城市高架簡支預制槽形鋼混組合梁荷載橫向分布研究

陳何峰，呂沛文

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

鋼與混凝土組合梁是由鋼梁與混凝土橋面板通過一定的連接方式組合在一起使其共同受力的結構，充分發揮了鋼梁的抗拉性能以及混凝土的抗壓性能，從而節約了材料成本，實現了經濟目的[1]。隨著國家綠色建筑產業政策的提出，裝配式建筑的發展變得越來越迫切，尤其是在城市高架橋的應用中。槽形鋼混組合梁橋抗扭剛度大，較鋼板組合梁穩定性高，其跨越能力強，混凝土橋面板避免了傳統混凝土梁腹板及底板的開裂現象，提升了耐久性；通過工廠預制、節段拼裝，可避免施工時的交通中斷，并且安裝對場地及設備的要求低，景觀效果較好，以其種種優勢成為城市高架橋的首選方案。然而，目前對于寬跨比較大或較小的城市高架槽形鋼混組合梁最不利橫向分布系數的研究尚不完善，李瑞琪等[2]研究了鋼混組合小箱梁的預制橋面板厚度、橫向連系梁間距等參數對荷載橫向受力的影響。秦照博[3]分析了混凝土橋面板厚、剪力鍵密度、鋼梁剛度對鋼- 混簡支組合梁橋的荷載橫向分布系數的影響，向成修[4]分析了連接件剛度、曲率半徑、主梁間距等變量對組合曲梁橫向分布的影響。閆林君等[5]用不同的計算方法研究了鋼板組合梁橋的荷載橫向分布規律及影響因素。以上研究對象與城市高架預制槽形鋼混組合梁的構造形式存在一定差異且不夠全面，且寬跨比大多在0.5 以內，故其結論僅可參考，對本橋型的橫向分布規律的研究可進一步清楚細致的理解此類橋梁的受力特點，改善設計質量、降低安全隱患、提高設計效率、方便標準化參數試設計、節約模型的計算成本、對此類橋梁的推廣和發展有重要的意義，可為今后的類似的工程設計提供借鑒。

1 計算方法與算例介紹

1.1 計算方法

目前橫向分布系數的計算方法有很多，杠桿原理法適用于靠近支點附近橫向聯系弱的情況；偏心壓力法適用于寬跨比不大于0.5 橫向聯系較強的情況；剛接板梁法適用于各主梁間能傳遞剪力和彎矩的結構；比擬正交異性板法適用于較寬的梁橋。對于槽形鋼混組合梁現行規范沒有明確計算方法，因此本文利用有限元法進行求解。利用大型有限元軟件ABAQUS 建立三維實體板殼模型來計算各梁的荷載橫向影響線，混凝土板采用實體單元C3D8R 模擬，鋼梁采用縮減積分殼單元S4R 模擬，不考慮鋼梁和橋面板之間的界面滑移時，鋼梁和橋面板之間采用“TIE”約束，即鋼梁上翼緣和橋面板下表面共節點，考慮界面滑移效應時按照實際情況用彈簧單元模擬焊釘連接件，橫梁與鋼主梁采用共節點的形式連接。對組合梁分別進行車道加載，得到此時各主梁跨中撓度值，由于撓度的大小與荷載分配成比例，故可按下式計算得某個車道荷載作用下所求梁的荷載橫向分布影響線豎標，然后再將其值進行疊加并考慮車道橫向折減系數，從而得出各片主梁的荷載最不利橫向分布系數。

式中：ηij為橫橋向各梁位置處的影響線坐標值；fij為第j 個車道荷載所引起的第i 號梁跨中位置處的撓度值；mi為第i 號主梁的荷載橫向分布系數；λ 為車道橫向折減系數。

1.2 算例介紹

本文參數化分析所采用的算例為城市高架簡支預制槽形鋼混組合梁橋，跨徑為30～40 m，橋寬為9～33.5 m，梁高1.6～2 m，設計荷載為城市-A 級，主線橋面有邊中邊三道防撞護欄，匝道兩邊有護欄，主梁采用開口槽形鋼箱梁，其開口間距為2～3 m，主梁個數為2～5 根，懸臂長度為1.25～1.3 m，橋面板厚為0.24～0.32 m ，主梁板厚20/14/24 mm，組合梁橫斷面見圖1。

