簡支活載鋼板組合梁施工期屈曲穩定措施研究

趙煒 ZHAO Wei；戚瑞琨 QI Rui-kun；崔鑫 CUI Xin

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

鋼混組合結構梁橋（簡稱組合梁橋）是將鋼梁與混凝土橋面板通過抗剪連接件連接成整體并共同受力的橋梁結構形式。[1]組合梁結構充分利用了鋼材和混凝土各自的材料性能，與混凝土結構相比，可以有效減少構件截面尺寸，減輕結構自重，減少地震作用，降低基礎造價，方便施工安裝，縮短建設周期，增加構件和結構的延性；與鋼結構相比，可以減小用鋼量，增加剛度，提高行車舒適性。

組合梁橋根據施工方式、橋面板與鋼梁連接時機不同又分為恒載組合梁和活載組合梁。恒載組合梁的鋼梁和橋面板在承受結構自重時已經結合完畢，通過組合截面共同承受恒載和活載的作用，其特點為施工速度快、用鋼量較活載組合梁小，但吊重較大；而活載組合梁在拆除臨時支架時，橋面板和鋼梁還未結合，此時鋼梁的自重以及橋面板的濕重均由鋼梁承擔，其優點為吊重小、施工靈活，但其缺點也十分明顯，一方面由于鋼梁承擔了大部分恒載，因此其用鋼量相較恒載組合梁要大一些，且由于其施工特點，在橋面板澆筑時鋼結構的穩定性也是一個需要注意的問題之一。

目前國內對于組合梁施工期穩定性也有一些研究成果，例如邢淵等[2]研究了鋼箱-混凝土組合梁橋施工期開口鋼箱的穩定性，吉俊霖[3]研究了組合梁斜拉橋施工期的整體穩定。

1 研究對象和方法

本文選取城市跨路口常用的45m 簡支現澆活載鋼板組合梁作為研究對象，雙向六車道，橋面寬度為25.6m，梁高2.5m；共有8 片工字型鋼梁，腹板間距3.2m，每片工字梁上翼緣寬度為600mm，下翼緣寬度為700mm；跨中設置框架式橫梁，橫梁間距4.5m，共設置9 道跨間橫梁；橋面板標準厚度為240mm，加腋處為300mm，挑臂長度為1.5m。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁標準斷面圖

簡支鋼板組合梁施工期屈曲穩定措施研究的總體思路如圖3 所示，首先通過單梁模型和解析解的計算結果對比驗證計算方法的正確性，驗證完畢后再通過多主梁模型對案例組合梁的施工期穩定進行參數化分析，通過參數化分析結果總結可以提高活載組合梁施工期穩定性的有效措施。

圖3 研究方法

通過實際工程經驗，我們選擇橫向支撐間距、上翼緣的寬度、橋面板施工過程等幾個因素進行分析，根據計算結果總結出活載組合梁施工期的優化措施，保證結構不發生屈曲穩定問題。

2 施工期屈曲分析理論研究

簡支單梁的彎扭彈性穩定臨界彎矩可以通過實體有限元分析和解析公式分別計算，通過查閱相關資料，其中解析解有以下兩個計算公式：

①根據《橋梁結構穩定與振動》（李國豪主編）[4]，均布荷載作用下簡支梁的彎扭彈性穩定臨界彎矩計算公式如下：

dy—荷載作用點在y 軸上的坐標；ay—剪力中心的y軸坐標；n—表示梁的側向支撐數的指數，無跨內側向支點時，n=1；有一個側向支點時，n=2；有2 個側向支點時，n=3等等；Iω—截面的扇性慣性矩；Iy—截面的抗彎慣性矩；Id—截面的抗扭慣性矩；ζy—不對稱截面常數。

C1、C2、C3—系數，對于均布荷載，無側向支撐的簡支梁，C1=1.15，C2=0.459，C3=1.00。

②根據《鋼結構穩定理論與設計（第6 版）》（陳驥編著）[5]，均布荷載作用下簡支梁的彎扭彈性穩定臨界彎矩計算公式如下：

a—荷載作用點至剪心的距離；βy—不對稱截面常數；Iω—截面的扇性慣性矩；Iy—截面的抗彎慣性矩；It—截面的抗扭慣性矩。

通過對比可知，兩個彎扭彈性穩定臨界彎矩計算公式形式類似，對于簡支梁而言，系數也較為接近，下面通過與實體板殼單元模型計算結果進行對比，進一步驗證計算理論的正確性。

分別通過Midas Fea 和Midas Civil 兩款有限元軟件分別建立單梁的板殼單元模型，上翼緣單元加載橋面板濕重模擬組合梁橋面板澆筑時鋼梁的受力狀態，可以得到相應的屈曲失穩模態。

