鋼-混組合梁橋橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化研究

廖朝義

(廣西壯族自治區(qū)交通運輸工程質(zhì)量監(jiān)測鑒定中心，廣西 南寧 530031)

0 引言

近年來，鋼-混組合梁橋因具有整體性好、施工簡便、經(jīng)濟性及抗震性能優(yōu)良等優(yōu)點，逐漸在我國橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。但由于早期設(shè)計者對于該類型橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)研究的不足，導(dǎo)致部分橋梁出現(xiàn)橋面開裂、主梁結(jié)構(gòu)變形及滑移等嚴重病害[2]。因此，如何通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來提升鋼-混組合梁橋安全性已成為當(dāng)下學(xué)者亟須研究的重要課題[3-4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對這一課題已展開了大量研究，如陳洪偉等[5]針對多梁式工形截面鋼-混組合梁橋，研究其橋梁跨徑、橋梁寬度、跨徑布置、中橫梁設(shè)置、端橫梁設(shè)置等參數(shù)對橫向受力分布的影響。毛亞娜[6]發(fā)現(xiàn)簡支鋼-混組合梁采用中間支撐或臨時墩施加支反力的施工方法，可大幅減小鋼梁上翼緣壓應(yīng)力，充分發(fā)揮混凝土受壓的特點，同時可減小下翼緣拉應(yīng)力，有利于節(jié)省鋼材。劉揚等[7]結(jié)合ANSYS有限元程序的Workbench平臺Design-Exploration模塊進行實驗設(shè)計，研究組成鋼-混組合橋面系的混凝土板、鋼縱梁及鋼桁架等結(jié)構(gòu)參數(shù)對組合截面力學(xué)性能的影響。周青等[8]對鋼-混組合板梁橋的設(shè)計標準化關(guān)鍵參數(shù)進行分析，以橫向分布系數(shù)、橋面板橫向承載力和鋼主梁應(yīng)力作為參數(shù)分析對比標準，研究了鋼-混組合板梁橋的合理截面與合理構(gòu)造。考慮到鋼-混組合梁橋的橫梁布置位置對其結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定影響較大，且在此方面的研究比較欠缺，本文以某鋼-混組合梁橋為例，研究了不同橫梁參數(shù)對橋梁變形、受力及穩(wěn)定性的影響，并得出了橫梁較優(yōu)間距與布置位置。

1 工程概況

某分幅式連續(xù)梁橋跨徑布置為4×30 m，橋梁單幅寬度為13.5 m，該橋設(shè)計荷載等級為公路Ⅰ級，車道設(shè)計標準為雙向四車道，設(shè)計速度為60 km/h。連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)采用鋼-混凝土板組合梁，橋面板采用強度等級為C50的混凝土，鋼構(gòu)件均采用Q345型鋼材。主梁高為1.8 m，腹板厚度為1.6～2.0 cm，上翼緣板和下翼緣板寬度分別為80 cm、96 cm，上翼緣板厚度為3.4 cm，下翼緣板厚度為2～5 cm。兩根鋼梁間采用每隔8 m設(shè)置1道的對稱截面橫梁進行連接，其中跨間處小橫梁的高度及其翼緣板的寬度均為40 cm，翼緣板厚度為1.3 cm，腹板厚度為2.1 cm；中支點處中橫梁和邊支點處端橫梁的梁高均為80 cm，翼緣板的寬度、厚度分別為70 cm和1.6 cm，腹板厚度為2.0 cm。腹板設(shè)有2.8 cm長、3.5 cm寬的縱向加勁肋，其中除中、端橫梁處的厚度為1.6 cm外，其他位置厚度均為1.3 cm。鋼-混組合梁橋的橫斷面布置具體如圖1所示。

圖1 鋼梁標準截面圖

2 有限元模型

運用有限元軟件ANSYS建立鋼-混組合梁橋空間三維數(shù)值模型，采用Shell43單元模擬鋼梁，采用Shell65單元模擬混凝土，計算模型共包含246個單元和271個節(jié)點。其有限元模型如下頁圖2所示。

