钢-混组合梁桥横梁结构设计参数的优化研究

廖朝义

(广西壮族自治区交通运输工程质量监测鉴定中心，广西 南宁 530031)

0 引言

近年来，钢-混组合梁桥因具有整体性好、施工简便、经济性及抗震性能优良等优点，逐渐在我国桥梁工程中得到广泛应用[1]。但由于早期设计者对于该类型桥梁结构参数研究的不足，导致部分桥梁出现桥面开裂、主梁结构变形及滑移等严重病害[2]。因此，如何通过优化结构参数来提升钢-混组合梁桥安全性已成为当下学者亟须研究的重要课题[3-4]。

目前，国内外学者针对这一课题已展开了大量研究，如陈洪伟等[5]针对多梁式工形截面钢-混组合梁桥，研究其桥梁跨径、桥梁宽度、跨径布置、中横梁设置、端横梁设置等参数对横向受力分布的影响。毛亚娜[6]发现简支钢-混组合梁采用中间支撑或临时墩施加支反力的施工方法，可大幅减小钢梁上翼缘压应力，充分发挥混凝土受压的特点，同时可减小下翼缘拉应力，有利于节省钢材。刘扬等[7]结合ANSYS有限元程序的Workbench平台Design-Exploration模块进行实验设计，研究组成钢-混组合桥面系的混凝土板、钢纵梁及钢桁架等结构参数对组合截面力学性能的影响。周青等[8]对钢-混组合板梁桥的设计标准化关键参数进行分析，以横向分布系数、桥面板横向承载力和钢主梁应力作为参数分析对比标准，研究了钢-混组合板梁桥的合理截面与合理构造。考虑到钢-混组合梁桥的横梁布置位置对其结构安全稳定影响较大，且在此方面的研究比较欠缺，本文以某钢-混组合梁桥为例，研究了不同横梁参数对桥梁变形、受力及稳定性的影响，并得出了横梁较优间距与布置位置。

1 工程概况

某分幅式连续梁桥跨径布置为4×30 m，桥梁单幅宽度为13.5 m，该桥设计荷载等级为公路Ⅰ级，车道设计标准为双向四车道，设计速度为60 km/h。连续梁桥上部结构采用钢-混凝土板组合梁，桥面板采用强度等级为C50的混凝土，钢构件均采用Q345型钢材。主梁高为1.8 m，腹板厚度为1.6～2.0 cm，上翼缘板和下翼缘板宽度分别为80 cm、96 cm，上翼缘板厚度为3.4 cm，下翼缘板厚度为2～5 cm。两根钢梁间采用每隔8 m设置1道的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，翼缘板的宽度、厚度分别为70 cm和1.6 cm，腹板厚度为2.0 cm。腹板设有2.8 cm长、3.5 cm宽的纵向加劲肋，其中除中、端横梁处的厚度为1.6 cm外，其他位置厚度均为1.3 cm。钢-混组合梁桥的横断面布置具体如图1所示。

图1 钢梁标准截面图

2 有限元模型

运用有限元软件ANSYS建立钢-混组合梁桥空间三维数值模型，采用Shell43单元模拟钢梁，采用Shell65单元模拟混凝土，计算模型共包含246个单元和271个节点。其有限元模型如下页图2所示。

图2 钢-混组合桥梁有限元模型图

计算过程中，混凝土本构关系采用Hongnestad模型，破坏准则遵循五参数的Willam-Warnke破坏准则，收敛准则采用力的收敛，收敛精度为0.1%，极限压应变取值3.8×10-3。钢材的本构关系采用双线性随动模型，计算时简化为斜线加平直线形式，屈服应力计算取值345 MPa。钢梁和混凝土的连接形式采用刚臂力连接，并设定以下边界条件：(1)在1#主梁端点进行固定约束，对边支点及次边支点进行竖向位移约束，对中支点进行横向和竖向位移约束；(2)在2#主梁端点进行竖向和纵向位移约束，对边支点和中支点进行竖向位移约束。荷载主要考虑钢梁和混凝土自重、二期恒载、车辆荷载以及风荷载作用。钢材和混凝土计算参数如表1所示。

表1 材料基本参数表

3 结果与分析

为优选出钢-混组合梁桥横梁的最佳设计参数，以原钢-混组合梁桥有限元模型为基础，分别建立不同横梁间距和布置位置的桥梁计算模型，其他参数保持不变，对比分析桥梁变形、受力及整体稳定性的变化规律。

3.1 横梁间距的影响

分别建立横梁间距为2.5 m、5 m、7.5 m、10 m及12.5 m的钢-混组合梁桥计算模型，并针对桥梁横梁最大位移、主梁的跨中最大拉应力、支点最大压应力以及稳定系数进行计算分析。

3.1.1 位移分析

经计算得到不同横梁间距的横梁最大位移变化曲线如图3所示。

图3 不同横梁间距-横梁最大位移变化曲线图

根据图3可知，随着横梁间距的增大，钢-混组合梁桥横梁的最大位移呈不断增大趋势，说明横梁间距的变化会对桥梁结构的变形产生一定影响。当横梁间距由2.5 m增至10 m时，横梁最大位移的增幅相对较小，平均在7%左右；而横梁间距由10 m增至12.5 m时，横梁最大位移的增幅明显变大，达到15.5%。由此说明，对于控制钢-混组合桥梁结构变形而言，横梁设置间距宜≤10 m。