通過圖4 和圖5 可知，一階失穩狀態為上翼緣側向受壓失穩，屈曲穩定系數分別為0.192 和0.172，兩個解析解的系數分別為0.173 和0.198，結果接近。

圖4 一階屈曲模態（Midas Fea）

圖5 一階屈曲模態（Midas Civil）

根據屈曲計算理論，穩定臨界彎矩和荷載的加載位置有關，為了驗證該點，將相同荷載加載到下翼緣并和計算結果進行對比，結果匯總見表1。

表1 單梁屈曲穩定系數計算匯總表

從表1 可以得到如下結論：

①4 種計算方法的計算結果接近，可相互驗證計算方法的合理性；②橋梁屈曲穩定系數與荷載加載位置相關，荷載作用于頂板比作用于底板更不利于結構穩定。

3 施工期屈曲穩定影響因素研究

通過上一節可以證明實體板殼單元用于計算屈曲穩定系數是有效的，接下來通過建立整橋的施工期實體板殼單元模型來進行施工期屈曲穩定的參數化分析，模型見圖6。

圖6 整橋板殼單元模型（Midas Fea）

3.1 橫向支撐的影響

根據前文對于解析解公式的理解，增加橫向支撐的密度對于整體的穩定性有利，現通過有限元對其進行驗證。

將跨間橫梁間距分別設置為9m、4.5m、2.25m 分別計算，分別計算整橋的屈曲失穩模態。

從圖7 和圖8 的計算結果可以得知，當橫梁間距為9m 時，一階失穩模態為主梁側向失穩，屈曲穩定系數為3.78；當橫梁間距加密至4.5m 時，一階失穩模態發生了改變，腹板局部失穩先于鋼梁的整體失穩，穩定系數也增加到5.4；但當橫向支撐進一步加密時，穩定系數增加效果有限。詳細結算結果見表2。

表2 橫向支撐間距的影響

圖7 一階失穩模態（橫梁間距9m）

圖8 一階失穩模態（橫梁間距4.5m）

綜合考慮施工期安全性和造價，橫梁間距4.5m 時無疑是最優選擇；可將部分橫梁替換為上翼緣附近設置的平聯，可以起到類似效果，不僅不影響施工期鋼梁的穩定性，還進一步優化了總的用鋼量。

3.2 鋼梁上翼緣寬度的影響

增加上翼緣的寬度，不僅可以減小施工期上翼緣的應力（應變），還可以提高上翼緣的側向抗彎剛度，對于整體側向失穩有一定幫助，現通過有限元對其進行驗證。

將鋼梁上翼緣寬度分別設置為0.6m、0.8m、1.0m（板厚不變）分別計算，橫梁間距統一為9m，分別計算整橋的屈曲失穩模態。計算過程同上，結果見表3。

表3 鋼梁上翼緣寬度的影響

從表3 結果可以看出，上翼緣加寬對于失穩模態并沒有改變，但穩定系數有一定提升，因此可見加寬上翼緣寬度對于活載組合梁施工期的整體穩定有一定的效果，但是如果成橋狀態下的上翼緣應力不控制，則會增加較多的用鋼量，經濟性不佳。

3.3 橋面板施工過程

目前常規的跨路口簡支現澆組合梁，根據施工過程的不同分為恒載組合梁和活載組合梁，恒載組合梁的臨時支架需要在橋面板達到一定強度時再拆除，活載組合梁則在鋼梁施工完成后就拆除；恒載組合梁雖然由于臨時墩的存在，施工期穩定性不控制設計，但由于其對于路口交通影響較大，適用性上有一定的局限性；而活載組合梁雖然對橋下交通影響性較小，但施工期穩定則是需要考慮的問題。

從之前的失穩模型可以看出，整體失穩模態一般發生于跨中，綜合考慮施工期安全性和對橋下交通的影響，橋面板施工可考慮參考活載連續組合梁采用分段澆筑的方式，可減小施工期鋼梁承臺的橋面板濕重，對于提高穩定性也有一定幫助，現通過有限元對其進行驗證。

將鋼梁上翼緣上加載的濕重分別按照全長加載和僅在跨中加載一半長度，分別計算整橋的屈曲失穩模態。計算過程同上，結果見表4。

從表4 結果可以看出，調整施工方式后，穩定系數顯著提高，增加比例約為23%。因此調整施工過程對于活載組合梁施工期穩定性效果顯著。

4 結論

本文首先通過單梁板殼單元模型和理論解析解的對比，驗證板殼單元計算屈曲穩定的適用性，隨后選取城市跨路口常用的45m 簡支現澆鋼板活載組合梁作為研究對象，研究橫向支撐間距、上翼緣的寬度、橋面板施工步驟等幾個因素對施工期屈曲穩定的影響，得到了統一的設計原則：①單梁板殼單元模型和理論解析解計算出來的穩定系數接近，橋梁屈曲穩定系數與荷載加載位置相關，荷載作用于頂板比作用于底板更不利于結構穩定。②橫向支撐的加密顯著提高整體穩定系數，且改變了失穩模態，橫向支撐的間距需要結合經濟型指標綜合考慮。③上翼緣加寬對于失穩模態并沒有改變，但穩定系數有一定提升，因此可見加寬上翼緣寬度對于活載組合梁施工期的整體穩定有一定的效果，但也需要結合經濟型指標綜合考慮。④調整常規的橋面板施工過程，采用分段澆筑的方式，可以顯著提高施工期穩定性，值得進一步研究。