钢—混凝土组合梁桥桥面板活载受力分析

成 权

(大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116011)

钢—混凝土组合梁桥桥面板活载受力分析

成 权

(大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116011)

依据国内外相关规范，采用有限元的方法计算了钢—混凝土组合梁桥桥面板活载的受力特性，并通过对计算结果的分析比较，得出了一些有意义的结论，为钢—混凝土组合梁桥桥面板的设计提供了参考借鉴。

钢—混凝土组合梁，桥面板，活载，有限元

0 引言

钢—混凝土组合梁桥作为一种桥梁结构形式，被广泛的应用在城市桥梁中。主梁为钢结构，桥面板为混凝土结构。主梁与混凝土桥面板之间靠剪力键连接，能够使桥面板与主梁共同参与受力。组合梁桥结构增大了截面的刚度，减少了主梁的用钢量。桥面板通过剪力键作用在主梁上，其边界条件不是固接，而是弹性支撑的连续板。要精确分析混凝土桥面板的活载受力特性比较复杂。

本文通过有限元的分析，以及采用国内外的规范，对混凝土桥面板的活载受力分析结果进行对比，为钢—混凝土桥面板设计计算提供参考依据。

1 国内外的桥面板活载的设计计算方法

目前，钢筋混凝土桥面板的计算方法有两种：

一种是假设桥面板为刚性支承于主梁上，同时利用“荷载有效分布宽度的概念”把桥面板进一步简化为梁计算，然后考虑主梁的约束作用对计算结果进行修正的方法；JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中板的计算就是采用的这种方法。

另一种是采用经验公式的设计方法，美国的AASHTO和日本的《道路桥示方书》就提供了经验公式。本文将讨论依据上述国内、国外规范来计算桥面板活载的弯矩设计值。

1)JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中桥面板的活载设计方法。以大连某实际工程为例，如图1所示。

主纵梁为钢箱梁，横梁为工字型钢梁(横梁间距为3 m)，桥面板为混凝土桥面板，长边长度与短边长度之比=14.1 m/3 m=4.7>2,桥面板按单向板计算。

板计算跨径L=3 m,桥面铺装厚h=0.09 m,桥面板厚t=0.25 m。

桥面板的有效工作宽度计算：

平行于板的跨径方向的荷载分布宽度:

b=b1+2h。

垂直于板的跨径方向的荷载分布宽度:

其中，l为板的计算跨径；h为铺装层厚度；t为板的厚度；d为多个车轮时外轮之间的中距；a1，b1分别为垂直于板跨和平行于板跨方向的车轮着地尺寸。

将上述数据代入计算得:有效工作宽度a=3.3 m，b=0.38 m。

汽车荷载在1 m宽的简支板条中产生的跨中弯矩：

其中，P为重车后轴的轴重力，140 kN。

汽车荷载弯矩：

汽车活载按影响线加载得(如图2所示)：

M=(1+0.066 7)×M1=31.79 kN·m。

笔者又按照同样的计算方法，将横梁间距分别按3 m，4 m，5 m计算得桥面板活载弯矩值如表1所示。

表1 《公预规》计算得桥面板活载 kN·m

2)日本《道路桥示方书》中的桥面板活载设计计算方法。日本《道路桥示方书》推荐的设计计算方法，是根据不同跨径的各向同性简支或者悬臂单向板在车辆荷载作用下的理论分析结果，并且考虑10%～20%的富余量而得到的经验公式。根据理论分析结果和近似的经验修正，得到了如表2所示的经验公式。

笔者将跨径3 m，4 m，5 m代入上述经验公式计算得桥面板活载弯矩值，如表3所示。

表2 《道路桥示方书》活载经验公式

表3 《道路桥示方书》计算得桥面板活载 kN·m

3)美国AASHTO中有关钢筋混凝土桥面板的活载设计计算方法。简支板和连续板的单位板宽活载设计弯矩M(不计冲击力)按以下方法计算：

对于简支板:

其中，L为计算跨径，m；P为轮重，kN。

对于连续板：正负弯矩均为简支板的80%。

笔者将跨径3 m，4 m，5 m代入上述公式计算得桥面板活载弯矩值如表4所示。

表4 AASHTO计算得桥面板活载 kN·m

2 有限元计算桥面板活载计算结果

在第1节中笔者用数值分析的方法，分别采用国内外的规范计算了桥面板的活载弯矩值，本节将采用有限元的方法来计算钢—混凝土组合梁桥的桥面板的活载受力情况。采用的软件是midas V8.0.5版本。

模型概况：桥面板采用的是板单元，主纵梁与横梁采用的是梁单元(见图3)。为了模拟剪力键的边界条件(见图4)，将横梁与桥面板之间采用了弹性连接(见图5)。

移动荷载的计算结果如图6所示，跨中最大弯矩为31.68 kN·m。

笔者将横梁的间距按3 m，4 m，5 m建模计算得到的桥面板活载弯矩值见表5。为方便比较有限元与数值分析的计算结果，将所有计算结果整理到表5中。

表5 桥面板活载计算值 kN·m

3 结论与建议

本文通过数值分析与有限元的计算分析可知(见表5):

1)从有限元的分析结果看，虽然本例中的桥面板是连续板，但是桥面板的跨中活载弯矩设计值更接近简支板的活载弯矩设计值。

2)对比国内国外的规范计算桥面板活载弯矩设计值的大小，可以看出，活载弯矩设计值最大的是《道路桥示方书》，其次是《AASHTO》，最小的是《公预规》。

3)由于钢—混凝土组合梁桥混凝土桥面板与混凝土桥梁的钢筋混凝土桥面板在受力特性上都存在一定的差异，不能简单套用混凝土桥桥梁桥面板的设计方法。

4)计算钢—混凝土组合梁桥桥面板活载弯矩设计值时，如采用《公预规》规范来计算活载弯矩设计值时，建议将桥面板按简支板来考虑，不考虑连续板的弯矩折减。

[1] 范立础.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2] 吴 冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社,2008.

[3] JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[4] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[5] 孟海滨.公路桥梁施工中预应力技术的应用[J].山西建筑，2013，39(22)：158-160.

Theforceanalysisofsteel-concretecompositebeambridgedeckliveload

CHENGQuan

(DalianMunicipalDesignandResearchInstituteLimitedLiabilityCompany,Dalian116011,China)

According to domestic and foreign related standards, this paper calculated the force characteristics of steel-concrete composite beam bridge deck live load using the finite element method, and through the comparison and analysis on the calculation results, obtained some significant conclusions, provided reference for the design of steel-concrete composite beam bridge deck.

steel-concrete composite beam, bridge deck, live load, finite element

1009-6825(2014)33-0161-02

2014-09-17

成 权(1983- )，男，工程师

U441.2

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