鋼梁高度對(duì)雙工字鋼板組合梁的力學(xué)性能影響分析

李彥偉

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

引言

工字鋼板組合梁是近些年興起的常用組合梁形式，隨著工業(yè)化建造技術(shù)的推廣，少主梁及簡(jiǎn)化加勁肋的形式能降低造價(jià)，是未來(lái)組合橋梁的發(fā)展趨勢(shì)［1-2］。

近些年針對(duì)鋼-混凝土組合梁已開展研究，也成功實(shí)踐于實(shí)際工程項(xiàng)目中［3］，雙工字鋼板組合梁由于主梁數(shù)量少、間距大，其斷面設(shè)計(jì)參數(shù)及構(gòu)件空間布置能直接影響橋面的受力及結(jié)構(gòu)的承載能力、局部穩(wěn)定等性能［4-5］，但目前我國(guó)的雙工字鋼板組合梁運(yùn)用尚處于起步階段，因此，開展雙主梁鋼板組合梁橋的設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題研究十分必要。

通過(guò)對(duì)多種高度下的30 m 跨徑簡(jiǎn)支雙工字鋼組合梁，利用ANSYS 軟件建立有限元分析模型，研究其力學(xué)性能，得出該跨徑下具有最佳力學(xué)性能的組合梁高。

1 研究模型

1.1 研究對(duì)象

此研究的對(duì)象為30 m 簡(jiǎn)支雙工字鋼板組合梁，混凝土采用C30，鋼板采用Q235，橋?qū)挒? m，主梁間距為5 m，兩側(cè)懸臂各為1.5 m，采用7 片非支承橫梁，橫梁間距為5 m，布置在腹板中心位置上，截面見(jiàn)圖1，截面相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 雙工字鋼板組合梁橫截面/mm

表1 截面參數(shù)

擬研究的鋼梁高度為1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，分別為L(zhǎng)1、L2、L3、L4 及L5。

1.2 有限元建模

1.2.1 單元選擇

有限元模型的尺寸見(jiàn)表1、圖1，混凝土為C30，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3 MPa，峰值壓應(yīng)變?yōu)?.002，極限壓應(yīng)變?yōu)?.003 3，混凝土板用Solid65單元，Solid65 單元為3D 加筋混凝土實(shí)體單元，用于模擬無(wú)筋或加筋的3D 實(shí)體單元，具有受拉開裂（拉裂）和受壓破壞（壓碎）性能。鋼梁為Q235，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為190 MPa，鋼梁采用shell181 單元，Shell181 為4 節(jié)點(diǎn)有限應(yīng)變殼單元，適用于模擬薄殼至中等厚度殼單元。

1.2.2 本構(gòu)關(guān)系

混凝土材料模型采用hognestad 規(guī)定的混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，見(jiàn)圖2。此關(guān)系也是研究混凝土?xí)r采用較多的本構(gòu)模型，利用五參數(shù)破壞準(zhǔn)則定義混凝土材料的基本參數(shù)。鋼梁應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型，采用雙線性等向強(qiáng)化模型，彈性模量為2.06e5MPa，見(jiàn)圖3。

圖2 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖3 鋼梁理想彈塑性模型

1.2.3 約束及加載

此模擬中不考慮混凝土與鋼梁之間的滑移，采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式對(duì)模型進(jìn)行處理，模型中不考慮混凝土板內(nèi)鋼筋以及剪力連接件，網(wǎng)格尺寸為 200 mm，約束方式采用簡(jiǎn)支梁的約束形式，有限元模型見(jiàn)圖4，模型中施加的荷載為自重、二期、公路Ⅰ級(jí)車道荷載。

圖4 有限元模型

鋼板容重為7.85×10-6kg/mm3，混凝土容重為2.5×10-6kg/mm3，重力加速度定為9.8 N/kg。

二期荷載為考慮5 cm 瀝青鋪裝層，瀝青容重采用25 kN/m3，故而施加的面荷載數(shù)值為 1.25e-3N/mm2。

車道荷載以偏載的方式進(jìn)行施加，車道荷載施加到ANSYS 的方式為施加車道面荷載及集中荷載的形式，均布線荷載轉(zhuǎn)化為均布面荷載p=5.833×e-3N/mm2。

2 結(jié)果分析

模擬的結(jié)果分別在基本組合與標(biāo)準(zhǔn)組合查看。基本組合：1.2 自重+1.2 二期+1.4 車道荷載；標(biāo)準(zhǔn)組合：1 自重+1 二期+1 車道荷載基本組合用于結(jié)構(gòu)跨中的縱向應(yīng)力結(jié)果查看，標(biāo)準(zhǔn)組合用于結(jié)構(gòu)的跨中撓度查看。

