混合连续梁桥受力对比分析

邹得金　刘文会

(吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春　130118)



混合连续梁桥受力对比分析

邹得金刘文会

(吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春130118)

摘要：混合连续梁桥通常是指在桥跨度方向上选择合理的位置用钢箱梁或组合梁取代预应力混凝土梁的一种结构形式.本文以某三跨预应力连续梁桥为背景,对原桥主跨150m混凝土梁中间50m段改为钢-混凝土组合梁结构,形成混合连续梁桥,运用有限元软件MIDAS CIVIL分别建立原桥和新结构的有限元模型,并对两个模型进行施工阶段分析和静力分析.通过对两种桥型的受力分析和对比,表明混合连续梁桥具有明显优势,可较好地运用到大跨径连续梁中.

关键词：混合梁；组合梁；有限元；对比

0引言

目前，在桥梁工程领域中,钢和混凝土是建造桥梁的主要结构材料,这两种材料在物理和力学性能上具有各自的优点和缺点,如果仅仅采用其中一种材料建造桥梁,其结构性能往往受到材料性能的制约而有所不足[1].为了充分利用钢结构和混凝土结构的优势,由此产生了组合结构和混合结构.组合结构是指结构构件截面由钢和混凝土异种材料组成并用剪力键接合成整体结构而共同工作的结构体系[2],其典型代表就是钢—混凝土组合梁.混合结构是指钢、混凝土等不同材料的构件用接头连接成整体的结构体系.

混合连续梁桥是一种混合结构体系,通常是指在桥的跨度方向上选取合理的位置用钢箱梁取代混凝土梁并用接头连接成整体的结构体系.目前,这种结构形式在实际工程中已得到了应用,如新川桥[3]、重庆石板坡长江大桥复线桥[4]等.但是这种结构钢箱梁部分中的正交异性钢桥面[5]中存在两种典型的病害问题:一是钢桥面结构易疲劳开裂[6]；二是钢桥面沥青混凝土铺装层易破损[7].这两种病害已造成了巨大的经济损失,同时也给桥梁的安全性埋下隐患.迄今为止,正交异性钢桥面的构造细节在世界各国经历了多次改进,疲劳裂缝的发生得到有效地控制[8].但正交异性钢桥面中构造细节繁多且相互影响,而改进措施往往局限于个别构造细节,难以兼顾.

基于上述问题,本文提出了一种新型混合连续梁桥结构,即在原来的钢梁部分用钢-混凝土组合梁代替,并与原桥结构进行对比分析.

1对比设计

1.1　工程背景

笔者以某三跨预应力混凝土连续梁桥为工程背景,并作为研究对象.该桥跨径布置为85m+150m+85m,采用单箱单室断面,箱梁顶板宽14.5m,底板宽7.5m,箱梁顶面设1.5%单向横坡.箱梁根部高为8.5m;跨中及边跨直线段梁高均为3.5m,顶板厚为28cm,箱梁底板根部厚110cm,跨中为28cm,腹板厚度在4m范围内由45cm线性变化至60cm.桥墩顶部范围内顶板厚63cm,底板厚170.5cm,腹板厚90cm.箱梁除墩顶0号块和边跨支架现浇段外,其余块段采用挂篮悬臂浇筑法施工,每个T构纵向划分为18个对称梁段,即4×3m+5×3.5m+4×4m+5×4.5m进行对称悬臂浇筑.墩顶0号块为12m,边跨现浇段为9m,中跨合拢段和边跨合拢段均为2m.其立面布置图如图1所示,截面尺寸如图2所示.

图1 三跨连续梁桥立面布置图(单位:cm)

图2 截面尺寸图(单位:cm)

1.2　新型混合连续梁桥对比设计

新型混合连续梁桥的设计方案是在原三跨预应力混凝土连续梁桥的基础上,在中跨跨中50m段改为钢-混凝土组合梁,其立面布置图如图3所示.

