中小跨径钢板组合梁有限元计算分析

2023-03-21彭俊文郭亚文李惠翔张雪松

交通科技与管理 2023年4期

彭俊文,周晋,李维,郭亚文,李惠翔,张雪松

（四川交投设计咨询研究院有限责任公司,四川成都 610041）

0 引言

桥梁是公路、市政交通互通互联的重要基础设施，是构建交通网络和实现国民经济快速发展的重要保障。目前国内桥梁建设中钢桥、钢混组合桥比例偏低，远低于日本、美国和法国等发达国家。钢混组合桥是在钢桥的基础上通过现浇或预制混凝土板而形成，更容易发挥钢与混凝土两种材料的优势。结合交通部对钢结构大力推广方面的相关政策，未来钢桥，尤其是钢混组合桥势必得到快速发展[1-3]。

国内高校和设计单位等机构结合桥梁建设需求，对钢混组合梁进行了深入研究。对于特大跨度桥而言，一般多采用正交异性钢桥面板或在其顶板上加铺高性能混凝土（UHPC）、活性粉末混凝土（RPC）等[4-5]，结构轻质高强，同时可减轻钢结构的疲劳损伤。对于大跨度桥而言，钢箱组合梁和钢桁组合梁应用较多，尤其是受桥下净空及交通路网影响，常规装配式预应力梁桥不能满足需求时，此类桥梁具有突出优势，同时钢箱组合梁更适用于曲线桥。对于中小跨径桥而言，当桥墩整体高度较低时，考虑到钢结构自重轻，桥墩可做成轻质化形式，综合整体造价及碳排放影响，钢板组合梁被认为是一种具有竞争力的上部结构方案。目前相关学者对中小跨径钢板组合梁研究较少，而高速公路95%以上桥梁多为中小跨径桥梁形式，研究中小跨径钢混组合桥结构和受力特征具有重要意义。该文结合某高速公路项目，以20 m跨径钢板组合梁为研究对象，建立了有限元模型，分析了结构整体和局部受力情况，计算结果可为钢板组合梁的设计提供重要参考。

1 结构介绍

某高速公路项目主线桥梁以20 m装配式预应力小箱梁为主，地势较为平坦，全线平均墩高小于10 m，桥梁总宽为16.85 m，按双向6车道设计，荷载等级为公路1级，项目所在地地震加速度为0.1 g。经20 m跨径装配式预应力小箱梁与20 m、25 m和30 m跨径钢板组合梁经济指标对比，后两种跨径钢板组合梁每平方造价分别为20 m跨径装配式预应力小箱梁的1.3倍和1.5倍，而20 m跨径钢板组合梁每平方造价仅为同等跨径装配式预应力小箱梁的1.20倍，因此该项目拟选择部分工点推广20 m跨径钢板组合梁，结构形式为简支桥面连续，桥面板采用25 cm等厚C50钢筋混凝土。20 m跨径钢板组合梁标准横断面如图1所示。

图1 20 m跨径钢板组合梁标准横断面图（mm）

钢板部分总高1 050 mm，上下翼缘板等宽等厚，宽度475 mm，厚度24 mm，腹板厚度13 mm，腹板不设置加劲肋。单跨共设置6片钢板梁，梁间距2 880 mm，横梁道数为5道，间距约为5 000 mm，横梁高度与钢主梁高度齐平，形成钢结构纵横向框架体系。端横梁高度为700 mm，上下翼缘等宽等厚，宽度300 mm，厚度24 mm，腹板厚度13 mm，中横梁高度400 mm，上下翼缘等宽等厚，宽度400 mm，厚度15 mm，腹板厚度10 mm。横梁与主梁采用栓接连接，钢板材料均采用Q345qD，主梁上翼缘设置焊钉连接件。

