鋼-混雙組合連續梁抗彎性能研究

陳齊風，李麗琳，郝天之，于孟生

(廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

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鋼-混雙組合連續梁抗彎性能研究

陳齊風，李麗琳，郝天之，于孟生

(廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

文章提出一種負彎矩區設置鋼管混凝土的工字型截面鋼-混凝土雙組合連續梁結構形式，并采用有限元方法，分析了該連續梁結構的抗彎性能，結果顯示：由于增設了下翼緣鋼管混凝土截面，該組合梁結構在負彎矩段的截面抗彎剛度大幅上升，減小組合連續梁負彎矩區上翼緣混凝土板拉應力及開裂，增加了連續梁整體剛度，減小了跨中撓度；腹板的受壓邊界受到鋼管混凝土強有力的約束，腹板承受的彎曲正應力、局壓應力大幅下降，腹板高度減小，腹板板件的抗屈曲能力大幅上升；底板受到混凝土的約束，抗屈曲能力亦大幅上升。

鋼-混雙組合連續梁；鋼管混凝土；抗彎性能；負彎矩區

0　引言

鋼混組合梁橋具有結構受力性能合理，跨越能力大，橋面鋪裝性能好的優點，最近被廣泛運用到橋梁工程實踐中。與純鋼連續梁相比，鋼-混組合連續梁具有截面剛度大，板件整體穩定性高的優點，而與預應力混凝土連續梁對比，鋼-混組合連續梁的橋梁恒載小，跨越能力大，施工快速方便，由此可見，鋼-混組合連續梁綜合了鋼橋連續梁與混凝土連續梁的優點，具有廣闊的運用前景。但是傳統的鋼混組合連續梁的不足之處在于其負彎矩區截面處于混凝土受拉，鋼梁受壓的不利受力狀態下，易使負彎矩區混凝土板開裂，同時鋼梁底板腹板的局部屈曲，大幅降低鋼混組合連續梁負彎矩區的延性，危及結構的安全性能與使用性能。

針對于鋼混組合連續梁橋負彎矩區的不利受力狀態及橋面板開裂問題，國內外許多學者開展了相關的研究，德國學者雷納最早提出在鋼混組合連續梁橋支點附近鋼梁下翼緣增設混凝土板[1]，形成雙組合連續梁橋，并在委內瑞拉的卡羅尼河橋、德國美因河大橋上成功應用，工程應用效果表明，這種設計增大了鋼-混組合連續梁橋的剛度與跨越能力、降低了造價。與普通鋼混組合連續梁對比，雙組合連續梁負彎矩區抗彎剛度大，受力性能更為合理；聶建國等研究了大跨徑鋼混組合連續箱梁的雙重組合作用，在連續組合箱梁負彎矩區下翼緣設置混凝土板，對下翼緣混凝土板的板與主跨長度之比Lc/L以及混凝土板厚度與鋼梁高度之比兩個參數進行了分析，結果表明雙重組合梁有效降低了下翼緣的壓應力，并使跨中的撓度與彎矩減小10%[2]；聶健國等研究U型鋼雙組合轉換梁，這種轉換梁負彎矩區全截面填充混凝土，較普通組合梁剛度顯著提高[3-4]；劉玉擎、吳沖等研究了雙組合箱形連續梁橋負彎矩區結構受力特性，結果顯示：與普通組合箱梁對比，其負彎矩區頂板的開裂荷載提高達20%，極限荷載提高達17%以上[5-6]；段樹金等研究了工字型等截面形狀的雙組合連續梁受力特性，其剛度、極限承載能力較普通組合連續梁提升10%～20%[7-8]；Akbar提出在鋼混組合連續梁負彎矩段腹板下方部位設置鋼板，以提升負彎矩區腹板的抗局部屈曲能力，并進一步提升梁段負彎矩區的抗彎剛度[9]。