圖2 鋼-混組合橋梁有限元模型圖

計算過程中，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Hongnestad模型，破壞準則遵循五參數(shù)的Willam-Warnke破壞準則，收斂準則采用力的收斂，收斂精度為0.1%，極限壓應(yīng)變?nèi)≈?.8×10-3。鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動模型，計算時簡化為斜線加平直線形式，屈服應(yīng)力計算取值345 MPa。鋼梁和混凝土的連接形式采用剛臂力連接，并設(shè)定以下邊界條件：(1)在1#主梁端點進行固定約束，對邊支點及次邊支點進行豎向位移約束，對中支點進行橫向和豎向位移約束；(2)在2#主梁端點進行豎向和縱向位移約束，對邊支點和中支點進行豎向位移約束。荷載主要考慮鋼梁和混凝土自重、二期恒載、車輛荷載以及風(fēng)荷載作用。鋼材和混凝土計算參數(shù)如表1所示。

表1 材料基本參數(shù)表

3 結(jié)果與分析

為優(yōu)選出鋼-混組合梁橋橫梁的最佳設(shè)計參數(shù)，以原鋼-混組合梁橋有限元模型為基礎(chǔ)，分別建立不同橫梁間距和布置位置的橋梁計算模型，其他參數(shù)保持不變，對比分析橋梁變形、受力及整體穩(wěn)定性的變化規(guī)律。

3.1 橫梁間距的影響

分別建立橫梁間距為2.5 m、5 m、7.5 m、10 m及12.5 m的鋼-混組合梁橋計算模型，并針對橋梁橫梁最大位移、主梁的跨中最大拉應(yīng)力、支點最大壓應(yīng)力以及穩(wěn)定系數(shù)進行計算分析。

3.1.1 位移分析

經(jīng)計算得到不同橫梁間距的橫梁最大位移變化曲線如圖3所示。

圖3 不同橫梁間距-橫梁最大位移變化曲線圖

根據(jù)圖3可知，隨著橫梁間距的增大，鋼-混組合梁橋橫梁的最大位移呈不斷增大趨勢，說明橫梁間距的變化會對橋梁結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生一定影響。當(dāng)橫梁間距由2.5 m增至10 m時，橫梁最大位移的增幅相對較小，平均在7%左右；而橫梁間距由10 m增至12.5 m時，橫梁最大位移的增幅明顯變大，達到15.5%。由此說明，對于控制鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)變形而言，橫梁設(shè)置間距宜≤10 m。

3.1.2 應(yīng)力分析

經(jīng)計算得到不同橫梁間距的主梁跨中最大拉應(yīng)力和支點最大壓應(yīng)力變化曲線如圖4所示。

圖4 不同橫梁間距-最大應(yīng)力變化曲線圖

根據(jù)圖4可知，隨著橫梁間距的增大，鋼-混組合梁橋主梁的跨中拉應(yīng)力不斷增大，而支點壓應(yīng)力逐漸減小，其中橫梁間距對主梁跨中拉應(yīng)力的影響較為明顯，對于支點拉應(yīng)力的影響可忽略不計。當(dāng)橫梁間距由2.5 m增至10 m時，主梁跨中最大拉應(yīng)力的增幅相對較小，平均在5%左右；但橫梁間距由10 m增至12.5 m時，主梁跨中最大拉應(yīng)力的增幅明顯變大，達到11%。由此可知，對于控制鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)受力而言，橫梁設(shè)置間距宜≤10 m。

3.1.3 穩(wěn)定性分析

經(jīng)計算得到不同橫梁間距的鋼-混組合梁橋穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖5所示。

圖5 不同橫梁間距-穩(wěn)定系數(shù)變化曲線圖

根據(jù)圖5可知，隨著橫梁間距的增大，鋼-混組合梁橋的穩(wěn)定系數(shù)呈不斷減小趨勢，說明橫梁間距的變化會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)橫梁間距由2.5 m增至10 m時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)的減幅相對較小，平均在7%左右；而橫梁間距由10 m增至12.5 m時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)的減幅明顯變大，達到38.2%。這說明橫梁設(shè)置間距超過10 m后，橋梁的整體穩(wěn)定性會大幅下降。綜合橫梁間距對橋梁變形、受力及穩(wěn)定性的影響，同時結(jié)合對經(jīng)濟性的考慮，橫梁間距選擇7.5～10 m范圍相對較優(yōu)。

