鋼-混組合梁零號塊負彎矩區(qū)橋面板受力性能分析

李程遙， 王 超

(湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院， 湖北 武漢 430068)

鋼-混凝土組合梁橋通過抗剪連接件將鋼梁與混凝土橋面板組合在一起，充分利用鋼材和混凝土這兩種材料特性，這種橋型結(jié)構(gòu)剛度大，適用于大跨度，施工工期短，經(jīng)濟效益好[1]。但鋼-混組合梁橋在負彎矩區(qū)處于混凝土橋面板受拉、鋼梁受壓的不利受力狀態(tài)，混凝土開裂后會降低組合梁的剛度，使之受力更不利，同時鋼梁受壓易導致局部屈曲的出現(xiàn)，這一缺點限制了鋼-混組合梁橋的發(fā)展[2]。為了克服該種橋型的這一缺點，使之得到更為廣泛的應用、取得更好地經(jīng)濟效益，國內(nèi)外研究人員對此進行了大量的研究。主要從以下三個方面控制負彎矩區(qū)橋面板所受的應力來防止、控制裂縫的發(fā)展：采用新的結(jié)構(gòu)形式[3-5]；通過某種方式給橋面板施加預應力[6-8]，但是現(xiàn)場施工比較復雜；用其他高性能材料替換混凝土[9-11]。對于半漂浮體系斜拉橋，零號塊處存在負彎矩尖峰，同時由于支座的約束作用，局部應力集中非常明顯[12]，主梁如果采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，混凝土橋面板處于復雜的不利受力狀態(tài)，有必要對其進行深入研究。本文結(jié)合某鋼-混組合連續(xù)斜拉橋進行數(shù)值仿真分析[13]，研究了橋面板在成橋狀態(tài)的局部受力性能，針對其受力特點，研究提出了三種改進措施以改善其受力性能并比較了各種措施的效果。

1 工程概況

某橋主橋為單索面雙塔組合梁斜拉橋,鋼梁采用單箱三室鋼箱結(jié)構(gòu)。橋梁主跨360 m，邊跨160 m。橋梁中心線處鋼箱梁高3.05 m，主塔附近混凝土橋面板厚45 cm。普通節(jié)段鋼梁每間隔4.0 m設置一道橫隔梁，頂板為開口鋼箱，在索塔附近為閉口鋼箱，與開口鋼箱交接位置設置兩道間距為1.5 m的橫隔梁，然后2 m設置一道橫隔梁直到索塔中心位置。混凝土橋面板中設置縱橫向預應力筋，主塔處鋼束采用9Φs15.2 mm和12Φs15.2 mm鋼絞線，主梁懸拼預應力筋采用JL32預應力精軋螺紋鋼筋，橋面板橫向預應力鋼束采用4Φs15.2 mm鋼絞線。橋塔采用獨柱式，主梁在橋塔位置預留12 m×5.4 m孔洞，索塔直接穿過主梁，在零號塊主梁底部對稱設置兩個支座，支座中心距7.65 m。斜拉索在主梁上索距為8 m，塔上索距為2.5 m。

2 數(shù)值分析

為了對主梁負彎矩區(qū)受力性能進行研究，首先采用梁單元對全橋結(jié)構(gòu)進行整體分析，得到結(jié)構(gòu)成橋狀況下的整體內(nèi)力情況，然后建立零號塊局部模型，基于整體受力得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果來對局部模型施加邊界條件，以使局部模型能有效模擬結(jié)構(gòu)的實際受力狀況。

2.1 整體有限元仿真分析

首先，建立全橋梁單元模型。該橋為斜拉橋，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀況與施工過程息息相關(guān)，因此需要詳細模擬全橋施工過程來得到結(jié)構(gòu)成橋狀況內(nèi)力。這里采用組合截面來建立單主梁模型，其截面依據(jù)平截面假定將上部混凝土橋面板等效成鋼結(jié)構(gòu)。等效后截面中性軸和原結(jié)構(gòu)保持一致，混凝土部分截面積按照彈模比值相應減小，使得組合結(jié)構(gòu)的軸應變和彎曲應變符合平截面假定，而混凝土結(jié)構(gòu)的應力根據(jù)計算出的等效鋼結(jié)構(gòu)應變反算回去。全橋有限元模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型

經(jīng)過整體有限元仿真分析后，提取結(jié)構(gòu)在成橋狀況(含二期恒)下的整體內(nèi)力和應力。因為這里主要考慮主梁的受力情況，為了顯示方便，因此只截取了左半跨主梁的分析結(jié)果，主梁的彎矩、軸力、剪力、砼橋面板上緣應力分別如圖2所示。

