钢梁高度对双工字钢板组合梁的力学性能影响分析

李彦伟

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

引言

工字钢板组合梁是近些年兴起的常用组合梁形式，随着工业化建造技术的推广，少主梁及简化加劲肋的形式能降低造价，是未来组合桥梁的发展趋势［1-2］。

近些年针对钢-混凝土组合梁已开展研究，也成功实践于实际工程项目中［3］，双工字钢板组合梁由于主梁数量少、间距大，其断面设计参数及构件空间布置能直接影响桥面的受力及结构的承载能力、局部稳定等性能［4-5］，但目前我国的双工字钢板组合梁运用尚处于起步阶段，因此，开展双主梁钢板组合梁桥的设计相关问题研究十分必要。

通过对多种高度下的30 m 跨径简支双工字钢组合梁，利用ANSYS 软件建立有限元分析模型，研究其力学性能，得出该跨径下具有最佳力学性能的组合梁高。

1 研究模型

1.1 研究对象

此研究的对象为30 m 简支双工字钢板组合梁，混凝土采用C30，钢板采用Q235，桥宽为8 m，主梁间距为5 m，两侧悬臂各为1.5 m，采用7 片非支承横梁，横梁间距为5 m，布置在腹板中心位置上，截面见图1，截面相关参数见表1。

图1 双工字钢板组合梁横截面/mm

表1 截面参数

拟研究的钢梁高度为1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm，并对其进行编号，分别为L1、L2、L3、L4 及L5。

1.2 有限元建模

1.2.1 单元选择

有限元模型的尺寸见表1、图1，混凝土为C30，抗压强度设计值为14.3 MPa，峰值压应变为0.002，极限压应变为0.003 3，混凝土板用Solid65单元，Solid65 单元为3D 加筋混凝土实体单元，用于模拟无筋或加筋的3D 实体单元，具有受拉开裂（拉裂）和受压破坏（压碎）性能。钢梁为Q235，强度设计值为190 MPa，钢梁采用shell181 单元，Shell181 为4 节点有限应变壳单元，适用于模拟薄壳至中等厚度壳单元。

1.2.2 本构关系

混凝土材料模型采用hognestad 规定的混凝土单轴应力应变关系，见图2。此关系也是研究混凝土时采用较多的本构模型，利用五参数破坏准则定义混凝土材料的基本参数。钢梁应力应变关系采用理想弹塑性模型，采用双线性等向强化模型，弹性模量为2.06e5MPa，见图3。

图2 混凝土单轴受压应力-应变关系

图3 钢梁理想弹塑性模型

1.2.3 约束及加载

此模拟中不考虑混凝土与钢梁之间的滑移，采用节点耦合的方式对模型进行处理，模型中不考虑混凝土板内钢筋以及剪力连接件，网格尺寸为 200 mm，约束方式采用简支梁的约束形式，有限元模型见图4，模型中施加的荷载为自重、二期、公路Ⅰ级车道荷载。

图4 有限元模型

钢板容重为7.85×10-6kg/mm3，混凝土容重为2.5×10-6kg/mm3，重力加速度定为9.8 N/kg。

二期荷载为考虑5 cm 沥青铺装层，沥青容重采用25 kN/m3，故而施加的面荷载数值为 1.25e-3N/mm2。

车道荷载以偏载的方式进行施加，车道荷载施加到ANSYS 的方式为施加车道面荷载及集中荷载的形式，均布线荷载转化为均布面荷载p=5.833×e-3N/mm2。

2 结果分析

模拟的结果分别在基本组合与标准组合查看。基本组合：1.2 自重+1.2 二期+1.4 车道荷载；标准组合：1 自重+1 二期+1 车道荷载基本组合用于结构跨中的纵向应力结果查看，标准组合用于结构的跨中挠度查看。

2.1 应力分析

L1～L5 纵向应力在基本组合下的应力云图见图5。由图5 可以看出，在荷载的基本组合下，L1～L5 应力最大位置均为跨中底部钢梁，此位置为结构受力最危险区域，符合简支梁的受力特征，L1 的钢梁底部纵向应力值达到了166.97 MPa，比较接近材料的设计强度。应力最小位置为钢梁上翼缘受压区域，受压应力为30 MPa 左右，混凝土板受力均较小，值约为10 MPa 左右，结构各个位置处的受力较为均匀，不存在较大的应力突变，整体受力形式较好。

图5 基本组合下应力云图

表3 为结构在基本组合下的钢梁应力与混凝土应力。

表3 钢梁应力值/MPa

由表3 可以看出，钢梁高度变化后，混凝土顶底板应力变化不大，但是混凝土顶部所受压应力仍旧随着梁高的增加有略微的降低，由9.5 MPa 降低到7.12 MPa。钢梁顶部的应力变化也不显著，在28 MPa 附近波动，而钢梁底部的应力变化显著，基本组合下钢梁底、钢梁顶应力见图6。

图6 基本组合下钢梁应力变化

由图6 可以看出，随着钢梁高度的增加，基本组合下钢梁底部的应力变化较大，降低幅度较为均匀，由161.97 MPa 降低到102.36 MPa，整体降低约30%，保证了结构有足够的强度储备。

2.2 挠度分析

结构在标准组合下跨中挠度见图7。由图7 可以看出，随着钢梁高度的增大，结构在标准组合下的挠度减幅较快，故而增加梁高能较大程度地提高结构刚度，降低结构变形。结构腹板高度由1 200 mm 增大到1 400 mm，挠度的减幅约20%，但结构由1 800 mm 增大到2 000 mm，挠度的减幅仅为15%左右，在图像中表现为图线后半段斜率略微减小，显示出钢梁高度增长到越高之后，结构挠度减小的趋势会变缓，主要是由于结构变高之后会引发自重增大，结构刚度的提高可以抵消自重增大的负面影响，但自重仍旧会造成较小的影响。

图7 标准组合下挠度变化

30 m 跨径简支梁的允许挠度为60 mm，可见L1～L5 均满足挠度要求，但是此模拟中仅考虑了三种荷载形式，实际情况桥梁承受的荷载更为复杂，因此L1 不足以满足实际的挠度需求。

2.3 分析结果

（1）对于30 m 跨径，其挠度限值为60 mm，Q235 的设计应力值为190 MPa，提高钢梁高度后，挠度与钢梁应力有较大程度地降低。（2）考虑到经济性以及净空要求，结构又不宜太高，结合结构的力学性能与经济性以及模拟中所施加荷载的不全面性，30 m 简支钢板组合梁选择L3 为佳，即是钢梁腹板高度为1 600 mm，此时的钢梁底部应力为126.78 MPa，钢梁底部应力为-29.26 MPa，跨中最大挠度为35.3 mm，强度与刚度均有较大的储备，满足设计要求。

3 结语

（1）通过对30 m 简支双工字钢板组合梁的不同梁高进行有限元分析，梁高增加后提高了结构刚度，较大幅度地降低结构在荷载作用下的挠度。（2）增加工字钢梁高后略微降低混凝土压应力，较大程度地降低钢板受拉应力，但对钢梁受压应力影响不显著。（3）在考虑受力结构受力性能以及经济性的前提下，30 m 简支钢板组合梁选择钢梁高度为 1 600 mm 为宜。