钢-混凝土组合桥梁的受力性能分析

2023-11-16牟星宇曹德国张剑锋赵然杨梦莹李金平

安徽建筑 2023年11期

牟星宇，曹德国，张剑锋，赵然，杨梦莹，李金平

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550081）

0 引言

近年来，钢-混组合梁在目前桥梁建设中的应用逐渐增加，其结构形式主要是通过抗剪构建将混凝土桥面板和下部的钢主梁连接起来，使混凝土和钢共同受力的结构形式[1]。这种组合结构梁的形式，充分发挥了各种材料自身的优良性能，在结构抗拉和抗压方面具有更优良的性能。在《钢-混组合桥梁设计规范》（GB 50917-2013）[2]应用之后，对于钢混组合梁桥结构形式的研究逐渐变多，不少学者对钢-混组合梁桥的受力性能以及施工形式进行了研究。陈朝慰[3]针对钢-混组合桥梁结构的新型连接构件进行了受力分析，采用有限元分析了新型连接构建在施工和运营阶段的受力和变形情况；王建超等[4]开展了钢-混凝土组合梁桥的受力可靠度分析，主要采用最大熵函数构造的凝聚函数对抗弯、纵向抗剪和竖向抗剪承载力进行了可靠度分析；常英飞[5]对钢-混组合梁桥的新技术进行了阐述和总结，并提出未来组合桥梁发展的新思路；陈宝春等[6]对我国钢-混凝土组合梁桥的研究进展和工程应用进行了系统归纳总结，介绍了传统的组合梁桥以及近年提出的新型组合梁桥结构形式，并对其工程应用进行了总结；王岭军[7]采用有限元分析法，首先建立钢-混组合梁斜拉桥模型，再次分析了不同施工阶段下桥梁结构的受力特性，获得桥梁整体失稳状态，最后根据分析得出相应的结论；李德等[8]对新型钢-混组合桁架梁铁路桥的力学特征进行了研究分析，研究结果表明，桥梁的自振特性分析结果满足规范要求；王元清等[9]采用ANSYS 有限元分析了曲线钢-混组合梁桥的跨度与整体刚度及跨高比之间的关系；蒋丽忠等[10]针对钢-混组合梁桥的动力响应和安全指标进行了试验研究，研究结果显示各项指标均满足规范要求。由上述可知，对于钢-混组合梁结构的研究已经较为成熟，本文在上述研究的基础上，以主河槽桥为依托，开展了平原区钢-混凝土组合梁桥的受力性能分析，主要研究静载和汽车荷载作用下组合梁的位移和变形情况，为平原区钢-混组合梁桥的设计提供参考。

1 工程概况

主河槽桥上跨黄河滩地及主河槽，采用钢-混凝土组合梁，桥跨布置为6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+1×50m，桥梁全长为3656m（含桥台）。桥梁上、下部结构均采用分幅布置，桥面总宽34.1m。上部结构主梁采用单箱单室分幅“开口钢箱梁+混凝土桥面板”等高连续组合梁，单幅桥宽16.6m；下部结构采用分离式布置，钢管复合桩基础，埋置式承台，承台和墩身均采用悬浇钢筋混凝土。钢主梁设计成倒梯形结构，钢主梁在梁中心线处高4.72m，钢主梁顶宽9.7m，底宽6.5m，腹板倾斜设置，预制混凝土桥面板采用C55 耐久混凝土，桥面宽16.60m，悬臂长度3.25m。预制桥面板构造见图1，主梁断面图见图2。

图1 桥面板一般构造图

图2 主梁断面图

2 有限元模拟

2.1 模型条件

主梁采用钢混组合箱梁，中心梁高5.0m（含28cm 厚桥面板），梁宽16.6m，标准节段长度为10.0m。主梁为开口槽型断面，材质为Q420，顶板宽度1.6m、厚度40～60mm，底板宽度6.6m、厚度28～56mm。主梁桥面板宽度为16.6m、厚度为28cm，在伸缩缝处采用变高度设计，厚度为50cm，桥面板材质为C50混凝土。钢绞线抗拉强度为1860MPa，其弹性模量E 为195000MPa，线膨胀系数为0.000012。钢导梁采用焊接工字钢，导梁长度为60.0m，每15.0m 为一个标准节段。钢导梁采用变高度设计，高度从4.7m渐变至2.0m。

2.2 荷载取值

结构自重：混凝土容重26kN/m3。

二期恒载：单侧SS 级钢护栏2.1kN/m；桥面铺装为10cm 厚沥青混凝土，荷载集度为37.2kN/m。

混凝土收缩及徐变影响：混凝土收缩及徐变应按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）取用。

支座沉降按照1cm考虑。

车道荷载：汽车活载为公路Ⅰ级，设计车道数为四车道，横向折减系数及纵向折减系数取值参照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）；制动力按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)取值。

整体升降温：按照全国气候分区图，桥位所在地区为寒冷地区。按照《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015)）表4.3.12，混凝土桥面板钢桥有效温度标准值最高为39℃、最低为-15℃。

2.3 有限元模型

依据上述模型条件和荷载条件建立钢-混凝土组合梁桥的有限元模型，由于全桥共3650m 长，600m 一联，100m一跨，因此本文建立此桥的一联进行计算分析。整联桥梁共1245 个节点，926个单元，该联桥梁设置5 个纵向活动支座、5个双向活动支座、2个固定支座和2个横向活动支座，全联桥梁的有限元模型见图3，有限元模型桥梁横断面见图4。

