基于平面模型的鋼板組合梁結(jié)構(gòu)安全性分析

吳平平

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥 210088）

1 概述

濟(jì)祁高速合肥段淮河特大橋引橋工程長(zhǎng)11 km，上部結(jié)構(gòu)采用新型鋼板組合梁橋形式，標(biāo)準(zhǔn)跨分別為30 m和35 m，采用三跨或四跨一聯(lián)的方式，橋面全寬26.5 m，基于雙向4車道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并采用分幅方式。圖1是35 m鋼板組合梁橋的立面布置圖，包含了鋼梁、鋼梁加勁板、橫梁、混凝土橋面板等構(gòu)件。

鋼板梁橋主梁斷面采用直腹式雙工字鋼板組合梁，梁橋最長(zhǎng)跨為35 m，雙主梁間距7.225 m，中心線處的梁高均為1.75 m。混凝土橋面板和鋼主梁通過栓釘連接，雙主梁之間采用中橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系，中橫梁的標(biāo)準(zhǔn)間距5 m，橋梁的跨中標(biāo)準(zhǔn)斷面和橫梁處斷面如圖2所示。

組合鋼板梁橋橋面板由預(yù)制板和縱橫向濕接縫構(gòu)成，鋼板梁橋采用滿堂支架吊裝到位后，吊裝預(yù)制橋面板并澆筑濕接縫混凝土完成共同受力，考慮到鋼板組合連續(xù)梁橋的受力特點(diǎn)，正彎矩區(qū)域采用C40混凝土，負(fù)彎矩區(qū)域采用PVA纖維混凝土橋面板。

2 有限元模型

桿系模型對(duì)于結(jié)構(gòu)整體受力性能的描述具有簡(jiǎn)便直接的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)鋼板組合梁橋的結(jié)構(gòu)形式，采用桿系有限元模型分析方法，計(jì)算鋼板組合梁橋在施工及使用階段各種不利荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性。采用橋梁博士3.0軟件建立結(jié)構(gòu)全橋模型如圖3，共256個(gè)單元，257個(gè)節(jié)點(diǎn)。

通過將混凝土橋面板作為附加截面與工字鋼主梁作為組合截面，形成鋼板組合梁橋，考慮鋼板組合梁橋鋼梁吊裝、安裝、橋面板吊裝、成橋等施工全過程，根據(jù)使用階段結(jié)構(gòu)面臨的各種荷載組合作用，分析施工階段結(jié)構(gòu)受力的安全性和使用階段結(jié)構(gòu)的使用性能、承載性能，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面驗(yàn)算的前提下研究結(jié)構(gòu)的受力特征。

3 施工全過程結(jié)構(gòu)安全分析

3.1 施工過程結(jié)構(gòu)安全分析

鋼梁吊裝完成之后，吊裝預(yù)制混凝土橋面板，然后澆筑濕接縫混凝土，完成二期鋪裝，在此過程中，分以下6個(gè)階段考慮：

（1）鋼梁架設(shè)到位；

（2）吊裝預(yù)制混凝土橋面板；

（3）澆筑濕接縫；

（4）澆筑的濕接縫與橋面板連成整體，通過剪力件與鋼梁共同受力；

（5）施加二期鋪裝，完成成橋；

（6）完成結(jié)構(gòu)的收縮徐變，設(shè)定時(shí)間為成橋10 a。

對(duì)于上述6個(gè)典型施工階段，分析每個(gè)施工階段特定位置的橋面板和鋼梁受力狀況、整體結(jié)構(gòu)的位移，結(jié)果如表1。

通過表1的縱向施工階段與橫向構(gòu)件受力可知：

（1）鋼梁自身重力作用下，鋼梁的應(yīng)力水平很低，普遍低于30 MPa，位移也僅僅有8 mm，吊裝完預(yù)制橋面板和澆筑完濕接縫后，鋼梁的應(yīng)力水平也普遍低于115 MPa，說明鋼梁本身應(yīng)力水平很低，作為支架施工混凝土能夠滿足要求。

（2）鋼梁在整個(gè)橋面板吊裝過程中，應(yīng)力水平最大為156 MPa，出現(xiàn)在成橋后徐變收縮10 a，邊跨支座處下緣。應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于鋼梁工作應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全可靠，且鋼梁應(yīng)力水平較為均勻。

圖1 鋼板組合梁橋的立面布置圖（單位：cm）

圖2 鋼板組合梁橋的橫斷面布置圖（單位：cm）

圖3 鋼板組合梁橋桿系模型

表1 橋面板安裝過程鋼主梁和混凝土橋面板應(yīng)力狀態(tài)