由研究現狀可知，組合梁負彎矩區處在混凝土板受拉、鋼梁下翼緣板受壓的不利受力狀態下，為此，本文提出了一種在負彎矩區下翼緣加焊封閉鋼箱，并灌注混凝土的雙組合梁結構形式，并通過有限元方法，對設置負彎矩鋼箱的雙組合梁與普通組合連續梁進行對比分析，研究負彎矩鋼箱的設置對組合梁抗彎特性及負彎矩區屈曲特性的影響。

1　新結構的提出

本項目通過優化分析工字型鋼混組合連續梁橋的受力特性和施工工藝，提出在工字型鋼混組合連續梁負彎矩區下翼緣加焊鋼板，形成矩形封閉箱體，在箱體內灌注細骨料連續級配混凝土，最終形成下翼緣設置鋼管混凝土的雙組合連續梁，如圖1所示，該連續梁具有受力合理、結構簡單、便于預制、施工便捷的優點。由于增設了下翼緣鋼管混凝土截面，該組合梁結構在負彎矩段的截面抗彎剛度大幅增強，下翼緣鋼板受到混凝土約束，局部屈曲性能顯著上升；腹板的受壓邊界受到鋼管混凝土的約束，同時腹板承受的彎曲正應力、局壓應力大幅下降，腹板高度減小，腹板板件的抗屈曲能力亦大幅上升。

圖1　負彎矩設置鋼箱混凝土的雙組合梁與普通組合梁對比圖

①為加焊的鋼箱板；②為灌注孔；③為下翼緣板；④為腹板；⑤為鋼箱內剪力釘；⑥為鋼箱高度

圖2雙組合梁負彎矩區鋼箱設置示意圖

2　有限元分析

2.1有限元模型

圖3　組合連續梁有限元模型加載示意圖

本節對本文提出的雙組合梁及同尺寸普通組合連續梁進行有限元對比分析，該雙組合梁布置形式為(2×30)m，鋼梁采用qD345，混凝土板采用C50混凝土。雙組合梁有限元模型參數選取如表1所示。負彎矩區鋼箱的尺寸為長2 m，高300 mm。普通組合連續梁除未設置負彎矩區下翼緣鋼箱與混凝土外，其他結構構件尺寸均與雙組合梁相同，雙組合梁及普通組合梁的有限元模型如圖4所示。

表1　有限元模型主要結構尺寸表

表2　有限元模型單元列表

2.2組合梁應力與撓度分析結果

組合梁計算結果表現為近支座區為受負彎矩作用，跨中區域為正彎矩作用，在近支座區若未設置下翼緣鋼箱及灌注混凝土體，則會出現鋼梁受壓，混凝土板受拉的不利受力狀態，不僅橋梁的極限承載能力小，而且近支座區開裂的混凝土板的耐久性會大幅下降。

(a)雙組合梁有限元模型(負彎矩區下翼緣設置鋼箱)

(b)普通組合梁有限元模型(負彎矩區下翼緣無鋼箱)

本文的組合梁承受的荷載包括梁體自重及跨中施加的等效公路1級荷載，此片梁按照邊梁計算，等效的公路1級荷載在跨中的等效豎向力共計56 T。

由下頁圖5～14對比可知，負彎矩區添加了鋼箱形成的雙組合梁，其跨中正應力由15.98 MPa下降到14.91 MPa，跨中撓度由4.12 mm下降到3.80 mm；剪應力由12.51 MPa下降到12.24 MPa；負彎矩區上翼緣混凝土板的最大拉應力由2.12 MPa下降到1.86 MPa；負彎矩區鋼梁的最大壓應力由-51.86 MPa下降到-36.67 MPa，最大拉應力由8.22 MPa下降到6.78 MPa，具體對比數據如表3所示。

表3　兩種組合梁結構的有限元計算結果對比表

對比圖14與圖9可知，負彎矩區下翼緣在增加了鋼箱、灌注了混凝土體后，負彎矩區下翼緣的正應力(非應力最大點，取為范圍較大的應力區域)由19.28 MPa下降到11.73 MPa，可見負彎矩區增加的鋼箱及灌注的混凝土體使得負彎矩區下翼緣的應力大幅降低。

