鋼-混組合梁橋力學性能分析

唐 娟

(西藏自治區公路局日喀則公路分局 日喀則市 850000)

鋼-混凝土組合梁通過設置專門的剪力連接構件(又稱剪力連接鍵)將鋼梁和混凝土板連接成整體實現共同作用，作為一種組合結構，鋼-混凝土組合梁在力學行為上與純混凝土結構、鋼筋混凝土結構以及鋼結構不同。依托某跨徑55m的鋼混組合梁橋，開展鋼-混組合梁橋力學性能分析。在此基礎上，對剪力鍵類型和設置間距進行研究。

1 工程概況

某大橋主橋采用跨徑55m的鋼-混組合梁橋設計，單幅橋梁寬度為13.75m，主梁由3片鋼板組合梁構成，各片主梁中心線之間相距490cm，跨中斷面梁高300cm。鋼梁為Q345D工字形直腹板設計，剪力連接鍵選用剪力釘。各片主梁間設置橫梁實現橫向聯系的加強，小橫梁和大橫梁設置間距分別為4m和12m，同時，于支點位置布置支點橫梁。主梁下翼緣采用變厚度設計，跨中位置和支點位置分別設計為1600mm×60mm和1200mm×46mm鋼板。腹板也采用變厚度設計，跨中位置和支點位置分別設計為20mm和24mm鋼板，上翼緣全部設計為700mm×24mm鋼板。主梁跨中段腹板橫向加勁設置間距為2m，支點段腹板橫向加勁設置間距為1.33m。橋面板厚度也隨跨徑發生變化，跨中位置和支點位置厚度分別為26cm和36cm。預制橋面板和濕接縫分別采用C50混凝土和C50補償收縮混凝土。大橋立面圖見圖1，跨中斷面和支點斷面圖見圖2、圖3。

圖1 大橋立面布置圖(單位：cm)

圖2 大橋跨中斷面圖(單位：mm)

圖3 大橋支點斷面圖(單位：mm)

2 分析方法與計算參數

2.1 分析方法

該橋鋼-混組合梁為多主梁簡支結構。采用大型有限元通用軟件midas Civil建立有限元模型，對結構運營階段力學性能進行分析，有限元模型中，以最大程度地考慮鋼-混組合梁特點為原則劃分結構單元。結構分析采用梁格法，考慮橋面板分次澆注，并考慮徐變引起的橋面板應力重分布[1]。

2.2 設計參數

大橋主要材料計算參數見表1。

表1 主要材料計算參數

3 主梁力學性能分析

3.1 有限元模型建立

依據文獻[2]，支點位置和跨中位置梁的有效寬度計算值為4.425m，使用大型有限元軟件midas Civil建立的梁格計算模型如圖4所示。

圖4 邊孔主梁(單梁)midas Civil有限元模型

3.2 計算結果分析

3.2.1組合梁變形分析

規范規定，靜活載作用下梁的變形不能超過跨徑的1/600。對于本橋，有：

L/600=53320mm/600=88.8mm

為節約篇幅，未給出組合梁變形有限元計算結果云圖。分析表明靜活載作用下，梁的最大變形為30.7mm，滿足要求。

該橋在自重及靜活載作用下發生的總位移為：

ω=ωg+ωQ=61.6+30.7=92.4mm>53320/1600=33.3mm

顯然，跨中應該設置預拱度。

(ⅱ) 對任意F∈CIrr(X),若Fδ∩f-1(U)≠?,f(Fδ)∩U≠?,由f(Fδ)?(f(F))δ,(f(F))δ∩U≠?。注意到U∈σCSI及f(F)∈CIrr(Y),于是f(F)∩U≠?,F∩f-1(U)≠?,從而f-1(U)∈τCSI。

跨中預拱度設置大小為：

δ=ωg+1/2ωQ=61.6+30.7/2=77.0mm

3.2.2抗剪強度分析

經過分析比較，邊梁主梁成橋運營階段產生的剪力最大，剪力圖如圖5所示。

圖5 成橋運營階段邊梁主梁剪力圖(單位：kN)

