斜交钢混组合梁反力影响分析及设计

吴润泽

(华设设计集团股份有限公司,南京 210000)

斜梁桥的力学特点与弯桥相似,具有弯扭耦合特性,由于受力情况较为复杂,成桥后工程病害问题较为突出,在跨高等级道路、河道及城市立体交通等方面,钢混组合桥梁具备一定的优势。

钢混组合梁是混凝土桥面板与钢梁之间通过剪力连接件形成组合截面,共同参与主梁受力的构件。对于单跨斜支撑钢混组合梁桥,从结构受力特点来说具有与混凝土斜板、梁桥类似的力学特征[1]。斜度、弯扭刚度比及支撑刚度等因素对混凝土斜梁桥的结构力学特征有着较大影响。而钢混组合梁在受力特性、施工工序等方面与混凝土斜梁有较大不同,本研究基于某工程实例对斜交钢混组合梁的结构内力及支反力进行研究,重点对支承反力影响因素进行敏感性分析。

1 工程实例

某项目采用跨径60 m斜支撑钢混组合梁,斜交角度20°,桥梁全宽10 m。设置1#、2#两片主梁,主梁之间通过中横梁及横肋连接。单片钢梁梁端横桥向下设两个盆式支座。

桥梁采用双主梁结构,钢梁内轮廓梁高2.7 m,桥面板厚0.22 m,采用C50混凝土。钢梁之间设有横梁,间距10.8 m,间隔1.8 m设置顶板横肋。钢梁顶板厚12 mm,底板跨中处厚36 mm,支点处20 mm,腹板跨中厚14 mm,支点处16 mm。桥梁标准横断面布置如图1所示。

单位:cm图1 组合梁横断面布置Fig.1 Sectional arrangement of composite beams

2 工况分析与计算方法

2.1 工况分析

《混凝土斜梁桥》[2]分别从弹性支承模式ESS和简化的刚性支承模式RSS给出了斜梁支反力及内力的理论解析解,总结得出,对于混凝土斜梁桥,钝角与锐角处的反力差与斜梁桥本身的斜度φ及弯扭刚度比k有关,斜度越大,二者的反力差越大,弯扭刚度比越小,二者反力差越大。考虑到钢混组合斜梁桥在结构受力特点上应具有与一般斜弯梁桥的共性特征,从调整斜度、弯扭刚度比、施工工况上拟定工况,具体从以下几个方面进行研究:

①斜交角度。案例原斜交角为20°,增加10°、30°斜交角作为对比工况进行分析,考虑斜度对支承反力及结构内力的影响。②弯扭刚度比。对于多梁式钢混组合梁,整体横向刚度和扭转刚度较小,结构的弯扭刚度比可进一步反映在主梁间中横梁的数量上,通过调整横隔板数量分析对支承反力的影响。横隔板布置设置如下4个工况,斜交角20°。 ③端横隔板抗弯刚度。在混凝土斜桥中,端横梁刚度在一定范围内变化会引起反扭矩和梁内扭矩、跨中弯矩的急剧变化。端横梁采用24 mm厚横隔板,横梁不考虑桥面板的钢梁截面抗弯惯性矩I_d=8.203×1010mm4,设置对比工况3Id、10Id。中横梁布置间距10.8 m,斜度20°。④施工工序。钢混组合梁在钢梁架设和混凝土桥面板浇筑过程中,是否设置中间临时墩对主梁受力和支反力影响较大[3-4]。如不设置临时墩,则钢梁自重、混凝土桥面板湿重均仅由钢梁承担。在二期铺装及活载作用下,混凝土桥面板参与共同受力。由于结构刚度、受力体系等变化,在进行钢混组合梁分析时必须考虑施工工序的影响。钢筋混凝土桥面板采用整体现浇桥面板。

2.2 计算方法

采用梁单元建立有限元杆系模型,两道纵梁和中横梁、顶板横肋之间通过节点连接,桥梁外边缘线增加两道虚拟纵梁,与纵横梁共同形成梁格体系。组合梁截面采用施工阶段联合截面,通过分阶段激活桥面板的自重和截面特性模拟施工阶段主梁受力。

建立实体单元模型对梁格法结果进行可靠性验证。钢梁采用板壳单元模拟,混凝土桥面板部分采用四面体单元模拟。考虑桥面板与钢梁之间采用密焊钉连接,模型中桥面板与钢梁之间简化为共节点连接。

