壓型鋼板在鋼-砼組合梁設計中的應用研究

doi：10.3969/j.issn.1672-6375.2023.11.012

摘 要：本文以某30 m壓型鋼板鋼-砼組合梁為工程背景，在詳細介紹組合梁分析方法基礎之上，通過建立順橋向單位長度平面框架有限元模型，對壓型鋼板組合梁和普通鋼-砼組合梁在其自重作用下工字鋼底部反力和應力、工字鋼腹板應力、橋面板的變形以及承載能力進行分析。計算結果表明：采用壓型鋼板可有效降低工字鋼底部反力和應力，最高分別達到4.9%、11.3%，腹板應力最大降低了6.6%，橋面板變形減小了3.97%，極大地降低了混凝土自重引起的應力和變形，增強了承載能力。

關鍵詞：壓型鋼板鋼-砼組合梁；有限元模型；應力；變形

中圖分類號：U441" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

鋼-砼組合梁是通過剪力連接件將混凝土與鋼板連接，使其共同承載荷載的作用。在荷載作用下，混凝土承壓，鋼板承拉，共同發揮作用，與傳統結構相比，鋼-砼組合梁具有有效降低質量，提高承載力，增強跨越能力等特點。

我國最早對壓型鋼板組合梁結構的研究起始于20世紀90年代，最早應用于工業與民用建筑中，在其相對發展成熟后，經認真計算研究，將其推廣至橋梁。由于其力學性能方面具有諸多優點，已在多座橋梁中得到應用，蘭州市的4座人行天橋均采用壓型鋼板組合梁結構^[1] 。

壓型鋼板翼板如圖1所示，壓型鋼板既能作為結構的一部分，又能充當模板，可以減少施工工序。鋼板塑性能力強，可以根據需要加工成不同形狀，并預留剪力連接件孔洞，目前在工程中發展了閉口型和縮口型壓型鋼板，可用于代替翼板中的受力鋼筋^[2]。

1 工程背景

本文以30 m壓型鋼板鋼-砼組合梁為工程背景，橋面全寬12.5 m，板厚25 cm，混凝土為C50，分別采用了開口式和閉口式壓型鋼板，如圖2、圖3所示，橫橋向布置圖如圖4所示。

2 施工過程

（1）根據設計圖紙，在工廠對鋼梁進行制造，對其進行檢驗，合格后運至目的地存放^[3]。

（2）焊接邊梁與次邊梁之間方鋼管、中橫梁及端橫梁；安裝閉口型壓型鋼板及鋼筋網，澆筑一期混凝土形成空間穩定的“吊裝段”。

（3）待混凝土強度和彈性模量達到28 d相應值的90%以上時，采用架橋機整孔架設。

（4）拼裝焊接“吊裝段”間橫聯及端橫梁，鋪設懸臂及箱間的開口型壓型鋼板，綁扎橋面板鋼筋，在“吊裝段”間壓型鋼板上方進行第一次混凝土澆注，將懸臂處壓型鋼板的堵頭板與主梁翼緣板進行焊接。

（5）待“吊裝段”間壓型鋼板上方澆注的第一次混凝土強度和彈性模量達到28 d相應值的70%以上時，澆注全部剩余的二期橋面板混凝土。

（6）待混凝土彈性模量和強度達到規范要求后，再施作防撞護欄及其附屬工程。

3 組合梁的分析方法與計算

3.1 彈性分析法

彈性分析法是將砼和鋼板作為理想的彈性體，并且認為經過計算后得出的混凝土和鋼材應力小于其材料本身的容許應力就滿足受力要求，彈性分析法可用（1）式表示^[4]：

σ（NS）=［σ］ （1）

式中：N表示最不利的設計荷載標準值（不計荷載安全系數）引起的內力；S表示構件截面幾何特征值；σ表示由設計引起的結構最大應力；［σ］表示混凝土、鋼材等材料的容許應力。

彈性理論計算組合梁基本假設為：

（1）將鋼材和混凝土均視為理想的彈性體，其應力應變關系成正比。

（2）鋼梁與翼板之間具有可靠的連接，相對滑移很小，可忽略不計。

（3）組合梁的截面變形符合平截面假設。

（4）不考慮受拉區混凝土參與工作。

按材料力學有關公式計算組合梁的截面應力：

（1）鋼梁的正應力

σ_s=My/ I₀（2）

式中： M表示計算截面的工作彎矩值；I₀表示組合梁換算截面慣性矩；y表示所求應力之點到換算截面重心軸的距離。

（2）鋼梁的剪應力

τ_s=QS₀/I₀b（3）

式中： Q表示計算截面的工作剪力值；S₀表示所求應力之處部分換算截面面積對組合梁換算截面重心軸的面積矩；b表示所求應力處鋼梁的寬度。

3.2 塑性分析法

塑性分析法理論計算的前提是截面能夠形成塑性鉸，當組合的截面計算彎矩大于按塑性理論計算的組合截面抗彎承載力就認為該結構滿足受力要求，是安全的，塑性分析法可用（4）式表示^[5]：

