桁架式橫隔板鋼箱組合梁橋受力性能研究

鄒曉琴

摘要：鋼箱組合梁抗扭性能好，當采用桁架式橫隔板時可進一步減輕梁體自重，因而在橋梁工程中得到越來越廣泛的應用。文章對跨海交通初步設計階段泄洪區引橋擬采用的兩種斷面形式的桁架式橫隔板鋼箱組合梁橋進行縱向和橫向桿系及實體有限元分析，比較兩者在縱、橫向及局部受力上的差別，為工程中選擇合適的斷面形式提供參考依據。

關鍵詞：鋼箱組合梁;桁架式橫隔板;子結構法;有限元法

中國分類號：U448.34

0引言

鋼-混組合梁由鋼梁和鋼筋混凝土橋面板形成組合截面共同受力，充分發揮鋼材受彎性能好和混凝土受壓性能好的特點，在受力上具有承載能力高、剛度大、延性好等優點，在使用上具有輕型大跨、預制裝配、快速施工、施工期間對交通影響小等優點[3]。而鋼箱組合梁相對鋼板組合梁，其抗扭性能更好，桁架式橫隔板的采用可進一步減輕梁體自重。近年來，這種結構形式在城市橋梁甚至跨海橋梁中都有越來越廣泛的應用。

本文以跨海交通工程初步設計階段為背景，以泄洪區引橋擬采用的兩種斷面形式的桁架式橫隔板鋼箱組合梁橋為研究對象，對這兩種斷面形式從縱向和橫向受力方面分別進行分析比較，研究其受力性能的優缺點，以期提供科學的參考意見。

1概述

在項目初步設計階段，泄洪區引橋擬采用主跨為110 m、橋寬為20.2 m的桁架式橫隔板鋼箱組合梁，其中方案A[1]是三腹板桁架式橫隔板鋼箱組合梁（斷面A），主梁梁高5.5 m，其中鋼箱部分梁高5.0 m，結合面處橋面板厚0.5 m，桁架式橫隔板間距為4 m（見圖1）;方案B[2]是雙腹板+中間小縱梁的桁架式橫隔板鋼箱組合梁（斷面B），主梁梁高5.0 m，其中鋼箱部分梁高4.5 m，結合面處橋面板厚0.5 m，桁架式橫隔板間距為4 m（見圖2）。

為比較兩種組合梁斷面形式對橋梁縱向和橫向受力性能的影響，用Midas Civil和ANSYS軟件分別建立桿系和實體有限元模型，對比分析其計算結果，評價兩種斷面形式的受力性能，為鋼箱組合梁斷面形式的選擇提供科學的依據。

2計算和結果

2.1縱向受力計算和結果比較

兩種斷面的縱向受力性能計算均采用5×110 m一聯進行計算?？紤]鋼梁預制、組裝混凝土橋面板、撤除胎架、吊裝梁段、簡支變連續、頂升中墩、墩頂現澆混凝土、張拉預應力、回落鋼梁、二期鋪裝、徐變十年等11個施工階段。使用階段僅考慮恒載（自重、二期、沉降）和車輛荷載的作用。如圖3、圖4和表1所示。

由表1可知，上述兩種方案均滿足規范要求。在不開裂狀況下，施工階段斷面A鋼結構應力狀態較斷面B高，混凝土應力與斷面B接近。而在使用階段，斷面A鋼結構應力狀態較斷面B低，混凝土應力與斷面B接近;斷面A由于比斷面B多一道腹板，其抗剪能力比斷面B大。對斷面A和斷面B而言，汽車荷載產生的最大撓度值分別為26 mm、27 mm，剛度也相差不大。

2.2橫向受力計算及結果比較

兩種斷面的橫向受力計算采用ANSYS子結構法[4]，均采用5×110 m一聯進行計算。由于在最不利情況下，邊跨跨中附近是縱向撓度最大的位置，故取邊跨跨中長60 m（3倍梁寬）的梁段采用實體板殼模型，其余梁段采用BEAM4梁單元模型。實體板殼梁段中，混凝土頂板采用SOLID45實體單元，箱梁鋼頂板、腹板、底板均采用SHELL63殼單元，桁架式橫隔板的支承水平桿和斜桿均采用LINK8桿單元，頂板下緣的小縱梁采用BEAM4梁單元。模型中考慮恒載（自重、二期、沉降、混凝土頂板橫向預應力）和汽車荷載的作用，汽車荷載采用規范中的車輛輪載進行模擬。如下頁圖5、圖6所示。

對于組合梁，混凝土頂板的受力較鋼梁部分更為復雜。由于混凝土頂板的開裂對橋梁結構的使用和承載性能均造成很大影響[5]，故下述分析以混凝土頂板的橫向受力性能為主（見下頁圖7、圖8和表2、表3）。

由表2計算結果可知，斷面A由于存在中腹板，中腹板處混凝土頂板的上緣在恒載、車輛荷載作用下存在拉應力，而斷面B雖然存在小縱梁，但由于小縱梁豎向剛度不如中腹板大，在小縱梁處的混凝土底板在恒載、車輛荷載作用下存在拉應力。綜合來看，斷面A混凝土頂板中間區域在頻遇組合下基本處于受壓狀態;而斷面B混凝土頂板中間區域在頻遇組合下板底存在少量拉應力，但也滿足A類構件抗裂要求。

由表3可知，斷面A由于存在中腹板，其桁架式橫隔板斜撐受力較斷面B小很多，頂板在車輛荷載下的相對撓度也較斷面B小。兩個斷面的斜撐對混凝土頂板均能提供足夠的豎向支撐。

3結語

本文對跨海交通工程初步設計階段泄洪區引橋兩種斷面的桁架式橫隔板鋼箱組合梁進行了較為全面的對比分析。通過縱向的桿系有限元整體分析，兩個斷面在縱向抗彎能力上相差不大，但由于斷面A比斷面B多一道中腹板，在抗剪能力上斷面A優于斷面B;通過對局部梁段的實體有限元橫向分析，斷面A混凝土頂板由于中腹板的強支撐，其中間區域頂底面基本處于受壓狀態，而斷面B混凝土頂板中間區域板底仍存在少量拉應力，但兩個斷面混凝土頂板均能滿足抗裂要求，其桁架式橫隔板斜撐對混凝土頂板均能提供足夠的豎向支撐。在實際工程中，應結合經濟性、施工性等因素選擇合適的斷面。

參考文獻：

[1]中交公路規劃設計院有限公司.深圳至中山跨江通道初步設計文件（A合同段）[Z].北京：2017.

[2]中鐵大橋勘測設計院集團有限公司.深圳至中山跨江通道初步設計文件（B合同段）[Z].武漢：2017.

[3]孔璞.蒲丹快速路分離式鋼箱組合梁橋結構設計[J].中國市政工程，2018（2）：29-32.

[4]呂彭民，李燕.大跨徑斜拉橋鋼錨箱有限元分析的子模型技術法[J].筑路機械與施工機械化，2012（12）：89-92.

[5]謝銀.鋼板組合梁橋面板橫向計算分析研究[J].工程與建設，2019，33（6）：861-862.