圖1 橫斷面（單位:mm）

2 最不利橫向分布系數影響參數化分析

最不利橫向分布系數的影響因素有很多，現研究橋面板與鋼梁之間的滑移效應、跨間橫梁的個數、橋面板板厚、橋梁寬度和跨徑、以及主梁剛度等參數對最不利橫向分布系數的影響。通過以往分析可知，對于窄橋，一般邊梁的荷載橫向分布系數最不利，對于寬橋，則是中梁的荷載橫向分布系數最不利，本文旨在研究各參數對荷載最不利橫向分布系數規律的影響，只以邊梁作為研究對象，且只研究活載的橫向分布，對于欄桿等恒載的橫向分布可在后續研究中進行討論。

2.1 橋面板與鋼梁之間的界面滑移對最不利橫向分布系數的影響

鋼混組合梁與常規的混凝土橋梁不同的是橋面板與鋼梁之間存在界面滑移效應，即在荷載作用下界面之間會產生相對位移，為了提高分析的準確性，可按照實際情況用彈簧單元模擬焊釘連接件，從而模擬界面之間的滑移。端橫梁與鋼主梁采用共節點的形式連接。本節建立了6 組有限元模型，以是否考慮滑移效應為變量，全面分析了寬橋、窄橋的界面滑移效應對荷載最不利橫向分布系數的影響。

焊釘連接件直徑為19 mm，橫向布置3 排，間距為150 mm，縱向間距為：支座至1/4 跨焊釘連接件間距為100 mm，其余為200 mm，焊釘連接件的抗拔剛度為5.84×107N/mm，抗剪剛度為2.61×105N/mm，材質為ML15。 其余材料特性與結構構造作為基本參量，建模參數見表1。

表1 組合梁參數表

計算得到了三種寬度的槽形鋼混組合梁邊梁在是否考慮橋面板與鋼梁之間界面滑移情況下荷載最不利橫向分布系數，其值見表2。

表2 橋寬9 m、17 m、33.5 m 荷載最不利橫向分布系數

根據表2 可知，不論是寬橋還是窄橋，是否考慮橋面板與鋼梁之間的界面滑移效應對荷載最不利橫向分布系數影響不大，最大差值控制在5%以內。

2.2 跨間中橫梁個數對最不利橫向分布系數的影響

眾所周知，鋼混組合梁中混凝土橋面板可以起到將活載進行橫向分配的作用，但跨間中橫梁的分配作用有待進一步研究，尤其是針對城市高架大寬跨比橋梁，因此建立了9 組有限元模型，分別為無跨間中橫梁，設置1 道跨間中橫梁、設置3 道跨間中橫梁，其余建模參數見表3。

表3 組合梁參數表

計算得到了各寬度的組合梁在跨間橫梁的個數不同的條件下邊梁的荷載最不利橫向分布系數見表4。

根據表4 可知，在保證跨徑相同的前提下，跨間橫梁設置與否對寬橋的荷載最不利橫向分布系數影響較窄橋大，但最大控制在8%以內，設置1 道或3道跨間橫梁的最不利橫向分布系數幾乎相等。

表4 橋寬9 m、17 m、33.5 m 荷載最不利橫向分布系數

2.3 橋面板板厚對最不利橫向分布系數的影響

為了研究城市高架預制裝配式組合梁橋面板板厚對荷載最不利橫向分布系數的影響，本節建立了9組有限元模型，計算了常用橋面板板厚分別為0.24 m、0.28 m、0.32 m 的鋼混組合梁的最不利橫向分布系數，其余計算參數見表5。

表5 組合梁參數表

通過計算得到了不同板厚的組合梁荷載最不利橫向分布系數，結果見表6。

表6 不同板厚邊梁荷載最不利橫向分布系數

根據表6 數據分析可知，板厚的增加會使荷載橫向分布更均勻，使得主梁分布車道荷載的能力更強。對于窄橋而言，板厚對其影響微乎其微，隨著寬跨比增大，板厚的影響也越發顯著，以33.5 m 寬橋為例，0.24 m 的橋面板比0.32 m 的橋面板的最不利橫向分布系數增加了6.47%。

