腹板结构对钢-混凝土组合梁桥稳定性能的影响研究

陆振盛

【摘要：】文章以某分幅式钢-混凝土组合梁桥为研究背景，通过采用ANSYS有限元软件建立全桥实体数值模型，系统研究了腹板结构设计参数对钢-混凝土组合梁桥稳定性能的影响，得出以下结论：（1）钢-混组合梁桥的弹性稳定系数随着腹板高厚比的增大而逐渐减小，减小腹板的高厚比能提升桥梁的极限承载能力，腹板高厚比取110～120能兼具腹板稳定和防止翼缘板失稳的优点;（2）随着竖向腹板加劲肋厚度的增大，钢-混组合梁桥弹性稳定系数呈小幅度逐渐增大趋势，考虑到实际施工中加劲肋厚度应该与其翼缘板、腹板等构件相互匹配，故建议取值为1.2～1.6 cm;（3）随着腹板加劲肋间距的增大，钢-混组合梁桥的弹性稳定系数逐渐减小，密集布置加劲肋能有效提升桥梁的极限承载能力，而稀疏布置加劲肋会略微削弱桥梁的稳定性能，钢-混组合梁桥采用2.5 m的加劲肋间距即可满足规范设计要求。

【关键词：】钢-混凝土组合梁桥;腹板高厚比;加劲肋厚度;加劲肋间距;稳定性能

U448.21+6A491633

0 引言

由于钢-混凝土组合梁桥具有自重轻、施工方便、经济美观及可工厂预制等特点，在我国的桥梁工程建设中得到了广泛的应用[1-2]。随着我国大力推广桥梁工业化建造技术，组合梁桥由多主梁形式逐渐发展到少主梁及简化加劲肋的形式，如双工字钢-混凝土组合梁桥即为现阶段中小跨径桥梁的热点桥型之一[3-4]。

近年來，国内学者在钢-混组合梁桥方面进行了大量研究，如冀伟等[5]推导了长期荷载作用下钢-混组合梁的挠度计算公式，并通过实测值和有限元值验证了公式的可靠性;长沙理工大学的郭超[6]以两跨连续钢-混凝土组合梁为研究背景，通过采用ANSYS有限元软件建立实桥模型，探讨了连续组合梁的各组成部分对其应力应变的影响，并进行对比分析，同时提出了合理优化的相关建议;邓青儿等[7]以上海杭申线某改建桥梁为例，针对老旧桥梁改建工程中大跨径钢-混凝土组合梁的应用进行了详细研究;朱劲松等[8]以官厅水库特大桥为研究背景，探讨了不同吊装方案情形下钢-混凝土组合梁悬索桥的颤振稳定性能，并提出针对性的控制措施。由上述研究可知，目前国内关于双工字钢-混凝土组合梁桥方面的研究比较缺乏。基于此，本文以某分幅式钢-混凝土组合梁桥为研究背景，通过采用ANSYS有限元软件建立全桥实体数值模型，针对不同腹板结构设计参数的钢-混凝土组合梁桥进行稳定性能数值分析，研究结果可为同类桥梁工程的设计提供参考与借鉴。

1 工程背景

某分幅式连续梁桥跨径布置为4×40 m，桥梁单幅宽度为13.5 m，主梁采用双工字钢-混组合梁结构。该桥钢主梁梁高为1.8 m，腹板厚度为1.6～2.0 cm，上下翼缘板宽度分别为80 cm、96 cm，上翼缘板厚3.4 cm，下翼缘板厚2～5 cm。两根钢梁间采用每隔8 m设置1道的工字形对称截面横梁进行连接，其中跨间处小横梁的高度及其翼缘板的宽度均为40 cm，翼缘板厚度为1.3 cm，腹板厚度为2.1 cm;中支点处中横梁和边支点处端横梁的梁高均为80 cm，翼缘板的宽、厚分别为70 cm和1.6 cm，腹板厚度为2.0 cm。腹板设有2.8 cm、3.5 cm宽的纵向加劲肋，其中除中横梁、端横梁处的厚度为1.6 cm外，其他位置厚度均为1.3 cm。桥面板均采用C50强度等级的混凝土，钢主梁等所有钢构件均采用Q345钢。钢-混组合梁的横断面布置如图1所示。

2 模型建立

通过采用ANSYS有限元软件建立钢-混组合梁实桥三维模型，其中钢主梁和混凝土分别采用Shlle43单元、Solid45单元进行模拟，全桥有限元计算模型如图2所示。模拟过程中将一根钢主梁的一端进行固定约束，其他则采取横、竖向位移约束;另一根钢主梁的一端用横、竖向位移进行约束，其他则仅采取竖向位移约束。计算荷载考虑结构自重、车辆偏载以及风荷载。模型中混凝土和钢材计算参数取值如表1所示。

3 钢-混组合梁桥稳定性能分析

3.1 腹板高厚比

为了探讨不同腹板高厚比对钢-混组合梁桥稳定性能的影响，本文基于原桥三维实体有限元模型，在保证主梁截面刚度不变的情况下，分别拟定了80、90、100、110、125、150六种腹板高厚比，并针对该钢-混组合梁桥在组合阶段、非组合阶段的弹性稳定系数展开有限元数值分析，分别得到其弹性稳定系数与失稳位置的计算结果如表2所示。

