鋼-混凝土組合橋梁的受力性能分析

牟星宇，曹德國，張劍鋒，趙然，楊夢瑩，李金平

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

近年來，鋼-混組合梁在目前橋梁建設中的應用逐漸增加，其結構形式主要是通過抗剪構建將混凝土橋面板和下部的鋼主梁連接起來，使混凝土和鋼共同受力的結構形式[1]。這種組合結構梁的形式，充分發揮了各種材料自身的優良性能，在結構抗拉和抗壓方面具有更優良的性能。在《鋼-混組合橋梁設計規范》（GB 50917-2013）[2]應用之后，對于鋼混組合梁橋結構形式的研究逐漸變多，不少學者對鋼-混組合梁橋的受力性能以及施工形式進行了研究。陳朝慰[3]針對鋼-混組合橋梁結構的新型連接構件進行了受力分析，采用有限元分析了新型連接構建在施工和運營階段的受力和變形情況；王建超等[4]開展了鋼-混凝土組合梁橋的受力可靠度分析，主要采用最大熵函數構造的凝聚函數對抗彎、縱向抗剪和豎向抗剪承載力進行了可靠度分析；常英飛[5]對鋼-混組合梁橋的新技術進行了闡述和總結，并提出未來組合橋梁發展的新思路；陳寶春等[6]對我國鋼-混凝土組合梁橋的研究進展和工程應用進行了系統歸納總結，介紹了傳統的組合梁橋以及近年提出的新型組合梁橋結構形式，并對其工程應用進行了總結；王嶺軍[7]采用有限元分析法，首先建立鋼-混組合梁斜拉橋模型，再次分析了不同施工階段下橋梁結構的受力特性，獲得橋梁整體失穩狀態，最后根據分析得出相應的結論；李德等[8]對新型鋼-混組合桁架梁鐵路橋的力學特征進行了研究分析，研究結果表明，橋梁的自振特性分析結果滿足規范要求；王元清等[9]采用ANSYS 有限元分析了曲線鋼-混組合梁橋的跨度與整體剛度及跨高比之間的關系；蔣麗忠等[10]針對鋼-混組合梁橋的動力響應和安全指標進行了試驗研究，研究結果顯示各項指標均滿足規范要求。由上述可知，對于鋼-混組合梁結構的研究已經較為成熟，本文在上述研究的基礎上，以主河槽橋為依托，開展了平原區鋼-混凝土組合梁橋的受力性能分析，主要研究靜載和汽車荷載作用下組合梁的位移和變形情況，為平原區鋼-混組合梁橋的設計提供參考。

1 工程概況

主河槽橋上跨黃河灘地及主河槽，采用鋼-混凝土組合梁，橋跨布置為6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+1×50m，橋梁全長為3656m（含橋臺）。橋梁上、下部結構均采用分幅布置，橋面總寬34.1m。上部結構主梁采用單箱單室分幅“開口鋼箱梁+混凝土橋面板”等高連續組合梁，單幅橋寬16.6m；下部結構采用分離式布置，鋼管復合樁基礎，埋置式承臺，承臺和墩身均采用懸澆鋼筋混凝土。鋼主梁設計成倒梯形結構，鋼主梁在梁中心線處高4.72m，鋼主梁頂寬9.7m，底寬6.5m，腹板傾斜設置，預制混凝土橋面板采用C55 耐久混凝土，橋面寬16.60m，懸臂長度3.25m。預制橋面板構造見圖1，主梁斷面圖見圖2。

圖1 橋面板一般構造圖

圖2 主梁斷面圖

2 有限元模擬

2.1 模型條件

主梁采用鋼混組合箱梁，中心梁高5.0m（含28cm 厚橋面板），梁寬16.6m，標準節段長度為10.0m。主梁為開口槽型斷面，材質為Q420，頂板寬度1.6m、厚度40～60mm，底板寬度6.6m、厚度28～56mm。主梁橋面板寬度為16.6m、厚度為28cm，在伸縮縫處采用變高度設計，厚度為50cm，橋面板材質為C50混凝土。鋼絞線抗拉強度為1860MPa，其彈性模量E 為195000MPa，線膨脹系數為0.000012。鋼導梁采用焊接工字鋼，導梁長度為60.0m，每15.0m 為一個標準節段。鋼導梁采用變高度設計，高度從4.7m漸變至2.0m。