图3 混合连续梁桥的立面布置图(单位:cm)

混合梁桥的施工方法同原桥,只是悬臂浇筑长度变小,增加钢梁整体吊装和形成组合梁的混凝土施工阶段.组合梁截面为变截面钢-混凝土组合箱梁,在外观和梁高变化上与混凝土梁保持一致,钢箱梁采用山字形开口截面形式,上翼缘厚度为25mm,腹板和底板厚度为20mm,其截面尺寸如图4所示.钢箱梁内沿桥纵向每6m设置一道横隔板,板厚18mm,为了满足钢箱梁腹板的局部稳定,其余段每2m设置横向加劲肋,肋厚8mm.混凝土桥面板采用预制混凝土桥面板.钢箱梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接在一起共同工作,抗剪连接件采用直径22mm圆柱头栓钉.混凝土梁和组合梁的接头采用填充混凝土有格式后承压板[9]构造形式(见图5).预应力钢束变动情况为原顶板预应力束缩短改为锚固在接头的承压板上,去掉原中跨顶底板合拢束,将原边跨负弯矩束减小正弯矩束增加,接头附近增加预应力短束.

图4 钢-混凝土组合梁截面尺寸图(单位:mm)

图5 混合连续梁桥接头立面布置图(单位:cm)

2有限元模型

2.1　建立模型

采用Midas Civil软件建立预应力混凝土梁和混合连续梁全桥模型,如图6、图7所示.预应力混凝土梁模型包含111个节点,96个单元.主梁采用梁单元来模拟,桥墩和支座都采用边界条件来模拟.模型分为24个施工阶段,混凝土湿重和挂篮荷载用节点荷载模拟,边跨支架现浇段用弹性连接只受压类型模拟,通过结构组的激活、边界组和荷载组的激活及钝化来模拟全桥悬臂浇筑过程和体系转换.荷载工况包括自重、二期、预应力、混凝土湿重、挂篮、温度作用、支座沉降、移动荷载、收缩和徐变.

混合连续梁桥模型包含129个节点,98个单元.模型中的钢-混凝土组合梁采用从SPC导入联合截面组合-一般类型的截面,并用施工阶段联合截面模拟施工过程.模型分为21个施工阶段,与预应力混凝土梁的施工阶段相比,增加了接头吊装灌注混凝土张拉钢束的阶段,吊装钢梁的阶段,以及浇筑组合梁桥面板的阶段.荷载工况与预应力混凝土梁相同.

图6 预应力混凝土梁有限元模型

图7 新型混合连续梁有限元模型

2.2　有限元计算结果

预应力混凝土梁模型施工阶段分析和静力计算均满足规范要求.新型混合连续梁桥模型的施工阶段与之相比不同之处为钢箱梁吊装和浇筑混凝土桥面板.钢-混凝土组合梁段,钢箱梁在施工阶段最大拉应力为152.83MPa,最大压应力为82.30MPa,均小于钢材的容许应力210MPa.成桥后,钢箱梁的最大拉应力为132.61MPa,最大压应力162.69MPa,均小于钢材的容许应力210MPa;混凝土桥面板最大拉应力为2.02MPa,小于混凝土的抗拉强度标准值2.74MPa,最大压应力为6.10MPa,小于混凝土抗压强度标准值35.5MPa,故满足规范要求.混凝土梁和组合梁结合接头段还需要进行局部分析.

3结果对比分析

3.1　内力对比

提取原桥和新结构在恒载、承载能力极限状态和正常使用极限状态主梁的轴力、剪力和弯矩的数值,汇总结果见表1.

表1 两种桥梁内力对比

由表1可见,新结构的最大剪力减小了5.8%,最大轴力减小了6.3%,新结构的中跨跨中最大弯矩减小68.6%,减小幅度巨大,墩顶最大负弯矩减小6.0%,边跨最大正弯矩增大了17.6%,这样的弯矩变化使结构受力更加合理.

3.2　支座反力对比

桥梁支座的选取主要取决于在恒载和恒载+活载作用下竖向支座反力.表2为原桥和新结构竖向支座反力对比.

表2 竖向支座反力对比　kN

由表2可知,边支座的竖向支座反力增大的幅度大,中支座的竖向支座反力减小的幅度小,但由于采用了组合梁,总的支座反力还是减少的.

3.3　应力对比

应力为轴力产生的应力和两个方向弯矩产生应力的叠加.原桥的混凝土在温度梯度作用下产生的最大组合应力为4.92MPa,新结构为4.25MPa,减小了13.6%;在恒载作用下产生的最大组合应力为11.33MPa,新结构为9.83MPa,减小了13.2%;在汽车活载作用下产生的最大组合应力为3.82MPa,新结构为3.0MPa,减小了21.5%;在支座沉降作用下产生的最大组合应力为0.71MPa,新结构为0.55MPa,减小了22.5%.由此可知,新结构混凝土的应力比原桥小,新结构与之相比更加安全可靠.