3.1.2 应力分析

经计算得到不同横梁间距的主梁跨中最大拉应力和支点最大压应力变化曲线如图4所示。

图4 不同横梁间距-最大应力变化曲线图

根据图4可知，随着横梁间距的增大，钢-混组合梁桥主梁的跨中拉应力不断增大，而支点压应力逐渐减小，其中横梁间距对主梁跨中拉应力的影响较为明显，对于支点拉应力的影响可忽略不计。当横梁间距由2.5 m增至10 m时，主梁跨中最大拉应力的增幅相对较小，平均在5%左右；但横梁间距由10 m增至12.5 m时，主梁跨中最大拉应力的增幅明显变大，达到11%。由此可知，对于控制钢-混组合桥梁结构受力而言，横梁设置间距宜≤10 m。

3.1.3 稳定性分析

经计算得到不同横梁间距的钢-混组合梁桥稳定系数变化曲线如图5所示。

图5 不同横梁间距-稳定系数变化曲线图

根据图5可知，随着横梁间距的增大，钢-混组合梁桥的稳定系数呈不断减小趋势，说明横梁间距的变化会对桥梁结构的安全稳定性产生影响。当横梁间距由2.5 m增至10 m时，结构稳定系数的减幅相对较小，平均在7%左右；而横梁间距由10 m增至12.5 m时，结构稳定系数的减幅明显变大，达到38.2%。这说明横梁设置间距超过10 m后，桥梁的整体稳定性会大幅下降。综合横梁间距对桥梁变形、受力及稳定性的影响，同时结合对经济性的考虑，横梁间距选择7.5～10 m范围相对较优。

3.2 横梁位置的影响

分别建立横梁位置为7/8L、3/4L、1/2L、1/4L及1/8L(L代表梁高)的钢-混组合梁桥计算模型，并针对桥梁横梁最大位移、主梁的跨中最大拉应力、支点最大压应力以及稳定系数进行计算分析。

3.2.1 位移分析

经计算得到不同横梁位置的横梁最大位移变化曲线如图6所示。

图6 不同横梁位置-横梁最大位移变化曲线图

根据图6可知，随着横梁位置的下降，钢-混组合梁桥横梁的最大位移呈不断减小趋势，说明横梁位移的变化会对桥梁结构的变形产生一定影响。当横梁位置由7/8L下移至1/4L时，横梁最大位移的减幅较为明显，平均在13%左右；而横梁位置由1/4L下移至1/8L时，横梁最大位移的减幅有所减小，仅为2.6%。这说明横梁在1/4L～1/8L位置的钢-混组合桥梁结构变形相对较小。

3.2.2 应力分析

经计算得到不同横梁位置的主梁跨中最大拉应力和支点最大压应力变化曲线如图7所示。

根据图7可知，随着横梁位置的下降，钢-混组合梁桥主梁的跨中拉应力不断减小，但支点压应力逐渐增大，其中横梁位置对主梁跨中拉应力的影响较为明显，对于支点拉应力的影响可忽略不计。当横梁位置由7/8L下移至1/4L时，主梁跨中拉应力的减幅较大，平均在6%左右；而横梁位置由1/4L下移至1/8L时，主梁跨中拉应力的减幅有所减小，仅为1.1%。这说明横梁在1/4L～1/8L位置的钢-混组合桥梁结构受力更为合理。

图7 不同横梁位置-最大应力变化曲线图

3.2.3 稳定性分析

经计算得到不同横梁位置的钢-混组合梁桥稳定系数变化曲线如图8所示。

图8 不同横梁位置-稳定系数变化曲线图

根据图8可知，随着横梁位置的下降，钢-混组合梁桥的稳定系数呈不断增大趋势，说明横梁位置的变化会对桥梁结构的安全稳定性产生影响。当横梁位置由7/8L下移至1/4L时，结构稳定系数的增幅较大，平均在11%左右；而横梁位置由1/4L下移至1/8L时，结构稳定系数的减幅明显变小，仅为2%。这说明横梁低于1/4L位置后，桥梁的整体稳定性变化不大。综合横梁位置对桥梁变形、受力及稳定性的影响，横梁选择布置在1/4L～1/8L时，综合效果较好。

4 结语

(1)随着横梁间距的增大，钢-混组合梁桥的横梁最大位移和主梁跨中拉应力均不断增大，稳定系数不断减小，支点拉应力变化不大。横梁间距<10 m时，横梁最大位移和跨中拉应力增幅较小，稳定系数减幅较小，但横梁间距>10 m后，横梁最大位移和跨中拉应力增幅变大。稳定系数减幅变大。综合来看，横梁间距选择7.5～10 m范围的桥梁结构安全性较高。

(2)随着横梁位置的下移，钢-混组合梁桥的横梁最大位移和主梁跨中拉应力均不断减小，稳定系数不断增大，支点拉应力变化不大。横梁位置高于1/4L时，横梁最大位移和跨中拉应力减幅较大，稳定系数增幅较大，但横梁位置低于1/4L后，横梁最大位移和跨中拉应力减幅变小，稳定系数增幅变小。综合来看，横梁在1/4L～1/8L位置时桥梁结构安全性较高。