2.4 跨徑對最不利橫向分布系數的影響

城市高架橋梁主線為了滿足車流量的需求，橋梁的寬度往往會大于跨徑，但匝道寬度卻很小，同時，在跨越道路交叉口時，跨徑往往很大，因此，不同寬度的組合梁橋的跨徑對橫向分布的影響研究很有必要，建立了9 組有限元模型，具體參數見表7。

表7 組合梁參數表

計算得到了不同跨徑的組合梁邊梁的荷載最不利橫向分布系數見表8。

表8 邊梁荷載最不利橫向分布系數

根據上述表格8 可以看出，保證橋寬不變時，跨徑的增大會使荷載最不利橫向分布系數減小，33.5 m寬40 m 跨的邊梁最不利橫向分布系數比30m 跨的減小了16.24%。9 m 寬的橋跨進對其影響則不明顯，可控制在3%以內。

進一步將表8 處理，得到不同寬跨比對應的最不利橫向分布系數，見表9。

將表9 數據繪制成圖2 方面觀察比較。橫坐標為橋寬，單位m，豎坐標為荷載最不利橫向分布系數。

圖2 不同主梁數邊梁荷載最不利橫向分布系數

結合圖2 與表9 可知，對于主梁數相同的橋，隨著寬跨比的增大，最不利橫向分布系數逐漸增大。

2.5 主梁剛度對最不利橫向分布系數的影響

本節研究了主梁剛度對荷載最不利橫向分布系數的影響，選取梁高為變量，分別為1.6 m、1.8 m、2 m，其余參數為常量，建立了9 組有限元模型，具體參數見表10。

表10 組合梁參數表

計算得到了不同主梁剛度的最不利橫向分布系數，其值見表11。

表11 不同主梁剛度對應的最不利橫向分布系數

由表11 可以看出，隨著梁高的增加，最不利橫向分布系數逐漸增加，寬橋的增量較窄橋明顯，但最大增幅保持在5%以內。

3 結 論

本文通過有限元法，建立了48 組有限元模型，計算了橋面板與鋼梁之間的滑移效應、跨間中橫梁的個數、橋面板板厚、橋梁寬度和跨徑、以及主梁剛度對城市高架預制槽形鋼混組合梁的荷載最不利橫向分布系數，得到以下結論：

（1）是否考慮橋面板與鋼梁之間的界面滑移效應對荷載最不利橫向分布系數影響不大，最大差值控制在5%以內。

（2）組合梁跨間中橫梁的個數對窄橋的荷載最不利橫向分布系數幾乎無影響，對寬橋的影響最大可控制在8%以內，設置1 道或3 道跨間橫梁的最不利橫向分布系數幾乎相等。

（3）橋面板板厚的增加會使荷載橫向分布更均勻，寬跨比越大的橋，板厚對最不利橫向分布系數的影響越大，最大減小了7%左右。

（4）保證橋寬不變，隨著跨徑的增大，荷載最不利橫向分布系數逐漸減小，對于主梁數相同的橋，隨著寬跨比的增大，最不利橫向分布系數逐漸增大。

（5）隨著梁高的增加，最不利橫向分布系數逐漸增加，寬橋的增量較窄橋明顯，最大增幅保持在5%以內。

在今后的標準化設計中，對于是否考慮界面滑移的影響可根據計算能力來確定，其因素對設計的影響較小?？玳g橫梁是否需要設置，建議綜合考慮寬跨比、經濟性、施工條件、美觀性等因素綜合評定。對于橋面板的厚度（跨徑）而言，為節約計算成本可選取寬度較大且板厚較?。鐝捷^?。┑囊唤M參數來包絡其余參數。梁高對最不利橫向分布系數的影響較小，選取時建議綜合考慮組合梁整體受力且偏安全的考慮。通過以上包絡從而節約設計成本、提高設計效率。