4施工方法

混合连续梁桥施工方法前期同普通悬臂浇筑方法相同,施工主墩,支架浇筑0号块,安放主墩支座,主墩和0号块临时固结,以此对称悬臂浇筑各个块段,悬浇完最后一个块段之前施工边墩,支架现浇边跨进行边跨合拢,此过程先不拆除边跨的支架.然后进行钢-混凝土组合梁段的施工,吊装接头,将接头PBL[10]板孔内的贯通钢筋和绑扎混凝土箱梁的结构钢筋焊接在一起,灌注其中混凝土,待混凝土达到强度后张拉预应力束锚固在接头的承压板上,接头上方混凝土桥面板只浇筑一半,使接头和混凝土梁形成整体;然后进行钢箱梁的吊装,吊装就位后采用焊接加螺栓的方式使钢箱梁和接头形成一个整体,将预制好的混凝土桥面板逐段湿接,形成整体后拆除边跨的支架和主墩临时固结;最后浇筑桥面铺装及护栏等并成桥.

5新结构的优点和缺点

与传统的预应力混凝土连续梁桥相比,这种中跨跨中为钢-混凝土组合梁的新型混合连续梁桥具有以下优点:

(1) 中跨跨中减轻自重,有效改善结构受力性能及减小地震作用下的结构响应,提高桥梁的抗震性能;

(2) 在施工方面,新结构悬臂浇筑段减少5段,钢-混凝土组梁段采用钢箱梁整体吊装预制混凝土桥面板,从而缩短了工期,降低了施工成本;

(3) 钢-混凝土组合梁段采用预制混凝土桥面板,一方面代替昂贵的正交异性刚桥面板,避免桥面板的疲劳和铺装易破损的问题；另一方面降低了混凝土收缩徐变引起的附加应力;

(4) 新结构去掉了原桥中跨的底板合拢束和顶板合拢束,一方面减少预应力钢束的用量；另一方面避免了预应力引起的次内力;

(5) 新结构中支座总的竖向支座反力减小了13.9%,可以降低支座的选用规格,在成桥后也有利于支座的更换和维修;

(6) 有效地解决了桥体开裂和跨中挠度过大的问题;

(7) 充分发挥了材料的潜能,提高了材料的利用效率.跨中段充分利用钢梁的受拉和混凝土的受压.

虽然新结构具有以上诸多优点,但也有不足之处,一是边跨支架现浇段增加了26m,增加了支架和模板的使用,也对施工场地有了一定的限制;二是增加了钢-混凝土组合梁段,对钢箱梁的制作与施工有了一定的要求,钢材的造价也将是考虑的问题.

6结语

通过对新结构的有限元全桥施工阶段分析和成桥静力分析表明,与原设计预应力混凝土桥梁相比，新结构在总体上具有较大优越性,可以在连续梁桥中广泛采用.新结构的动力分析还有待研究,新结构钢-混凝土组合梁段的最为合理长度还有待进一步分析.

参考文献

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Comparative Stress Analysis of Hybrid Continuous Beam Bridge

ZOU De-jin，LIU Wen-hui

(SchoolofTransportationScienceandEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：Hybrid continuous beam bridge is a structure form which usually uses steel box girder or composite beam instead of prestressed concrete beams in the reasonable position of bridge span. The paper takes the three span prestressed concrete continuous beam bridge as the background, changing the original bridge intermediate 50m main span of 150m concrete beam to steel concrete composite beam structure, which form hybrid continuous beam bridge. Using finite element software MIDAS CIVIL respectively established finite element model of the original bridge and the new structure, and analyzed the construction stage analysis and static of the two models. Through the analysis and comparison of the two bridges,it show that hybrid continuous beam bridge has obvious advantages, which could be used to the big span continuous beam.

Keywords:hybrid girder；composite beam；finite element method；comparison

中图分类号：U 448.21

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)02-0012-05

作者简介：邹得金(1989～),男,黑龙江省伊春市人,在读硕士研究生.

收稿日期：2014-09-29.