2.2 荷載取值

結構自重：混凝土容重26kN/m3。

二期恒載：單側SS 級鋼護欄2.1kN/m；橋面鋪裝為10cm 厚瀝青混凝土，荷載集度為37.2kN/m。

混凝土收縮及徐變影響：混凝土收縮及徐變應按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）取用。

支座沉降按照1cm考慮。

車道荷載：汽車活載為公路Ⅰ級，設計車道數為四車道，橫向折減系數及縱向折減系數取值參照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）；制動力按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)取值。

整體升降溫：按照全國氣候分區圖，橋位所在地區為寒冷地區。按照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015)）表4.3.12，混凝土橋面板鋼橋有效溫度標準值最高為39℃、最低為-15℃。

2.3 有限元模型

依據上述模型條件和荷載條件建立鋼-混凝土組合梁橋的有限元模型，由于全橋共3650m 長，600m 一聯，100m一跨，因此本文建立此橋的一聯進行計算分析。整聯橋梁共1245 個節點，926個單元，該聯橋梁設置5 個縱向活動支座、5個雙向活動支座、2個固定支座和2個橫向活動支座，全聯橋梁的有限元模型見圖3，有限元模型橋梁橫斷面見圖4。

圖3 鋼-混凝土組合梁橋有限元模型

圖4 有限元模型橋梁橫斷面圖

3 計算分析結果

依據建立的有限元模型進行計算分析，得出在靜載和汽車荷載作用下，鋼-混凝土組合橋梁的受力性能。

3.1 位移分析結果

在溫度荷載、人群荷載和汽車荷載的作用下，鋼-混凝土組合梁橋的整體縱向位移情況見圖5。

圖5 縱向位移情況

由圖5 可知，人群荷載和汽車荷載對組合梁結構的縱向位移影響很小，依據規范，不可忽略人群荷載和汽車荷載對橋梁的影響。本文主要研究整體升溫作用和整體降溫作用對組合梁的影響規律，分析結果顯示組合梁結構的縱向位移影響規律剛好相反。在整體升溫作用下，組合梁結構的縱向位移先減小，后在200～300m 的位置保持位移在0 附近，主要可能是由于在200m 和300m 位置處設置了固定支座和橫向活動支座，最后組合梁的縱向位移逐漸反向增大，在0m 位置時，組合梁的縱向最大位移為92mm，在600m 位置處組合梁的最大縱向位移為137mm；整體降溫作用下組合結構的縱向位移變化趨勢呈先減小后保持100m 的距離不變，最后反向增大，組合梁結構在0m 位置處的最大縱向位移為35mm，在600m 位置處的最大縱向位移為53mm。

由上述分析，人群荷載和汽車荷載對組合梁結構的縱向位移影響較小，整體升溫和整體降溫作用下組合梁結構的縱向位移較大，在設計和施工過程中應多注意溫度對鋼-混凝土組合橋梁縱向位移的影響，針對溫度作用的影響提出相應的設計對策，保證結構的安全。

由于溫度荷載和人群荷載對組合梁結構的橫向位移影響很小，因此只對鋼-混凝土組合橋梁結構的橫向位移進行分析，汽車荷載作用下橋梁結構的橫向位移見圖6。由圖6可知，汽車荷載作用下，鋼-混凝土組合梁橋的橫向位移量最大為8mm，最大位移出現在設有固定支座的第3 跨跨中，且每跨的橫向位移變化趨勢均一致。由此可見，汽車荷載作用對組合梁結構的橫向位移有較大的影響。

圖6 橫向位移情況

組合梁結構的豎向位移情況見圖7、圖8和圖9。

圖7 豎向位移情況

圖8 人群荷載作用下組合梁豎向位移情況

圖9 汽車荷載作用下組合梁豎向位移情況

由圖7 可知，在溫度荷載作用下，組合梁結構的豎向位移在200m 和300m的位置出現變化，主要可能是由于在第3 跨兩端設置了固定支座，使主梁在溫度作用下跨中出現了豎向變形。整體升溫作用下，主要發生下撓位移，且組合梁的最大豎向位移為0.03mm，在整體降溫作用下，主梁主要出現向上拱起位移，最大豎向位移為0.12mm，整體上看，溫度荷載作用對鋼混組合梁橋的主梁豎向變形影響較小。