(a)彎矩

(b)軸力

(c)剪力

(d)砼橋面板上緣應力圖2 主梁成橋狀態(tài)下內(nèi)力

成橋狀態(tài)下主梁塔根部截面的內(nèi)力和應力結(jié)果如表1所示。

表1 主梁在塔根部截面內(nèi)力和應力

從整體分析結(jié)果可以看出，成橋狀態(tài)下，主梁在主塔根部支座位置附近梁段存在較大負彎矩段。然而，不同于一般連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，該橋為組合結(jié)構(gòu)斜拉橋，在負彎矩段同時存在很大的軸壓力，截面應力包含負彎矩和軸壓力的共同作用。從截面上緣應力可以看出，在成橋狀態(tài)下，負彎矩段主梁上緣并未出現(xiàn)拉應力，全截面都是受壓狀態(tài)，具有一定壓應力儲備。但是由于主塔穿過主梁，塔根部零號塊主梁存在挖空和截面突變，局部應力更加復雜，需要建立零號塊的局部有限元模型進行更精細的仿真分析。

2.2 局部有限元仿真分析

這里在順橋向截取了索塔到跨中和邊跨各10 m的全部實心段鋼混組合梁節(jié)段來建立零號塊局部實體模型，為簡化模型利用對稱性在橫橋向沿橋梁中心線取了一半結(jié)構(gòu)建立模型。鋼結(jié)構(gòu)部分(包括面板、底板、橫隔板、縱隔板、小縱肋、加勁板等)采用板殼單元模擬，預應力筋采用桿單元模擬，砼橋面板采用實體單元模擬。橋面板與鋼箱梁間的栓釘連接不是本文關(guān)注的重點，這里將鋼箱梁與橋面板模擬為完全連接。實體模型兩端設置了梁單元剛臂，便于施加相應的邊界條件。由于整體模型模擬了橋梁的施工過程、混凝土的收縮與徐變等效應，而局部模型采用一次落梁計算，與模擬實際施工過程得到的成橋內(nèi)力存在差別，很難保證局部模型內(nèi)力與整體計算結(jié)果完全一致。考慮到我們最關(guān)注零號塊負彎矩最不利位置(塔根部主梁截面)的應力狀況，通過在局部模型順橋向兩端施加合適的邊界條件，使得局部模型根部截面內(nèi)力(彎矩、軸力、剪力)與整體計算結(jié)果保持一致。橫橋向設置對稱約束。詳細的模型如圖3所示(為顯示模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，左側(cè)隱去了部分混凝土橋面板)。通過有限元分析，提取混凝土橋面板應力結(jié)果如圖5所示。

圖3 局部有限元模型

支座中心線對應頂板位置為原點圖4 砼橋面板頂面順橋向應力云圖 Pa

(a) 順橋向

(b)橫橋向

(c)豎向圖5 砼橋面板頂面應力變化曲線

從順橋向應力分析結(jié)果可以看出，斜拉索給主梁提供了較大的壓應力儲備，橋面板順橋向主要承受壓應力，但是橋面板混凝土在橫隔板支撐作用下，局部負彎矩效應非常明顯，造成橋面板頂部局部出現(xiàn)拉應力，對應支座中心位置頂板拉應力為1.92 MPa。從橋面板頂面應力沿著順橋向、橫橋向和豎向三個方向的變化曲線可以看出，拉應力沿順橋向很快降低，在離支座截面43 cm之后頂板已經(jīng)全變?yōu)閴簯α耍瓚υ陧槝蛳蛴幸欢ǚ植挤秶陔x支座中心點220 cm之后全部變?yōu)閴簯Α＿@一方面是因為主梁橫向是往兩邊傾斜的，越往外頂板頂面離中性軸越近，另外支座位置有縱隔板，頂板受力存在剪力滯效應，越往兩邊受力越小。再者就是支座的局部支撐效應的離支座越近越明顯。順橋向應力沿著豎向基本呈線性變化，從頂面往下6.5 cm后混凝土變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。

綜合順橋向應力沿三個方向的變化情況，在成橋狀態(tài)下，由于支座和橫隔板的約束作用，混凝土橋面板的第三體系局部受力非常明顯，在支座頂部橋面板存在43 cm×220 cm×6.5 cm的拉應力區(qū)，最大拉應力為1.92 MPa。

2.3 改進措施

從上述分析可知，由于支座的局部支撐約束作用，橋面板混凝土在橫隔板處存在局部負彎矩而產(chǎn)生拉應力，為了改善結(jié)構(gòu)的受力特性，下面研究幾種改進措施的效果：1)將與頂板連接的橫隔板在支座部位去除一部分；2)在支座處采用加強鋼板將支座位置橫隔板和相鄰的橫隔板(距離支座處2 m)連接起來；3)增強組合梁頂板縱肋；下面分別來看一下這幾種措施的效果。

