钢混组合板梁与装配式T梁桥墩抗震性能对比研究

贺 炜

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

钢混组合结构是20世纪发展起来的一种新型结构型式，众所周知，混凝土具有很强的抗压性能和较高的刚度，但其抗拉性能却很低；而钢材力学性能突出，强度高且耐久性好，但因一般均为薄壁结构，其稳定性较差。钢混组合结构充分发挥了两种材料各自的力学优势，使钢材受拉、混凝土受压，组合后共同承担荷载，大大提高了材料的使用性能。大量的工程实例表明，组合结构不仅具有良好的受力性能，而且继承了钢结构和混凝土结构各自在施工性能、耐久性、经济性等方面的优点，因此可以说在综合效益上具有强大的竞争力[1]。

1 概况

本文选取了某高速公路上常见的路基宽度26 m的双向六车道桥梁作为研究对象，桥跨布置为4×40 m。上部结构：钢混组合板梁由4片工字型钢主梁组成，每个钢主梁由3块钢板焊接而成，梁高2 050 mm，桥面板厚250 mm；预应力装配式T梁由6片混凝土T梁组成，梁高为2 500 mm。上部结构断面如图1、图2所示。下部结构：桥墩采用等截面矩形空心薄壁墩，截面见图3所示，纵桥向宽度B根据墩高不同选择；基础：整体式矩形承台接群桩基础。

图1 钢混组合板梁桥断面（单位：mm）

图2 装配式预应力混凝土T梁梁面

图3 桥墩典型断面(单位：cm)

2 模型建立

本文针对钢混组合板梁桥抗震性能展开讨论，通过有限元程序Midas对研究对象桥梁建立空间分析模型，钢混组合板梁采用梁格模型，预应力装配式T梁采用单梁模型。抗震分析以4×40 m一联桥为研究对象，并建立包含该联前、后各联桥梁，以考虑临联结构及边界的影响[2]。

装配式T梁上部主梁采用C50混凝土，组合钢板梁主梁采用Q345，桥面板采用C50混凝土；下部桥墩、盖梁均采用C40混凝土；承台、桩基采用C30混凝土。桩土作用按m法确定桩侧土弹簧刚度，土的抗力系数m值在地震工况下一般取2～3倍的静力值，根据地质条件，m值取为20 000 kN/m4，[3]全桥有限元模型如图4所示。

图4 全桥有限元模型

3 抗震分析

为了研究地震效应对钢混组合板梁桥和装配式预应力混凝土T梁桥的影响，选取了3条地震波进行输入，地震作用组合采用：顺桥向地震+恒载和横桥向地震+恒载两种工况。3条地震波时程曲线如图5～图7所示。

图5 波1时程曲线

图6 波2时程曲线

图7 波3时程曲线

3.1 桥墩内力分析

各主墩地震效应见表1～表4。

表1 钢混组合板梁在顺桥向地震+恒载作用下效应

表2 钢混组合板梁在横桥向地震+恒载作用下效应

分析表1、表2发现，各墩竖向轴力基本相当，由于桥墩的横向抗推刚度相对于纵向要大，因此顺桥向地震效应较横桥向地震小许多。

表3 装配式混凝土T梁在顺桥向地震+恒载作用下效应

表4 装配式混凝土T梁在横桥向地震+恒载作用下效应

分析表1～表4发现，由于装配式混凝土T梁较钢混组合板梁自重重许多，钢混组合板梁桥下部地震效应约为装配式混凝土T梁的40%，从而可以减少下部工程规模，降低工程造价。

3.2 桥墩位移分析

在地震波作用下，桥墩墩顶位移量如表5、表6所示。

分析表5、表6可见，钢混组合板梁桥地震作用下墩顶位移量相比混凝土T梁明显减小，纵向降幅17%～41%，平均约30%；横向降幅39%～55%，平均约45%。

表5 地震作用下墩顶纵向变形

表6 地震作用下墩顶横向变形

4 经济指标

通过对装配式预应力混凝土T梁及钢混组合板梁，从施工及上部材料用量上进行对比。

表7 上部结构材料及施工对比表

通过分析比较可以得出，组合钢板梁钢材用量大，但混凝土、钢筋的用量远小于T型梁，每平米用量分别为T梁的50%、38%。并且全寿命周期成本优势较混凝土明显，在现代桥梁建设的需求下，钢混组合板梁由于受力性能好、工期短、施工便利，在40 m跨径下是一个很好的结构形式。

5 结语

本文通过抗震分析和经济指标两个方面对钢混组合板梁与装配式预应力混凝土T梁进行了对比，得出以下结论：

a）地震效应方面 由于钢混组合板梁自重较预制T梁轻很多，桥墩在地震作用下效应明显降低，墩底内力约为装配式T梁的40%，从而降低下部工程规模。

b）从主要材料指标对比 综合比较桥梁的上部结构组成部分，尽管组合钢板梁钢材用量大，但是混凝土、钢筋的用量远小于T型梁，综合单价相比T梁低，且耐久性好，全寿命周期成本低，使得钢混组合板梁在中小跨径中具有较为明显经济优势。