由圖8和圖9可知，組合梁豎向位移變化情況受人群荷載和汽車荷載作用的影響基本一致且都非常小，但是在設計時，對于人群荷載對組合梁結構豎向位移的影響需適當考慮，不可忽略。由于汽車荷載的特殊性，在設計時應當主要考慮汽車沖擊荷載作用對組合梁結構豎向位移的影響。

3.2 內力分析結果

由于人群荷載和汽車荷載作用對鋼-混凝土組合梁橋的軸力的影響很小，因此，主要探討溫度荷載作用下組合梁結構的軸力變化情況。溫度荷載下作用下，組合梁結構的軸力變化情況見圖10。

圖10 組合梁軸力變化情況

由圖10 可知，在整體升溫作用下，組合梁結構的軸力在200m 和300m 位置處發生突變，主要是由于在200m 位置和300m 位置處設置了固定支座和橫向活動支座，且在200～300m 位置軸向壓力達到最大值（554830.64kN）；在整體降溫作用下，組合梁結構的軸力同樣在200m和300m位置處發生突變，在此位置的最大軸線拉力為213396.4kN。由上述分析可知溫度荷載對組合梁結構的軸力影響很大，在設計和施工中，為保證結構的安全性能，應多加考慮溫度荷載對組合梁結構的影響。荷載作用下鋼-混組合梁橋的彎矩變化情況見圖11。

圖11 組合梁的彎矩變化情況

由圖11 可知，整體升溫和整體降溫作用對鋼-混凝土組合梁橋的彎矩影響很小。在人群荷載和汽車荷載作用對組合梁彎矩的影響變化情況基本一致，且每跨的最大彎矩均在跨中位置，人群荷載作用下，組合梁的最大彎矩為1576.03kN·m，汽車荷載作用下，組合梁的最大彎矩為23087.32kN·m。

由上述分析可知，在鋼-混凝土組合梁橋的設計中，主要考慮汽車荷載作用產生的彎矩，溫度荷載對主梁彎矩的影響較小。

3.3 應力分析結果

計算分析了荷載作用下，組合梁結構的應力變化情況，結果見圖12。由圖12 可知，鋼-混凝土組合梁橋的應力主要受溫度荷載為影響，人群荷載對組合梁的應力影響較小，但不可忽略，本文主要研究溫度荷載作用下組合梁的應力變化規律。在整體升溫和整體降溫作用下，對組合梁結構的應力影響很大，其次是汽車荷載作用的影響，在設計時需注重考慮溫度荷載和汽車荷載對組合梁結構應力的影響。

圖12 組合梁應力變化情況

由于鋼-混凝土組合梁的應力變化受整體升溫作用影響最大，因此，本文統計了在整體升溫作用下，混凝土橋面板和鋼梁頂底板的應力值，并與規范值相比較，結果見表1。

表1 組合梁應力值（單位：MPa）

由表1 可知，組合梁結構的各部應力值均滿足規范要求，因此，本文的研究成果在一定程度上可為設計提供參考。

4 結論

為探究鋼-混凝土組合梁的受力性能，本文以主河槽橋為依托，研究分析了溫度荷載、汽車荷載和人群荷載作用下，橋梁的位移、內力和應力變化情況，主要得出以下結論：

鋼-混凝土組合梁橋為位移受溫度荷載和汽車荷載的影響較大，受人群荷載的影響較小；

鋼-混凝土組合梁橋的軸力主要受溫度荷載作用的影響，其彎矩主要受汽車荷載的影響，在設計時，應綜合考慮溫度和在和汽車荷載的影響；

鋼-混凝土組合梁橋的應力主要受溫度荷載的影響，其次是汽車荷載的影響，受溫升作用影響最大，研究結果表明溫升作用下各部的應力均滿足規范要求。