則腹板最大剪應力為：

腹板最小剪應力為：

綜上，鋼梁最大剪應力和最小剪應力均小于規范規定的限值155MPa，抗剪強度滿足要求。

3.2.3組合梁應力分析

(1)中梁結果

計算表明：荷載組合下，該橋運營階段鋼梁上緣無拉應力，最大壓應力大小為143.2MPa，鋼梁下緣無壓應力，最大拉應力大小為160.1MPa，混凝土板上緣最大壓應力和最大拉應力分別為14.5MPa和1.38MPa，混凝土板下緣最大壓應力和最大拉應力分別為12.4MPa和1.65MPa，均滿足要求。

(2)邊梁結果

計算表明：荷載組合下，該橋運營階段鋼梁上緣無拉應力，最大壓應力大小為138.1MPa，鋼梁下緣無壓應力，最大拉應力大小為137.4MPa，混凝土板上緣最大壓應力和最大拉應力分別為11.6MPa和0.57MPa，混凝土板下緣最大壓應力和最大拉應力分別為9.15MPa和0.93MPa，均滿足要求。

3.2.4組合梁抗剪連接件(剪力釘)分析

(1)抗剪連接件抗剪承載力分析

文獻[2]給出了單個栓釘抗剪承載力計算公式。根據規范[2]，計算可得：

(2)抗剪連接件疲勞分析

文獻[2]給出了抗剪連接件疲勞驗算計算公式。

疲勞荷載剪力幅代表疲勞荷載模型按最不利情況加載于影響線得出的最大剪力和最小剪力之差。由計算可知：該橋按疲勞荷載模型最不利情況加載于影響線得出的最大剪力-1.23×103kN，該橋按疲勞荷載模型最不利情況加載于影響線得出的最小剪力-7.05×103kN。則抗剪連接件(剪力釘)疲勞荷載剪力幅為5.02×103kN。

該橋截面上一共布置了2024根剪力釘，則單個剪力釘承擔的剪力為：

綜上，抗剪連接件(剪力釘)疲勞驗算滿足規范要求。

(3)支座分析

表2為支座的反力計算結果。荷載組合下，該橋支座最大反力為2.87×103kN，小于支座的最大承載力設計值5×103kN，滿足規范要求。

表2 支座反力表 kN

綜上，按照規范要求進行驗算，相應荷載組合作用下，該橋抗彎、抗剪承載力、變形、剪力連接件受力、支座承載力均能滿足規范要求。

4 剪應力布置對鋼-混凝土組合梁長期效應影響分析

4.1 設計方案

鋼梁和混凝土板憑借剪力連接鍵構成整體而實現共同工作。剪力連接鍵的類型及設置間距對結構抗剪剛度和極限抗剪承載力有所影響。剪力釘按排設計，在該橋組合梁設計基礎上，改變剪力鍵的類型和剪力釘排間距，建立不同剪力釘布置方式的模型來進行對比計算分析。設計方案見表3。各方案剪力鍵布置示意見圖6。

表3 設計方案

圖6 設計方案剪力鍵布置示意

4.2 分析結果

鋼-混凝土組合梁方案一、方案二、方案三的計算結果見表4。

表4 各方案力學性能對比

研究表明：在長期荷載作用下，運營階段，鋼-混組合梁橋剪力鍵類型及設置間距對組合梁界面滑移具有較大影響，設置柔性剪力鍵的設計方案產生的滑移量較剛性剪力鍵方案大，剪力鍵類型及設置間距對結構變形也具有一定影響，但對鋼梁和混凝土板應力影響不明顯。剪力鍵剛度越小，布置間距越大，鋼-混組合梁運營階段的變形越大。

5 結語

首先對某鋼-混組合梁設計方案進行介紹，依據相關規范，借用有限元軟件，開展鋼-混組合梁橋力學性能分析，結果表明橋梁設計方案滿足要求。在此基礎上，對剪力鍵類型及設置間距開展研究，進行參數影響性分析。研究表明：剪力鍵類型及設置間距對組合梁界面滑移具有較大影響，設置柔性剪力鍵的設計方案產生的滑移量較剛性剪力鍵方案大，剪力鍵類型及設置間距對結構變形也具有一定影響，但對鋼梁和混凝土板應力影響不明顯。剪力鍵剛度越小，布置間距越大，鋼-混組合梁運營階段的變形越大。研究結果可供類似工程設計參考。