非常接近，1#～5#梁的計算結果差值僅為0.2%～6.9%。由于試驗實測結果精度較低，6#梁在實測工況下的撓度變化較小，未得到實測橫向分布系數。剛接梁法與修正剛接梁法(見文獻[2])的計算結果非常接近，1#～5#梁差值最大僅1%；6#梁差值相對較大，為8.3%。兩種剛接梁法的計算結果與有限元法及實測結果也相差不大，最大差值出現在3#梁，與有限元法相比相差約9.3%，與實測結果相比相差約6.8%。文獻[8]的計算結果最保守，與實測值相比相差約33.6%，與文獻[10]的結論相似。

表2 各梁跨中橫向分布系數計算結果

綜上，界面滑移對這類橋型荷載橫向分布的影響不大，考慮界面滑移的計算公式中，界面滑移產生的附加撓度僅占總撓度的0.3%，對于這類橋型的理論計算采用傳統剛接梁法更方便快捷，簡支組合梁的計算方法可直接應用于小跨徑連續組合梁橋的橫向分布設計。

3 橫隔梁構造分析

鋼-混組合梁橋的荷載橫向分布與多個設計參數相關，橫隔梁剛度對其有一定影響，但對連續組合梁橋橫向分布的影響及程度還有待進一步研究。

以紹興市壺觴大橋改造工程13 m跨徑部分的鋼-混組合梁為基準梁，對現有典型橫隔梁構造形式(見圖6)對其橫向分布的影響進行分析。4種橫隔梁構造適用于6片主梁間的連接，橫隔梁的材料均采用Q345鋼材。方式1中工字形橫梁上下翼緣及腹板厚20 mm，寬300 mm，高450 mm。方式2中斜腹桿與弦桿均采用70 mm×7 mm角鋼。方式三中K字形斜腹桿采用80 mm×5 mm方鋼，下弦桿采用由4個80 mm×10 mm角鋼拼接而成的箱形體，箱形體寬200mm、高280mm。方式四中上下弦桿采用T型鋼TN147 mm×200 mm×12 mm×8 mm，斜腹桿采用100 mm×12 mm角鋼。

圖6 不同橫隔梁構造形式示意圖

對連續組合梁橋的中跨及邊跨分別加載，評估連續組合梁橋邊界條件對其橫向分布的影響。單跨內每種橫隔梁方式分別布置為3種形式：1) 跨內設置3道橫隔梁構造(1/2L、1/4L處)。中跨加載下，方式1～4分別編號為M1-1、M2-1、M3-1、M4-1(字母區分加載位置，第一個數字區分構造方式，第二個數字區分橫聯數量)；邊跨加載下，方式1～4分別編號為BM1-1、BM2-1、BM3-1、BM4-1。2) 跨內設置1道橫隔梁構造(1/2L、1/4L處)。中跨加載下，方式1～4分別編號為M1-2、M2-2、M3-2、M4-2；邊跨加載下，方式1～4分別編號為BM1-2、BM2-2、BM3-2、BM4-2。3) 跨內不設置橫隔梁構造，中跨、邊跨加載編號分別為M0和BM0。加載車荷載布置見圖2，邊跨加載順橋向布置見圖7。不同橫隔梁構造在不同荷載布置形式下各梁跨中橫向分布系數計算結果見圖8。

圖7 邊跨加載車順橋向布置(單位：cm)

圖8 不同橫隔梁構造下的橫向分布系數

從圖8可看出：1) 不同橫隔梁構造在各種布置形式下的橫向分布系數變化趨勢相似，2#～6#梁總體呈下降趨勢。2) 跨內無橫隔梁時，無論是邊跨還是中跨加載，跨中主梁間僅由砼板連接，在車輛荷載作用下2#梁的橫向分布系數最大，且中跨加載時1#梁與其最大相差約9.5%。3) 跨內設置橫隔梁時，橫隔梁有利于主梁共同受力。中跨加載下，1#梁的橫向分布系數不同程度增加(增加2.9%～9.7%)，2#、3#梁的橫向分布系相應減少(分別減少3.0%～6.7%、3.5%～9.2%)；邊跨加載下，與中跨相比少了一側的連續段分擔主梁內力，但4種橫隔梁構造形式下，1#梁的橫向分布系數最多僅增加6.5%，而2#、3#梁的橫向分布系數相應減少(分別減少2.8%～7.2%、3.6%～9.2%)。說明不同橫隔梁構造對這類橋型荷載橫向分布系數有一定影響，但橫隔梁數量的影響很小。

4 整體性評價

對于橋梁結構，提高其荷載沿橫向分布的能力，增強其對不利荷載的協同抵抗性能，本質上是對橋梁結構整體性能的提高。采用文獻[6]中荷載橫向分布均勻性系數對橋梁上部結構整體性進行評價。各橫隔梁構造形式下荷載橫向分布均勻性系數按式(2)、(3)計算，計算結果見表3。

表3 各構造方式下荷載橫向分布均勻性系數

(2)

Δk=k1-k2

(3)

式中：ηmax為橫向分布系數最大值；μ為橫向分布系數均值；k1為設置橫隔梁構造時橫向分布均勻性系數；k2為跨中無橫隔梁構造時橫向分布均勻性系數。

加載作用下荷載橫向分布均勻性系數提高均值。

取同種構造方式橫向分布均勻性系數均值來評價該構造形式對橋梁上部結構整體性的改善效果，結果如下：跨內設置3道橫隔梁構造時，方式4>方式2>方式3>方式1；跨內設置1道橫隔梁時，方式1>方式2>方式3>方式4。

5 結論

以紹興市壺觴大橋改造工程上部結構為背景工程，通過試驗和有限元方法對多梁式連續鋼-混組合梁橋的橫向分布計算方法及橫隔梁構造形式對其整體性的影響進行分析，得出如下結論：

(1) 通過比較國內外橫向分布系數計算方法，得出簡支組合梁的橫向分布計算方法可直接用于連續組合梁橋。

(2) 不同橫隔梁構造形式對荷載橫向分布系數有一定影響，但橫隔梁數量的影響可忽略。跨內設置3道橫隔梁時，方式4對于橋梁整體性的改善最好；跨內設置1道橫隔梁時，方式1對于橋梁整體性的改善最大。