由表2可知，在组合阶段和非组合阶段下，钢-混组合梁桥的弹性稳定系数随着腹板高厚比的增大均呈逐渐减小变化趋势。其中，当腹板高厚比<90时，组合梁桥的弹性稳定系数降幅都较为明显。在组合阶段下，不同腹板高厚比的失稳均发生于腹板位置，说明组合梁桥的桥面板与钢梁上缘翼板之间起到了良好的连接作用;在非组合阶段下，腹板高厚比<100时的失稳均发生于翼缘板位置，而其余腹板高厚比时的失稳则均同样发生于腹板位置。综上所述可知，当腹板高厚比取值<90时，桥梁的极限承载能力表现优异;当腹板高厚比取值在100～125时，既可保证腹板的稳定性，还能防止受压翼缘板发生失稳现象。

3.2 腹板加劲肋厚度

以原桥有限元数值模型为基础，拟定了0.8 cm、1.2 cm、1.6 cm、2.0 cm四种腹板竖向加劲肋厚度，针对不同加劲肋厚度的钢-混组合梁桥进行稳定性数值分析，得到其在组合阶段与非组合阶段的弹性稳定系数变化规律如图3所示。

根据图3与有限元计算结果可知，钢-混组合梁桥在组合阶段、非组合阶段的失稳状态分别表现为跨中翼缘板屈曲和近支点处腹板屈曲。随着腹板加劲肋厚度的增大，不同阶段的组合梁桥弹性稳定系数均逐渐增大，但其增幅均不明显，说明钢-混组合梁桥的稳定性受腹板竖向加劲肋厚度的影响较小，但考虑到实际工程施工中加劲肋的厚度应该与其翼缘板、腹板等构件相互匹配，故在一般情况下加劲肋的厚度取值建议为1.2～1.6 cm。

3.3 腹板加劲肋间距

以原桥有限元数值模型为基础，在保证其余参数不变的情况下，拟定了0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m八种腹板加劲肋间距，针对不同加劲肋间距的钢-混组合梁桥展开稳定性分析，分別得到其在组合阶段和非组合阶段的弹性稳定系数变化规律如图4所示。

由图4可知，随着腹板加劲肋间距的增大，钢-混组合梁桥在组合阶段和非组合阶段的弹性稳定系数均逐渐减小。其中，当腹板加劲肋间距由0.5 m增至1.0 m时，组合阶段和非组合阶段的弹性稳定系数分别减小了3.85、5.16，此时组合梁桥的稳定系数出现明显的降低;当腹板加劲肋间距由1.0 m增至2.5 m时，两阶段的弹性稳定系数分别减小了3.12、2.4，此时组合梁桥的稳定系数降幅出现明显减小;而当腹板加劲肋间距由2.5 m增至4.0 m时，弹性稳定系数分别仅减小了0.43、0.48，此时组合梁桥的稳定系数逐渐趋向于未设置腹板竖向加劲肋。综合以上可知，在腹板竖向加劲肋间距较小时，即密集布置加劲肋能有效提升桥梁的极限承载能力，而在腹板竖向加劲肋间距较大时，即稀疏布置加劲肋会略微削弱桥梁的稳定性能，但对于钢-混组合梁桥，一般采用2.5 m的腹板加劲肋间距即可满足规范设计要求[8]。

4 结语

（1）钢-混组合梁桥的弹性稳定系数随着腹板高厚比的增大均呈逐渐减小变化趋势。通过减小腹板的高厚比能提升桥梁的极限承载能力，腹板高厚比取值在100～125时，既可保证腹板的稳定性，还能防止受压翼缘板发生失稳现象。

（2）随着竖向腹板加劲肋厚度的增大，不同阶段的组合梁桥弹性稳定系数均逐渐增大，但其增幅均不明显。考虑到实际施工中加劲肋厚度应该与其翼缘板、腹板等构件相互匹配，故一般情况下加劲肋的厚度取值建议为1.2～1.6 cm。

（3）随着腹板加劲肋间距的增大，钢-混组合梁桥在组合阶段和非组合阶段的弹性稳定系数均逐渐减小，密集布置加劲肋能有效提升桥梁的极限承载能力，而稀疏布置加劲肋会略微削弱桥梁的稳定性能，但钢-混组合梁桥一般采用2.5 m的腹板加劲肋间距即可满足规范设计要求。

参考文献：

[1]刘永健，高诣民，周绪红，等.中小跨径钢-混凝土组合梁桥技术经济性分析[J].中国公路学报，2017，30（3）：1-13.

[2]窦维禹.新型钢板组合梁桥施工全过程结构性能分析[J].公路交通科技（应用技术版），2014，10（9）：205-208.

[3]陈洪伟，贺国栋，王 甜.多梁式工形截面钢混组合梁桥荷载横向分布的参数分析[J].中外公路，202 41（3）：161-165.

[4]何小文，胡章亮，陈 亮，等.支撑横梁体系钢-混凝土连续组合梁桥地震响应分析[J].南昌大学学报（工科版），2019，41（1）：51-56，61.

[5]冀 伟，孙 斌，白 倩，等.长期荷载作用下钢-混凝土组合梁的挠度计算与分析[J].湖南大学学报（自然科学版），202 48（7）：51-60.

[6]郭 超.钢-混凝土组合梁应力分析及截面优化研究[D].长沙：长沙理工大学，2013.

[7]邓青儿，于 洋，汤岳飞.大跨径钢-混凝土组合梁在老桥改建中的应用[J].桥梁建设，2016，46（1）：59-64.

[8]朱劲松，陈胜利.钢-混凝土组合梁悬索桥吊装施工颤振稳定分析[J].桥梁建设，2018，48（1）：31-35.