3 结果分析

3.1 斜度对组合梁内力及支反力的影响

图2反映的是梁格法模型中组合纵梁跨中弯矩随斜度的变化情况。由计算结果可知,在刚性支承模式下,钢混组合纵梁跨中弯矩随斜度增加而降低,与混凝土斜梁内力变化状况一致。

图2 跨中弯矩(基本组合)随斜度变化Fig.2 Changes of mid-span bending moment (basic combination) with slope

图3、图4反映的是双主梁斜支撑钢混组合梁支反力随斜度调整的变化情况。可以看出,锐角处外侧支座(支座2-2、支座3-1)随斜度增加呈线性减小,钝角处外侧(支座1-1、支座4-2)随斜度增加呈线性增加。

图3 支反力(标准组合)随斜度变化Fig.3 Changes of support reaction (standard combination) with slope

图4 支反力(恒载)随斜度变化Fig.4 Changes of support reaction (dead load) with slope

3.2 横隔板数量对支反力的影响

基于案例斜度20°简支钢混组合梁,考虑调整中横梁数量对支承反力影响。从图5可以看出,在标准组合下,对于双梁式单跨斜支撑组合梁桥,梁间中横隔板数量增加,支反力无明显增大或减小趋势,横隔板数量对支反力分布影响有限。考虑是普通横隔板对该类型桥梁扭转刚度贡献不足造成的。

图5 支反力(标准组合)随横隔板数量变化Fig.5 Changes of support reaction (standard combination) with the number of transverse partitions

3.3 支承横隔板刚度对支反力的影响

支座1-1、2-1分别为1#、2#主梁的钝角侧支座,支座1-2、2-2分别为1#、2#主梁的锐角侧支座。从图6中可以看出,当端横隔板由Id增加至3Id时,钝角侧支座支反力有较为明显的下降,锐角侧支座支反力有较为明显的增加,而当端横隔板刚度由3Id增加至10Id时,则下降趋势明显减弱,表明端横隔板刚度只在一定范围内对支反力分布影响较为显著。

图6 支反力(恒载)随端横梁刚度变化Fig.6 Changes of support reaction (dead load) with the stiffness of the end beam

3.4 施工工序对支反力的影响

图7、图8表明,对于钝角处支座1-1、支座2-1,施工过程中不考虑设置临时支墩,即混凝土浇筑过程中湿重全部由钢梁承担时,最终恒载及标准组合下支反力较考虑设置临时支墩偏大。对于锐角处支座1-2、支座2-2,不考虑设置临时支墩则较考虑设置临时支墩结果偏小,即施工过程中不考虑设置临时支墩会导致反力差(钝角-锐角)增大。这点与多梁式混凝土斜梁桥不同,装配式混凝土梁桥一期恒载主要由各片主梁独自承担,而钢混组合梁桥在钢-混组合截面形成整体前,混凝土桥面板湿重通过纵横钢梁对支承反力进行分配,导致恒载作用下支反力分布不均。

图7 支反力(恒载)对比Fig.7 Comparison of support reaction (dead load)

图8 支反力(标准组合)对比Fig.8 Comparison of support reaction (standard combination)

3.5 梁格法与实体有限元模型分析对比

实体模型按与梁格法同施工工况下进行对比分析,施工过程中设置中间临时墩。从表1可以看出,除支座2-1外,其余支座支反力在梁格法与实体模型对比中基本能控制在10%以内,当1#梁、2#梁双支座支反力合并统计后,钝角侧和锐角侧支反力两种方法计算结果误差分别达到-3%、7%,梁格法计算结果能够较准确地反映斜支承钢混组合梁的支反力分布情况。

误差=(梁格法-实体模型)支反力/实体模型支反力。

表2进一步分析了钝角侧与锐角侧的支承反力差。可以看出,实体模型计算反力差较梁格法更大,即单侧支反力分布更加不均匀,这可能与梁格法端横梁模拟时线刚度偏小有关。

表2 1#、2#梁钝角侧与锐角侧支承反力差Tab.2 Poor reaction force between the obtuse angle side and the acute angle side of the 1# and 2# beams

4 结论

通过计算及相关分析可以得到以下结论:对于双梁式斜支撑单跨钢混组合梁桥,随斜度增大,钝角侧支反力线性增大,锐角侧支反力线性减小,组合梁跨中弯矩也随之减小。调整中间普通横梁数量,对梁端支反力分布影响有限。设计过程中,不建议盲目加密中横梁数量。端横梁刚度在一定范围内会影响钝角侧、锐角侧支反力分布,超过该范围,对支反力分布影响较小。对钢混组合梁而言,设计中应重视施工过程的影响,当桥面板采用整体现浇工艺时,不设置临时支承施工较设置临时支承施工支反力分布更不均匀。