基于平面模型的钢板组合梁结构安全性分析

吴平平

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 210088）

1 概述

济祁高速合肥段淮河特大桥引桥工程长11 km，上部结构采用新型钢板组合梁桥形式，标准跨分别为30 m和35 m，采用三跨或四跨一联的方式，桥面全宽26.5 m，基于双向4车道的标准设计，并采用分幅方式。图1是35 m钢板组合梁桥的立面布置图，包含了钢梁、钢梁加劲板、横梁、混凝土桥面板等构件。

钢板梁桥主梁断面采用直腹式双工字钢板组合梁，梁桥最长跨为35 m，双主梁间距7.225 m，中心线处的梁高均为1.75 m。混凝土桥面板和钢主梁通过栓钉连接，双主梁之间采用中横梁加强横向联系，中横梁的标准间距5 m，桥梁的跨中标准断面和横梁处断面如图2所示。

组合钢板梁桥桥面板由预制板和纵横向湿接缝构成，钢板梁桥采用满堂支架吊装到位后，吊装预制桥面板并浇筑湿接缝混凝土完成共同受力，考虑到钢板组合连续梁桥的受力特点，正弯矩区域采用C40混凝土，负弯矩区域采用PVA纤维混凝土桥面板。

2 有限元模型

杆系模型对于结构整体受力性能的描述具有简便直接的优点，根据钢板组合梁桥的结构形式，采用杆系有限元模型分析方法，计算钢板组合梁桥在施工及使用阶段各种不利荷载作用下的结构安全性。采用桥梁博士3.0软件建立结构全桥模型如图3，共256个单元，257个节点。

通过将混凝土桥面板作为附加截面与工字钢主梁作为组合截面，形成钢板组合梁桥，考虑钢板组合梁桥钢梁吊装、安装、桥面板吊装、成桥等施工全过程，根据使用阶段结构面临的各种荷载组合作用，分析施工阶段结构受力的安全性和使用阶段结构的使用性能、承载性能，在对结构进行全面验算的前提下研究结构的受力特征。

3 施工全过程结构安全分析

3.1 施工过程结构安全分析

钢梁吊装完成之后，吊装预制混凝土桥面板，然后浇筑湿接缝混凝土，完成二期铺装，在此过程中，分以下6个阶段考虑：

（1）钢梁架设到位；

（2）吊装预制混凝土桥面板；

（3）浇筑湿接缝；

（4）浇筑的湿接缝与桥面板连成整体，通过剪力件与钢梁共同受力；

（5）施加二期铺装，完成成桥；

（6）完成结构的收缩徐变，设定时间为成桥10 a。

对于上述6个典型施工阶段，分析每个施工阶段特定位置的桥面板和钢梁受力状况、整体结构的位移，结果如表1。

通过表1的纵向施工阶段与横向构件受力可知：

（1）钢梁自身重力作用下，钢梁的应力水平很低，普遍低于30 MPa，位移也仅仅有8 mm，吊装完预制桥面板和浇筑完湿接缝后，钢梁的应力水平也普遍低于115 MPa，说明钢梁本身应力水平很低，作为支架施工混凝土能够满足要求。

（2）钢梁在整个桥面板吊装过程中，应力水平最大为156 MPa，出现在成桥后徐变收缩10 a，边跨支座处下缘。应力水平远低于钢梁工作应力，结构安全可靠，且钢梁应力水平较为均匀。

图1 钢板组合梁桥的立面布置图（单位：cm）

图2 钢板组合梁桥的横断面布置图（单位：cm）

图3 钢板组合梁桥杆系模型

表1 桥面板安装过程钢主梁和混凝土桥面板应力状态

（3）阶段4桥面板开始参与受力，此时桥面板主要承担自身重力荷载作用，应力水平很低，拉压应力均在1 MPa以内；当二期铺装完成后，桥面板真正与钢梁参与受力，应力水平增加，且应力的分布趋势逐渐和钢梁的受力保持一致；到了成桥阶段，最大拉应力达到2.14 MPa（边跨支座处），考虑到拉应力区域使用了C40纤维混凝土（抗拉强度比同等级混凝土一般提高40%～80%，抗拉强度设计值约为2.31～2.97 MPa）,因此可以认为混凝土板的拉应力性能储备足够，安全性有保障。

（4）整体结构的位移在成桥时为56 mm，成桥后十年达到了63 mm，增加了7 mm，因此需要根据钢梁的受力变形和长期变形性能，设置预拱度。

3.2 局部桥面板吊装安全分析

在组合钢板梁桥的施工过程中，桥面板是分块吊装的。由于桥面板的中心不通过工字钢梁截面的剪力中心，所以除了竖向力外，工字钢梁还会承受一定的扭矩。此时钢梁不仅会发生弯曲，而且还会绕剪心发生扭转。由于钢梁的两侧和中间分别受到支座和横梁不同程度的约束，因此实际上产生的是约束扭转，如图4所示。

图4 工字梁的翘曲扭转

在约束扭转的情况下，构件截面纵向位移（翘曲位移）受到约束，工字钢梁的翼缘板会产生相应的翘曲应力σw，其分布如图5所示。翘曲应力会与由弯曲作用产生的正应力相互耦合叠加，因此工字钢梁部分区域的实际应力会大于仅按照弯曲效应计算的应力大小。为了保证施工过程中的安全，有必要对这一特殊的工况加以考虑和分析[1-3]。