1) 支座處橫隔板頂部部分挖空 由于橋面板在橫隔板支撐作用下局部負彎矩作用較大，這里研究將支座位置頂部橫隔板去除一部分，改善局部受力狀況，改進后的橫隔板細部構(gòu)造如圖6所示。通過有限元分析，混凝土橋面板應力結(jié)果如圖7所示。

圖6 改進后橫隔板細部構(gòu)造圖

圖7 砼橋面板頂面順橋向應力云圖

(a)順橋向

(b)橫橋向

(c)豎向圖8 砼橋面板頂面應力變化曲線

從計算結(jié)果可以看出，改進后的結(jié)構(gòu)大大改善了支座處頂板混凝土受力性能，支座頂板主要受第一體系受力，支座局部支撐轉(zhuǎn)移到橫隔板外側(cè)實心段，完全消除了橫隔板處頂板的局部負彎矩尖峰，頂板順橋向變?yōu)榱藟簯Αｍ敯鍣M橋向應力也相應有所減小，因此，這種改進措施效果很好。

2) 支座處加強板延伸連接相鄰橫隔板 原結(jié)構(gòu)塔根部橫隔板在支座位置處設置了局部加強板，對該處的鋼結(jié)構(gòu)底板及橫隔板剛度有所增強，但對頂板受力改善有限。這里擬將加強板往兩邊延伸至將相鄰的兩個橫隔板連接起來，支座的支撐作用將分散到多個橫隔板，有利于減少混凝土頂板的局部負彎矩效應，改進后的結(jié)構(gòu)詳細構(gòu)造如圖9所示。改進后的結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)受力結(jié)果如圖10所示。

圖9 改進后橫隔板處加強板構(gòu)造圖

圖10 砼橋面板頂面順橋向應力

(a)順橋向

(b)橫橋向

(c)豎向圖11 砼橋面板頂面應力變化曲線

從結(jié)果可以看出，改進后的結(jié)構(gòu)在支座處頂板混凝土都變?yōu)榱藟簯Α＿@主要是因為加強版將支座的支撐分散到了三塊橫隔板，傳力更均勻，削減了橫隔板處頂板的負彎矩尖峰，因此，這種改進措施效果良好。

3) 增強組合梁頂板縱肋 原結(jié)構(gòu)塔根部鋼梁頂板下設置了24 cm高的小縱肋，這里將靠近支座正上方位置的部分小縱肋加高為50 cm，并在加高的小縱肋下緣用鋼板連接起來，以增強頂板的局部剛度，增強范圍為支座兩側(cè)橫隔板以內(nèi)。改進后頂板詳細構(gòu)造如圖12所示。改進后的結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)受力結(jié)果如圖13、14所示。

圖12 改進后頂板縱肋構(gòu)造圖

圖13 砼橋面板頂面順橋向應力

(a) 順橋向

(b)橫橋向

(c)豎向圖14 砼橋面板頂面應力變化曲線

從計算結(jié)果可以看出，改進后的結(jié)構(gòu)在支座中心處頂板混凝土拉應力減小到0.55 MPa，拉應力范圍也變小了，拉應力沿順橋向在離支座截面19 cm之后頂板開始變?yōu)閴簯Γ瑱M橋向在離支座中點71 cm之后頂板全部受壓，豎向從頂面往下27 cm后混凝土變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。 因此，這種改進措施也可以降低頂板的拉應力狀況，但是相對來說，效果沒有上一種方式好。

4 結(jié)論

對于半漂浮體系組合梁斜拉橋，支座的約束作用導致零號塊應力集中和負彎矩尖峰，混凝土橋面板處于復雜的不利受力狀態(tài)，通過對某橋零號塊負彎矩區(qū)受力性能進行研究，提出了三種改進措施，研究結(jié)果表明：

1)整體模型分析表明成橋狀態(tài)下零號塊主梁存在負彎矩，但是斜拉索給提供了很大的軸壓力，負彎矩段上緣混凝土橋面板并未出現(xiàn)拉應力，全截面都是受壓狀態(tài)，具有一定壓應力儲備。

2)零號塊橋面板混凝土在橫隔板支撐作用下，局部負彎矩效應非常明顯，同時由于頂板受力存在剪力滯效應，在支座頂部橋面板存在43 cm×220 cm×6.5 cm的拉應力區(qū)，最大拉應力為1.92 MPa。

3)第一種措施即支座處橫隔板頂部挖空一部分的效果最好，能大大改善頂部負彎矩區(qū)受力性能，消減局部負彎矩尖峰。第二種措施通過將支座處橫隔板加強板延伸至相鄰橫隔板效果次之，它能將支座的支撐作用分散到三塊橫隔板，傳力更均勻。第三種措施是通過直接加強負彎矩區(qū)的頂板剛度來減小橋面板第三體系引起的局部負彎矩作用，效果稍弱。