（3）階段4橋面板開始參與受力，此時(shí)橋面板主要承擔(dān)自身重力荷載作用，應(yīng)力水平很低，拉壓應(yīng)力均在1 MPa以內(nèi)；當(dāng)二期鋪裝完成后，橋面板真正與鋼梁參與受力，應(yīng)力水平增加，且應(yīng)力的分布趨勢(shì)逐漸和鋼梁的受力保持一致；到了成橋階段，最大拉應(yīng)力達(dá)到2.14 MPa（邊跨支座處），考慮到拉應(yīng)力區(qū)域使用了C40纖維混凝土（抗拉強(qiáng)度比同等級(jí)混凝土一般提高40%～80%，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約為2.31～2.97 MPa）,因此可以認(rèn)為混凝土板的拉應(yīng)力性能儲(chǔ)備足夠，安全性有保障。

（4）整體結(jié)構(gòu)的位移在成橋時(shí)為56 mm，成橋后十年達(dá)到了63 mm，增加了7 mm，因此需要根據(jù)鋼梁的受力變形和長(zhǎng)期變形性能，設(shè)置預(yù)拱度。

3.2 局部橋面板吊裝安全分析

在組合鋼板梁橋的施工過程中，橋面板是分塊吊裝的。由于橋面板的中心不通過工字鋼梁截面的剪力中心，所以除了豎向力外，工字鋼梁還會(huì)承受一定的扭矩。此時(shí)鋼梁不僅會(huì)發(fā)生彎曲，而且還會(huì)繞剪心發(fā)生扭轉(zhuǎn)。由于鋼梁的兩側(cè)和中間分別受到支座和橫梁不同程度的約束，因此實(shí)際上產(chǎn)生的是約束扭轉(zhuǎn)，如圖4所示。

圖4 工字梁的翹曲扭轉(zhuǎn)

在約束扭轉(zhuǎn)的情況下，構(gòu)件截面縱向位移（翹曲位移）受到約束，工字鋼梁的翼緣板會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的翹曲應(yīng)力σw，其分布如圖5所示。翹曲應(yīng)力會(huì)與由彎曲作用產(chǎn)生的正應(yīng)力相互耦合疊加，因此工字鋼梁部分區(qū)域的實(shí)際應(yīng)力會(huì)大于僅按照彎曲效應(yīng)計(jì)算的應(yīng)力大小。為了保證施工過程中的安全，有必要對(duì)這一特殊的工況加以考慮和分析[1-3]。

圖5 工字梁翹曲應(yīng)力分布

工字梁的翹曲應(yīng)力的大小與梁的具體約束方式和所受的扭矩大小有關(guān)，考慮到鋼板梁的實(shí)際構(gòu)造情況，忽略小橫梁對(duì)雙主梁抗扭的作用，同時(shí)將支座位置處的大橫梁看作鋼主梁的完全抗扭連接，即將工字鋼梁的無轉(zhuǎn)動(dòng)約束長(zhǎng)度取為一跨35 m，兩端視為固接。在施工吊裝的過程中，考慮到邊板偏載產(chǎn)生的不利效應(yīng)和邊板與中板一起產(chǎn)生的彎扭耦合效應(yīng)，兩個(gè)可能的最不利工況如下。

工況1：在全跨長(zhǎng)范圍內(nèi)，吊裝邊板B1～B4。

工況2：在全跨長(zhǎng)范圍內(nèi)，吊裝邊板B1～B4和中板Z1～Z4。

相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 鋼梁約束扭轉(zhuǎn)的翹曲應(yīng)力

通過以上結(jié)果可知，沿跨長(zhǎng)方向僅吊裝邊板

B1～B4會(huì)使工字鋼梁產(chǎn)生極大的翹曲應(yīng)力，甚至超出了Q345D鋼材的屈服應(yīng)力，說明不能采取此種吊裝順序進(jìn)行施工；在橋面板全部吊裝上鋼梁，中縱縫未澆筑之前，工字鋼梁上下翼緣受到邊板和中板不平衡扭矩產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力約為55 MPa和25 MPa，而此工況下由于彎曲效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力分別為120 MPa和75 MPa，兩者疊加最大約為175 MPa，處在安全的應(yīng)力水平之內(nèi)。

由于以上分析基于理想約束條件（即完全忽略小橫梁的抗扭作用，且將支點(diǎn)橫梁視為抗扭剛性）下的扭轉(zhuǎn)計(jì)算，未考慮實(shí)際的彎扭耦合及小橫梁約束作用，因此計(jì)算結(jié)果偏于保守，不能完全真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形，實(shí)際情況需要進(jìn)一步深入分析。