图5 工字梁翘曲应力分布

工字梁的翘曲应力的大小与梁的具体约束方式和所受的扭矩大小有关，考虑到钢板梁的实际构造情况，忽略小横梁对双主梁抗扭的作用，同时将支座位置处的大横梁看作钢主梁的完全抗扭连接，即将工字钢梁的无转动约束长度取为一跨35 m，两端视为固接。在施工吊装的过程中，考虑到边板偏载产生的不利效应和边板与中板一起产生的弯扭耦合效应，两个可能的最不利工况如下。

工况1：在全跨长范围内，吊装边板B1～B4。

工况2：在全跨长范围内，吊装边板B1～B4和中板Z1～Z4。

相应的计算结果如表2所示。

表2 钢梁约束扭转的翘曲应力

通过以上结果可知，沿跨长方向仅吊装边板

B1～B4会使工字钢梁产生极大的翘曲应力，甚至超出了Q345D钢材的屈服应力，说明不能采取此种吊装顺序进行施工；在桥面板全部吊装上钢梁，中纵缝未浇筑之前，工字钢梁上下翼缘受到边板和中板不平衡扭矩产生的翘曲应力约为55 MPa和25 MPa，而此工况下由于弯曲效应产生的应力分别为120 MPa和75 MPa，两者叠加最大约为175 MPa，处在安全的应力水平之内。

由于以上分析基于理想约束条件（即完全忽略小横梁的抗扭作用，且将支点横梁视为抗扭刚性）下的扭转计算，未考虑实际的弯扭耦合及小横梁约束作用，因此计算结果偏于保守，不能完全真实反映结构的应力变形，实际情况需要进一步深入分析。

4 使用阶段结构安全分析

使用阶段结构经历的主要荷载是车辆荷载、支座沉降、整体升降温和梯度温差，这些荷载作用下结构的响应特性及其应力分布，对于结构的安全性能分析具有重要意义。

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）的设计要求，对混凝土桥面板进行结构荷载组合安全性分析；根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025—86）对钢主梁进行荷载组合应力分析。

4.1 持久状况正常使用抗裂计算

关注持久状态的结构性能，主要是针对桥面板的抗裂性分析。图6是短期效应组合作用下桥面板上下缘的拉应力分布，图7是主拉应力分布。可知上下缘均达到很大的拉应力，且分布很均匀。上缘最大拉应力为5.02 MPa，出现在边支座；下缘最大拉应力为3.35 MPa，同样出现在边支座位置。桥面板的主拉应力最大值为5.02 MPa，出现在边支座位置。

图6 短期效应组合作用下桥面板上下缘拉应力分布(单位：MPa)

图7 短期效应组合作用下桥面板主拉应力分布(单位：MPa)

这些表明桥面板支点处受力不利，拉应力水平较高，设计时需要配置足够的抗拉钢筋。

4.2 持久状况正常使用压应力计算

分析标准组合作用下构件的应力如图8和图9所示。由此可知：桥面板上缘包络都是压应力，最大达到5.06 MPa，出现在边支点位置；下缘最大应力包络则全是拉应力，最大拉应力为1.40 MPa。

图8 标准组合作用下桥面板正应力分布

图9 标准组合作用下桥面板主压应力分布

4.3 钢梁应力计算

图10和图11分别是标准组合作用下钢梁应力分布。根据钢结构设计规范，钢梁的应力水平只要不超过钢梁的允许应力（Q345钢材，允许应力为210 MPa）即能满足要求。上述应力分布可知，钢梁的上下缘应力水平均在210 MPa以内，最大发生在边支座下缘，整体钢梁的应力分布较为均匀。

图11 标准组合作用下钢梁下缘应力分布

5 结语

基于杆系模型对钢板组合梁桥结构进行了安全性分析，分别计算了其在施工阶段、使用过程以及荷载组合条件下的结构响应。主要的结论如下。

在结构施工全过程中，钢梁的应力分布较为均匀，最大不超过150 MPa，变形也处在合理的范围之内；混凝土板应力水平也很小，其中支座负弯矩处会出现2.2 MPa左右的拉应力，但在使用纤维混凝土的条件下抗裂安全性有保障；结构的位移在成桥是为56 mm，成桥后十年达到了63 mm，增加了7 mm，因此需要设置预拱度。

荷载组合分析主要进行了持久状况的正常使用抗裂验算和正常使用状况下的压应力验算。可以看到，在持久状况下，桥面板支点处受力不利，拉应力水平较高，设计时需要配置足够的抗拉钢筋。钢梁的应力水平均满足规范要求，结构总体安全是可以保证的。

由于该组合钢板梁桥采用了特殊的结构形式，两根纵梁配合横向联系与混凝土桥面板相组合，因此其受力响应与普通的混凝土板梁、箱梁桥存在着显著区别。杆系模型只能考虑纵向结构的响应，无法分析横向联系带来的影响，因此基于杆系模型的许多分析结果存在着不准确或不清楚的地方，如施工阶段钢主梁扭转效应由于小横梁约束的不确定性使得计算结果偏于保守，汽车偏载条件下对偏载侧主梁的影响可能导致分析结果不准确，等等。要明确这些问题，就需要建立空间的有限元模型加以考虑结构整体的受力响应。

[1]刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2]吴冲，强士中.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社,2006.

[3]樊健生，聂建国.钢-混凝土组合桥梁研究及应用新进展[J].建筑钢结构进展，2006(5):35-39.