图3 钢-混凝土组合梁桥有限元模型

图4 有限元模型桥梁横断面图

3 计算分析结果

依据建立的有限元模型进行计算分析，得出在静载和汽车荷载作用下，钢-混凝土组合桥梁的受力性能。

3.1 位移分析结果

在温度荷载、人群荷载和汽车荷载的作用下，钢-混凝土组合梁桥的整体纵向位移情况见图5。

图5 纵向位移情况

由图5 可知，人群荷载和汽车荷载对组合梁结构的纵向位移影响很小，依据规范，不可忽略人群荷载和汽车荷载对桥梁的影响。本文主要研究整体升温作用和整体降温作用对组合梁的影响规律，分析结果显示组合梁结构的纵向位移影响规律刚好相反。在整体升温作用下，组合梁结构的纵向位移先减小，后在200～300m 的位置保持位移在0 附近，主要可能是由于在200m 和300m 位置处设置了固定支座和横向活动支座，最后组合梁的纵向位移逐渐反向增大，在0m 位置时，组合梁的纵向最大位移为92mm，在600m 位置处组合梁的最大纵向位移为137mm；整体降温作用下组合结构的纵向位移变化趋势呈先减小后保持100m 的距离不变，最后反向增大，组合梁结构在0m 位置处的最大纵向位移为35mm，在600m 位置处的最大纵向位移为53mm。

由上述分析，人群荷载和汽车荷载对组合梁结构的纵向位移影响较小，整体升温和整体降温作用下组合梁结构的纵向位移较大，在设计和施工过程中应多注意温度对钢-混凝土组合桥梁纵向位移的影响，针对温度作用的影响提出相应的设计对策，保证结构的安全。

由于温度荷载和人群荷载对组合梁结构的横向位移影响很小，因此只对钢-混凝土组合桥梁结构的横向位移进行分析，汽车荷载作用下桥梁结构的横向位移见图6。由图6可知，汽车荷载作用下，钢-混凝土组合梁桥的横向位移量最大为8mm，最大位移出现在设有固定支座的第3 跨跨中，且每跨的横向位移变化趋势均一致。由此可见，汽车荷载作用对组合梁结构的横向位移有较大的影响。

图6 横向位移情况

组合梁结构的竖向位移情况见图7、图8和图9。

图7 竖向位移情况

图8 人群荷载作用下组合梁竖向位移情况

图9 汽车荷载作用下组合梁竖向位移情况

由图7 可知，在温度荷载作用下，组合梁结构的竖向位移在200m 和300m的位置出现变化，主要可能是由于在第3 跨两端设置了固定支座，使主梁在温度作用下跨中出现了竖向变形。整体升温作用下，主要发生下挠位移，且组合梁的最大竖向位移为0.03mm，在整体降温作用下，主梁主要出现向上拱起位移，最大竖向位移为0.12mm，整体上看，温度荷载作用对钢混组合梁桥的主梁竖向变形影响较小。

由图8和图9可知，组合梁竖向位移变化情况受人群荷载和汽车荷载作用的影响基本一致且都非常小，但是在设计时，对于人群荷载对组合梁结构竖向位移的影响需适当考虑，不可忽略。由于汽车荷载的特殊性，在设计时应当主要考虑汽车冲击荷载作用对组合梁结构竖向位移的影响。

3.2 内力分析结果

由于人群荷载和汽车荷载作用对钢-混凝土组合梁桥的轴力的影响很小，因此，主要探讨温度荷载作用下组合梁结构的轴力变化情况。温度荷载下作用下，组合梁结构的轴力变化情况见图10。

图10 组合梁轴力变化情况

由图10 可知，在整体升温作用下，组合梁结构的轴力在200m 和300m 位置处发生突变，主要是由于在200m 位置和300m 位置处设置了固定支座和横向活动支座，且在200～300m 位置轴向压力达到最大值（554830.64kN）；在整体降温作用下，组合梁结构的轴力同样在200m和300m位置处发生突变，在此位置的最大轴线拉力为213396.4kN。由上述分析可知温度荷载对组合梁结构的轴力影响很大，在设计和施工中，为保证结构的安全性能，应多加考虑温度荷载对组合梁结构的影响。荷载作用下钢-混组合梁桥的弯矩变化情况见图11。

图11 组合梁的弯矩变化情况

由图11 可知，整体升温和整体降温作用对钢-混凝土组合梁桥的弯矩影响很小。在人群荷载和汽车荷载作用对组合梁弯矩的影响变化情况基本一致，且每跨的最大弯矩均在跨中位置，人群荷载作用下，组合梁的最大弯矩为1576.03kN·m，汽车荷载作用下，组合梁的最大弯矩为23087.32kN·m。

由上述分析可知，在钢-混凝土组合梁桥的设计中，主要考虑汽车荷载作用产生的弯矩，温度荷载对主梁弯矩的影响较小。

3.3 应力分析结果

计算分析了荷载作用下，组合梁结构的应力变化情况，结果见图12。由图12 可知，钢-混凝土组合梁桥的应力主要受温度荷载为影响，人群荷载对组合梁的应力影响较小，但不可忽略，本文主要研究温度荷载作用下组合梁的应力变化规律。在整体升温和整体降温作用下，对组合梁结构的应力影响很大，其次是汽车荷载作用的影响，在设计时需注重考虑温度荷载和汽车荷载对组合梁结构应力的影响。