2.1 應(yīng)力分析

L1～L5 縱向應(yīng)力在基本組合下的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。由圖5 可以看出，在荷載的基本組合下，L1～L5 應(yīng)力最大位置均為跨中底部鋼梁，此位置為結(jié)構(gòu)受力最危險(xiǎn)區(qū)域，符合簡(jiǎn)支梁的受力特征，L1 的鋼梁底部縱向應(yīng)力值達(dá)到了166.97 MPa，比較接近材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。應(yīng)力最小位置為鋼梁上翼緣受壓區(qū)域，受壓應(yīng)力為30 MPa 左右，混凝土板受力均較小，值約為10 MPa 左右，結(jié)構(gòu)各個(gè)位置處的受力較為均勻，不存在較大的應(yīng)力突變，整體受力形式較好。

圖5 基本組合下應(yīng)力云圖

表3 為結(jié)構(gòu)在基本組合下的鋼梁應(yīng)力與混凝土應(yīng)力。

表3 鋼梁應(yīng)力值/MPa

由表3 可以看出，鋼梁高度變化后，混凝土頂?shù)装鍛?yīng)力變化不大，但是混凝土頂部所受壓應(yīng)力仍舊隨著梁高的增加有略微的降低，由9.5 MPa 降低到7.12 MPa。鋼梁頂部的應(yīng)力變化也不顯著，在28 MPa 附近波動(dòng)，而鋼梁底部的應(yīng)力變化顯著，基本組合下鋼梁底、鋼梁頂應(yīng)力見(jiàn)圖6。

圖6 基本組合下鋼梁應(yīng)力變化

由圖6 可以看出，隨著鋼梁高度的增加，基本組合下鋼梁底部的應(yīng)力變化較大，降低幅度較為均勻，由161.97 MPa 降低到102.36 MPa，整體降低約30%，保證了結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

2.2 撓度分析

結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合下跨中撓度見(jiàn)圖7。由圖7 可以看出，隨著鋼梁高度的增大，結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)組合下的撓度減幅較快，故而增加梁高能較大程度地提高結(jié)構(gòu)剛度，降低結(jié)構(gòu)變形。結(jié)構(gòu)腹板高度由1 200 mm 增大到1 400 mm，撓度的減幅約20%，但結(jié)構(gòu)由1 800 mm 增大到2 000 mm，撓度的減幅僅為15%左右，在圖像中表現(xiàn)為圖線后半段斜率略微減小，顯示出鋼梁高度增長(zhǎng)到越高之后，結(jié)構(gòu)撓度減小的趨勢(shì)會(huì)變緩，主要是由于結(jié)構(gòu)變高之后會(huì)引發(fā)自重增大，結(jié)構(gòu)剛度的提高可以抵消自重增大的負(fù)面影響，但自重仍舊會(huì)造成較小的影響。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)組合下?lián)隙茸兓?/p>

30 m 跨徑簡(jiǎn)支梁的允許撓度為60 mm，可見(jiàn)L1～L5 均滿足撓度要求，但是此模擬中僅考慮了三種荷載形式，實(shí)際情況橋梁承受的荷載更為復(fù)雜，因此L1 不足以滿足實(shí)際的撓度需求。

2.3 分析結(jié)果

（1）對(duì)于30 m 跨徑，其撓度限值為60 mm，Q235 的設(shè)計(jì)應(yīng)力值為190 MPa，提高鋼梁高度后，撓度與鋼梁應(yīng)力有較大程度地降低。（2）考慮到經(jīng)濟(jì)性以及凈空要求，結(jié)構(gòu)又不宜太高，結(jié)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性以及模擬中所施加荷載的不全面性，30 m 簡(jiǎn)支鋼板組合梁選擇L3 為佳，即是鋼梁腹板高度為1 600 mm，此時(shí)的鋼梁底部應(yīng)力為126.78 MPa，鋼梁底部應(yīng)力為-29.26 MPa，跨中最大撓度為35.3 mm，強(qiáng)度與剛度均有較大的儲(chǔ)備，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)30 m 簡(jiǎn)支雙工字鋼板組合梁的不同梁高進(jìn)行有限元分析，梁高增加后提高了結(jié)構(gòu)剛度，較大幅度地降低結(jié)構(gòu)在荷載作用下的撓度。（2）增加工字鋼梁高后略微降低混凝土壓應(yīng)力，較大程度地降低鋼板受拉應(yīng)力，但對(duì)鋼梁受壓應(yīng)力影響不顯著。（3）在考慮受力結(jié)構(gòu)受力性能以及經(jīng)濟(jì)性的前提下，30 m 簡(jiǎn)支鋼板組合梁選擇鋼梁高度為 1 600 mm 為宜。