斜弯钢—混组合梁桥桥面板空间受力分析

2021-02-28朱鸿焕

北方交通 2021年2期

朱鸿焕

(浙江工业大学土木工程学院杭州市 310014)

1 概述

随着对城市道路和高速公路的要求越来越高，大量的新建改建道路，特别是高速互通匝道受到原有道路的限制，新道路需要斜向穿越原有路线的同时弯曲改变行进方向满足人们日益增高的对于交通运输的要求[1]，促进了斜弯钢-混组合梁桥的出现。斜弯桥相对于直线桥具有更强的环境适应性，不仅能够应用于城市空间立体交通，还能实现有效跨越山区某些河流以及道路的目的，从空间上有效解决两条或者多条公路交汇的问题[2]。

钢—混凝土组合梁桥与传统混凝土箱梁不同的是，组合梁箱梁部分采用工厂预制钢结构，桥面板部分为钢筋混凝土结构，再通过等剪力件[3]将两者连接成一个共同作用的整体，该组合结构能在横截面内共同受力，可充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压性能好的优点，具有承载力高、抗震动力性能好、箱梁截面尺寸小、重量小等特点，钢—混凝土组合梁桥近年来得到了较为广泛的应用[4]。

但是由于斜弯桥平面线形的曲线性以及支承与下部公路或者河流斜交的影响，斜弯桥的受力远比正直桥复杂，最典型的就是弯-扭耦合特性[5]，受力复杂[6]，这给斜弯桥的结构设计以及施工带来了巨大的挑战。

2 工程背景

本文依托工程为杭州绕城西复线汪家埠枢纽F匝道2号桥，该桥为85m钢—混组合梁桥，钢箱高2.5m，采用Q345d，桥面板厚220mm，采用 C40钢纤维混凝土，钢纤维长度控制在25～50mm。结构长84.88m，跨距中心布置为45m+40m，平面处于缓和曲线内(R=250m)，桥面横坡4%，考虑到钢混组合梁上跨项目主线，高速中分带较窄，中墩采用错孔布置， F匝道2号桥平面图见图1。

3 有限元模拟

3.1 全桥模型

使用Midas Civil有限元软件建立F匝道2号桥全桥模型，如图2所示。全桥237个节点，157个梁单元。其中临时支撑节点84个，永久支撑节点10个，使用施工阶段联合截面建立组合截面，分为8个施工阶段：吊装五段主梁、焊接主梁整体、浇筑正弯矩桥面板、浇筑负弯矩桥面板、拆除临时支撑、强制位移80mm、二期恒载和收缩徐变。顶升落梁施工采用在中间桥墩处施加支座强迫位移的方法进行模拟，顶升高度80mm。

3.2 局部精细模型

在Midas Civil计算获得最不利组合的基础上通过大型通用有限元软件ABAQUS[7]建立了F匝道2号桥负弯矩区局部精细化模型研究斜弯组合梁案例桥负弯矩区桥面板的空间受力不对称性。为减少圣维南原理对局部模型应力分布情况的影响，局部模型总长度在24m左右，两端距离中间负弯矩位置距离在4m以上。

图1 F匝道2号桥平面图(单位：cm)

图2 全桥有限元模型

桥面板与钢箱采用绑定进行约束，设置壳—实体耦合实现壳的边与实体的面运动耦合。

为保证网格质量，在钢板集中及不规则区域网格进行精细化布种划分，在桥面板负弯矩区域适当提高布种密度，局部模型网格划分如图3。

图3 组合梁负弯矩段模型网格划分

4 施工阶段受力分析

4.1 全桥模型受力分析

根据Midas模型计算，施工阶段中拆除临时支撑时桥面板拉应力最大，各阶段应力图如图4所示。

由图4可知，斜弯组合梁桥面板明显呈现出沿桥长方向受力的不对称性，在各个关键施工阶段，拉应力最大处均出现在41m和51m处，这两处分别为组合梁内外侧支座所在位置。此外，桥面板最大拉应力出现在拆除临时支撑阶段受弯内侧，达到了3.55MPa，而外侧的应力值为3.24MPa，略低于内侧。施加强制位移80mm阶段，桥面板拉应力大幅度减小，最大拉应力仅为0.3MPa。在随后的成桥阶段应力有了一定的增加，在二期恒载阶段，内侧最大拉应力为1.21MPa，而外侧最大拉应力为1.57MPa，外侧大于内侧且均出现在两侧支座处。由此可知，在线形弯曲的影响下，负弯矩桥面板外侧拉应力小于内侧拉应力；中间支座施加同样的强制位移由于弯曲线形会造成对内侧影响大于外侧，从而使得外侧桥面板拉应力大于内侧。

4.2 局部精细模型受力分析

根据负弯矩段在整体Midas模型中的受力情况，分别截取桥面板和钢箱梁两端的内力情况，将之以边界条件的形式通过参考点的方法加载在ABAQUS模型桥面板以及钢箱梁的两端，实现准确加载[8]。将联合截面剪力均施加至钢箱梁部分，整体模型中负弯矩段的局部受力，桥面板和钢箱梁的荷载设置如表1。

图5为组合梁桥面板最大主应力在ABAQUS可视化中的云图，即最大主应力图。由图5所示，组合梁桥面板最大主拉应力值为6.33MPa，位于内侧支座附近。由于斜支承影响，两侧拉应力较大区域均位于支座内侧附近，且呈斜向分布，与支座方向保持一致，弯桥效应影响受拉区域相对外侧较大。最大拉应力不在支座对应位置，弯桥效应使其向内侧偏移1.3m左右。