3.2 橫梁位置的影響

分別建立橫梁位置為7/8L、3/4L、1/2L、1/4L及1/8L(L代表梁高)的鋼-混組合梁橋計算模型，并針對橋梁橫梁最大位移、主梁的跨中最大拉應(yīng)力、支點最大壓應(yīng)力以及穩(wěn)定系數(shù)進行計算分析。

3.2.1 位移分析

經(jīng)計算得到不同橫梁位置的橫梁最大位移變化曲線如圖6所示。

圖6 不同橫梁位置-橫梁最大位移變化曲線圖

根據(jù)圖6可知，隨著橫梁位置的下降，鋼-混組合梁橋橫梁的最大位移呈不斷減小趨勢，說明橫梁位移的變化會對橋梁結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生一定影響。當(dāng)橫梁位置由7/8L下移至1/4L時，橫梁最大位移的減幅較為明顯，平均在13%左右；而橫梁位置由1/4L下移至1/8L時，橫梁最大位移的減幅有所減小，僅為2.6%。這說明橫梁在1/4L～1/8L位置的鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)變形相對較小。

3.2.2 應(yīng)力分析

經(jīng)計算得到不同橫梁位置的主梁跨中最大拉應(yīng)力和支點最大壓應(yīng)力變化曲線如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，隨著橫梁位置的下降，鋼-混組合梁橋主梁的跨中拉應(yīng)力不斷減小，但支點壓應(yīng)力逐漸增大，其中橫梁位置對主梁跨中拉應(yīng)力的影響較為明顯，對于支點拉應(yīng)力的影響可忽略不計。當(dāng)橫梁位置由7/8L下移至1/4L時，主梁跨中拉應(yīng)力的減幅較大，平均在6%左右；而橫梁位置由1/4L下移至1/8L時，主梁跨中拉應(yīng)力的減幅有所減小，僅為1.1%。這說明橫梁在1/4L～1/8L位置的鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)受力更為合理。

圖7 不同橫梁位置-最大應(yīng)力變化曲線圖

3.2.3 穩(wěn)定性分析

經(jīng)計算得到不同橫梁位置的鋼-混組合梁橋穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖8所示。

圖8 不同橫梁位置-穩(wěn)定系數(shù)變化曲線圖

根據(jù)圖8可知，隨著橫梁位置的下降，鋼-混組合梁橋的穩(wěn)定系數(shù)呈不斷增大趨勢，說明橫梁位置的變化會對橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)橫梁位置由7/8L下移至1/4L時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)的增幅較大，平均在11%左右；而橫梁位置由1/4L下移至1/8L時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)的減幅明顯變小，僅為2%。這說明橫梁低于1/4L位置后，橋梁的整體穩(wěn)定性變化不大。綜合橫梁位置對橋梁變形、受力及穩(wěn)定性的影響，橫梁選擇布置在1/4L～1/8L時，綜合效果較好。

4 結(jié)語

(1)隨著橫梁間距的增大，鋼-混組合梁橋的橫梁最大位移和主梁跨中拉應(yīng)力均不斷增大，穩(wěn)定系數(shù)不斷減小，支點拉應(yīng)力變化不大。橫梁間距<10 m時，橫梁最大位移和跨中拉應(yīng)力增幅較小，穩(wěn)定系數(shù)減幅較小，但橫梁間距>10 m后，橫梁最大位移和跨中拉應(yīng)力增幅變大。穩(wěn)定系數(shù)減幅變大。綜合來看，橫梁間距選擇7.5～10 m范圍的橋梁結(jié)構(gòu)安全性較高。

(2)隨著橫梁位置的下移，鋼-混組合梁橋的橫梁最大位移和主梁跨中拉應(yīng)力均不斷減小，穩(wěn)定系數(shù)不斷增大，支點拉應(yīng)力變化不大。橫梁位置高于1/4L時，橫梁最大位移和跨中拉應(yīng)力減幅較大，穩(wěn)定系數(shù)增幅較大，但橫梁位置低于1/4L后，橫梁最大位移和跨中拉應(yīng)力減幅變小，穩(wěn)定系數(shù)增幅變小。綜合來看，橫梁在1/4L～1/8L位置時橋梁結(jié)構(gòu)安全性較高。