4 使用階段結(jié)構(gòu)安全分析

使用階段結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的主要荷載是車輛荷載、支座沉降、整體升降溫和梯度溫差，這些荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性及其應(yīng)力分布，對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全性能分析具有重要意義。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）的設(shè)計(jì)要求，對(duì)混凝土橋面板進(jìn)行結(jié)構(gòu)荷載組合安全性分析；根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 025—86）對(duì)鋼主梁進(jìn)行荷載組合應(yīng)力分析。

4.1 持久狀況正常使用抗裂計(jì)算

關(guān)注持久狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能，主要是針對(duì)橋面板的抗裂性分析。圖6是短期效應(yīng)組合作用下橋面板上下緣的拉應(yīng)力分布，圖7是主拉應(yīng)力分布。可知上下緣均達(dá)到很大的拉應(yīng)力，且分布很均勻。上緣最大拉應(yīng)力為5.02 MPa，出現(xiàn)在邊支座；下緣最大拉應(yīng)力為3.35 MPa，同樣出現(xiàn)在邊支座位置。橋面板的主拉應(yīng)力最大值為5.02 MPa，出現(xiàn)在邊支座位置。

圖6 短期效應(yīng)組合作用下橋面板上下緣拉應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖7 短期效應(yīng)組合作用下橋面板主拉應(yīng)力分布(單位：MPa)

這些表明橋面板支點(diǎn)處受力不利，拉應(yīng)力水平較高，設(shè)計(jì)時(shí)需要配置足夠的抗拉鋼筋。

4.2 持久狀況正常使用壓應(yīng)力計(jì)算

分析標(biāo)準(zhǔn)組合作用下構(gòu)件的應(yīng)力如圖8和圖9所示。由此可知：橋面板上緣包絡(luò)都是壓應(yīng)力，最大達(dá)到5.06 MPa，出現(xiàn)在邊支點(diǎn)位置；下緣最大應(yīng)力包絡(luò)則全是拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.40 MPa。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下橋面板正應(yīng)力分布

圖9 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下橋面板主壓應(yīng)力分布

4.3 鋼梁應(yīng)力計(jì)算

圖10和圖11分別是標(biāo)準(zhǔn)組合作用下鋼梁應(yīng)力分布。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，鋼梁的應(yīng)力水平只要不超過鋼梁的允許應(yīng)力（Q345鋼材，允許應(yīng)力為210 MPa）即能滿足要求。上述應(yīng)力分布可知，鋼梁的上下緣應(yīng)力水平均在210 MPa以內(nèi)，最大發(fā)生在邊支座下緣，整體鋼梁的應(yīng)力分布較為均勻。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下鋼梁下緣應(yīng)力分布

5 結(jié)語

基于桿系模型對(duì)鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全性分析，分別計(jì)算了其在施工階段、使用過程以及荷載組合條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。主要的結(jié)論如下。

在結(jié)構(gòu)施工全過程中，鋼梁的應(yīng)力分布較為均勻，最大不超過150 MPa，變形也處在合理的范圍之內(nèi)；混凝土板應(yīng)力水平也很小，其中支座負(fù)彎矩處會(huì)出現(xiàn)2.2 MPa左右的拉應(yīng)力，但在使用纖維混凝土的條件下抗裂安全性有保障；結(jié)構(gòu)的位移在成橋是為56 mm，成橋后十年達(dá)到了63 mm，增加了7 mm，因此需要設(shè)置預(yù)拱度。

荷載組合分析主要進(jìn)行了持久狀況的正常使用抗裂驗(yàn)算和正常使用狀況下的壓應(yīng)力驗(yàn)算。可以看到，在持久狀況下，橋面板支點(diǎn)處受力不利，拉應(yīng)力水平較高，設(shè)計(jì)時(shí)需要配置足夠的抗拉鋼筋。鋼梁的應(yīng)力水平均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)總體安全是可以保證的。

由于該組合鋼板梁橋采用了特殊的結(jié)構(gòu)形式，兩根縱梁配合橫向聯(lián)系與混凝土橋面板相組合，因此其受力響應(yīng)與普通的混凝土板梁、箱梁橋存在著顯著區(qū)別。桿系模型只能考慮縱向結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，無法分析橫向聯(lián)系帶來的影響，因此基于桿系模型的許多分析結(jié)果存在著不準(zhǔn)確或不清楚的地方，如施工階段鋼主梁扭轉(zhuǎn)效應(yīng)由于小橫梁約束的不確定性使得計(jì)算結(jié)果偏于保守，汽車偏載條件下對(duì)偏載側(cè)主梁的影響可能導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確，等等。要明確這些問題，就需要建立空間的有限元模型加以考慮結(jié)構(gòu)整體的受力響應(yīng)。

[1]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2]吳沖，強(qiáng)士中.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社,2006.

[3]樊健生，聶建國(guó).鋼-混凝土組合橋梁研究及應(yīng)用新進(jìn)展[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2006(5):35-39.