M_jgt;M_u（4）

式中：M_j表示組合截面計算彎矩；M_u表示按塑性理論計算的組合截面抗彎承載力。

在組合梁截面抗彎承載力計算中引入如下基本假設：

（1）翼板與鋼梁之間有可靠的連接，能夠保證抗彎能力充分發揮；

（2）位于塑性中性軸以下的受拉混凝土已開裂，不考慮其參加工作；

（3）位于塑性中性軸以上受壓混凝土采用矩形應力圖，應力達到混凝土的抗壓強度；

（4）鋼梁的受壓區和受拉區均進入塑性狀態，其應力分別達到鋼材的塑性強度；

（5）當鋼筋混凝土橋面板下設有承托時，忽略其影響。

3.3 有限元模型的建立

為詳細分析橋面板實際受力情況，建立鋼－混凝土組合箱梁平面框架分析模型。沿順橋向截取單位長度工字鋼梁節段，懸臂及吊裝單元之間的橋面板按開口型壓型鋼板的形狀建模，吊裝單元處橋面板下鋪設閉口型壓型鋼板，因閉口型壓型鋼板縱肋類似鉸縫，橫向計算時，只計縱肋上方的橋面板，厚度18.5 cm。建立平面框架分析計算模型如圖5所示，共96個節點，劃分為83個單元，工字梁與橋面板采用彈性連接里面的剛性約束模擬其邊界條件。為了分析壓型鋼板組合梁的受力性能，建立普通鋼-砼組合梁模型，如圖6所示。

平面框架計算模型邊界條件較為復雜，為簡化分析過程，在工字鋼梁梁底部角點各設置一個彈性支撐，支撐剛度通過主橋縱向分析得到。通過在連續梁跨中位置作用單位荷載，得到跨中位置豎向位移δ=6.469×10^－5 m/kN，則工字鋼梁平面框架豎向支撐剛度K=1/δ=1.5458×10⁴ m/kN。

4 結構受力分析

4.1 荷載工況

在工字梁平面框架受力分析中，對橋面混凝土板在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下進行安全驗算。平面框架承受的荷載主要有一期恒載，二期恒載（包括防撞欄，橋面鋪裝），汽車荷載等，荷載取值見表1。

4.2 一期恒載作用下受力分析

通過有限元模型，對壓型鋼板組合梁和普通組合梁在一期恒載作用下的工字鋼底部反力、工字鋼底部最大應力、工字鋼腹板最大應力和梁最大變形進行計算，計算數據見表2—表5。

通過分析表2數據可知：在一期恒載作用下，壓型鋼板組合梁和普通組合梁在2、3位置處支座反力差值為1 kN，采用壓型鋼板可有效降低工字鋼底部反力，降幅達到4.9%。

通過分析表3數據可知：在一期恒載作用下，壓型鋼板組合梁和普通組合梁在4個位置處應力差值為0.08 MPa，采用壓型鋼板可有效降低工字鋼底部應力，降幅達到11.3%。

通過分析表4數據可知：在一期恒載作用下，壓型鋼板組合梁和普通組合梁工字鋼腹板在4個位置處應力最大差值為0.1 MPa，采用壓型鋼板可有效降低工字鋼腹板應力，降幅達到6.6%。

通過分析表5數據可知：在一期恒載作用下，壓型鋼板組合梁和普通組合梁工字鋼腹板在9位置處變形最大差值為0.057 mm，采用壓型鋼板可有效降低9位置處變形，降幅達到3.97%。

4.3 橋面抗裂分析

根據《公路橋涵通用設計規范》規定，運用有限元軟件分析了壓型鋼板組合梁平面框架在恒載、汽車荷載和溫度荷載作用下，在正常使用極限狀態和承載能力極限狀態橋面板的受力，計算數據見表6、表7。

分析表6數據可知，各截面抗彎承載力均滿足要求。

分析表7數據可知，各截面裂縫寬度均小于容許裂縫寬度0.2 mm，滿足要求。

5 縱向檢算

5.1 橋面板計算模型

吊裝單元內橋面板為雙向板，尚需按縱向計算。橋面板按板單元建模，取6跨模擬，端部長4.61 m，中間跨長度5 m（橫隔梁間距），建立橋面板計算模型如圖7所示。

5.2 承載能力極限狀態安全驗算

承載能力極限狀態下，橋面板在基本組合作用下的內力包絡圖如圖8所示。橋面板抗彎承載力驗算情況見表8，各截面抗彎承載力均滿足要求。

5.3 正常使用極限狀態安全驗算

正常使用極限狀態下，橋面板在短期組合作用下彎矩如圖9所示。橋面板抗裂驗算情況見表9，各截面裂縫寬度均滿足要求。

6 結論

通過建立順橋向單位長度平面框架分析計算模型，對壓型鋼板組合梁和普通鋼-砼組合梁在其自重作用下工字鋼底部反力和應力、工字鋼腹板應力、橋面板的變形以及承載能力的分析，得出以下結論：

（1）鋼-砼組合梁中采用壓型鋼板，其承載能力和裂縫寬度均滿足規范要求，表明該設計合理。

（2）采用壓型鋼板可有效降低工字鋼底部反力和應力，最高分別達到4.9%、11.3%，腹板應力最大降低了6.6%，橋面板變形減小了3.97%。

（3）在鋼-砼組合梁中采用壓型鋼板極大地降低混凝土自重應引起的應力和變形，增強了承載能力。

參考文獻：

[1] 劉濤. 壓型鋼板與混凝土組合結構在城市人行天橋上的應用[J]. 城市道橋與防洪，2006（3）：114-115+140.

[2]" 李杰，張云龍，叢曉輝，等. 鋼-混凝土組合梁的研究現狀與展望[J].吉林建筑大學學報，2016，33（6）：19-24.

[3]" 姜紅. 工字鋼-混凝土組合梁在危橋改造中的應用[J]. 工程建設與設計，2021（16）：134-136+148.

[4]" 樊建興. 高強鋼-混凝土組合梁橋抗彎承載力研究[D]. 西安：長安大學，2006.

[5]" 吳興邦. 鋼-混凝土連續組合梁橋負彎矩區極限抗彎承載力研究[D]. 西安：長安大學，2009.

收稿日期：2023-06-28

作者簡介：王偉坤（1991-），男，碩士，工程師，主要從事橋梁設計研究。