2 有限元模型

2.1 荷载情况

钢结构容重78.5 kN/m3，考虑到焊缝及螺栓自重，钢结构自重系数为1.06。混凝土桥面板配筋率较高，容重取26.5 kN/m3，沥青铺装容重24 kN/m3。护栏采用SS级防撞护栏，单侧每延米混凝土方量0.459 m3，护栏容重26 kN/m3。整体分析采用车道荷载，按照4车道加载，分别考虑中载和偏载两种活载工况，活载横向折减系数为0.67。温度荷载按照整体升降温30 ℃考虑。按照简支梁约束模式对六片梁支座端梁底进行约束，释放梁端转角约束，防止支座处梁体产生赘余力，避免梁体产生约束扭转应力。

2.2 有限元模型

采用ABAQUS有限元软件，钢梁部分采用S4R板单元，混凝土桥面板采用C3D8R实体单元，钢梁上翼缘与混凝土桥面板之间不考虑界面滑移效应，采用节点耦合约束，全桥单元网格控制在300 mm以内，所建立的有限元模型如图2所示。

图2 钢板组合梁有限元模型

3 结果分析

钢板组合梁主要施工步骤：首先架设钢梁，其次考虑混凝土湿重，然后考虑钢板与混凝土的组合效应，施加二期荷载和成桥活载。有限元模拟混凝土时，采用生死单元法将混凝土按照上述顺序进行设置。

3.1 特征值分析

整体计算时，冲击系数的选取对活载影响至关重要，通过对钢板组合梁特征值分析，能够得到结构的基本振型，通过计算得到结构基频为5.43 Hz，主要为竖向弯曲变形，结构基本振型如图3所示。该振型下钢梁与桥面板混凝土未发生脱离，表明结构模拟良好，符合实际受力情况。

图3 钢板组合梁基本阵型图

3.2 受力分析

该文主要关注钢梁受力状态，通过活载加载试算，考虑应急车道后，当4车道位于偏载情况下钢梁受力最为不利。分别提取钢板梁下翼缘、上翼缘纵桥向应力如图4和图5所示。

图4 钢板梁下翼缘纵桥向应力（MPa）

图5 钢板梁上翼缘纵桥向应力（MPa）

计算表明：基本组合下，钢板梁下翼缘最大拉应力和压应力均位于边梁跨中位置，最大拉应力为174.6 MPa，最大压应力为6.5 MPa；钢纵梁上翼缘和横梁上翼缘应力数值较小，最大应力为13.4 MPa（拉），上翼缘应力不受设计控制，钢板梁整体应力满足规范要求[6]。

3.3 蜂窝钢板组合梁实践

将常规钢板组合梁腹板进行优化设计，制造成蜂窝梁形式，可减轻结构自重，节约钢材。蜂窝梁一般用于建筑结构当中，很少应用于桥梁，对于该结构受力状态需要进一步进行研究[7]。此处选取蜂窝为六边形，高度为1 400 mm，宽度为700 mm，一片主梁共设置16个开孔，如图6所示。

图6 蜂窝梁尺寸（mm）

基于ABAQUS软件建立的蜂窝钢板组合梁有限元模型。整体模型中钢梁部分采用S4R板单元，通过试算发现边梁跨中附近开孔应力较大，在整体模型的基础上，建立局部开孔处子模型。子模型共包含3个开孔，单元类型为C3D8R实体单元，网格大小控制在150 mm以内，以确保计算精度。所建立的有限元模型如图7所示。

图7 蜂窝钢板组合梁有限元模型

偏载作用下，取子模型为关注对象，重点对开孔部位应力进行分析，通过计算确定结构基频为4.92 Hz。基本组合下开孔处应力如图8所示。

图8 蜂窝钢板组合梁开孔处应力（MPa）

计算结果：基本组合下，蜂窝钢板组合梁横桥向应力在跨中附近开孔对角位置数值相对较大，最大拉应力为111.0 MPa。下翼缘纵桥向最大拉应力为220.5 MPa，腹板开孔处纵桥向最大拉应力高达329.5 MPa，位于开孔底处交点位置，且该处Mises应力为330.7 MPa，接近钢材屈服强度345 MPa。因此，对于钢板组合梁而言，腹板开孔势必引起显著的应力集中效应，虽然能够大幅度节约钢材成本，但根据受力情况来看，不建议采用蜂窝钢板组合梁形式。