圖5　雙組合梁在公路1級荷載作用下的正應力圖

圖6　雙組合梁在公路1級荷載作用下的剪應力圖

圖7　雙組合梁在公路1級荷載作用下的撓度圖

圖8　雙組合梁負彎矩混凝土板在公路1級荷載下的應力圖

圖9　雙組合梁負彎矩鋼梁在公路1級荷載作用下的應力圖

圖10　普通組合梁在公路1級荷載作用下的正應力圖

圖11　普通組合梁在公路1級荷載作用下的剪應力圖

圖12　普通組合梁在公路1級荷載作用下的撓度圖

圖13　普通組合梁負彎矩混凝土板在公路1級荷載下的應力圖

圖14　普通組合梁負彎矩鋼梁在公路1級荷載作用下的應力圖

2.3雙組合梁屈曲模態分析

(a)下翼緣主屈曲模態

(b)腹板次屈曲模態

(a)下翼緣主屈曲模態

(b)腹板次屈曲模態

對比圖15與圖16可知，在增加了負彎矩區的鋼箱，灌注混凝土形成雙組合梁后，梁體的屈曲特性發生變化，主屈曲模態由靠近支座的翼緣變化到設置鋼箱外側部位翼緣，次屈曲模態亦由支座附近的腹板變化到鋼箱設置末端的腹板處，臨界屈曲應力系數由11.5上升到21.5，這是由于負彎矩區梁段的下翼緣截面尺寸增加，不僅使下翼緣的正應力由19.28 MPa下降到11.73 MPa，而且灌注的混凝土體還對下翼緣鋼板及腹板起到良好的嵌固作用，改進了組合梁的受力性能，使得組合梁的臨界屈曲應力系數大幅上升。在改進結構后，組合梁全梁的臨界屈曲應力已經大大超過鋼材Qd345的材料強度設計值。

3　結語

本文提出了一個種新型的雙組合連續梁結構，基于有限元建模方法，分別對雙組合梁及對應尺寸的普通組合梁進行了有限元模擬分析，計算了在公路1級荷載下組合梁的應力、撓度等彎曲性能以及屈曲模態，獲得以下具體結論：

(1)通過在組合梁負彎矩區下翼緣設置鋼箱并灌注混凝土，形成雙組合梁，其彎曲性顯著提高，主要體現在：其跨中正應力下降6.67%；跨中撓度下降7.77%；剪應力下降2.12%；負彎矩區上翼緣混凝土板的最大拉應力下降12.26%；負彎矩區鋼梁的最大壓應力下降29.29%，最大拉應力下降17.52%。由以上計算數據可知，雙組合梁可以顯著降低負彎矩區下翼緣的壓應力與混凝土板拉應力，并有效降低了跨中的撓度與應力。

(2)基于屈曲分析可知，在負彎矩區增加了鋼箱，灌注混凝土形成雙組合梁后，梁體的屈曲特性發生變化，主屈曲模態由靠近支座的翼緣變化到設置鋼箱外側部位翼緣，次屈曲模態亦由支座附近的腹板變化到鋼箱設置末端的腹板處，組合梁整體臨界屈曲應力系數顯著上升，由11.5上升到21.5，說明與普通組合梁結構對比，本文的新型雙組合梁結構的負彎矩區的鋼梁抗屈曲能力有了顯著提升。

(3)本文提出的新型組合結構受力較普通組合梁更為合理，施工過程簡單方便，在橋梁工程建設領域有一定的推廣價值。

[1]雷納·紹爾.雙面結合梁橋[J].鐵道標準設計，1997(9)：4-8.

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[3]聶建國，朱喻之，樊健生.鋼-混凝土組合轉換框架試驗研究[J].建筑結構學報，2009，30(4)：30-37.

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[9]Akbar Vasseghi.Improving strength and ductility of continuous composite plate girder bridges[J].Journal of Constructional Steel Research，2009，65：479-488.

Study on Flexural Performance of Steel-Concrete Double Composite Contin-uous Girder

CHEN Qi-feng，LI Li-lin，HAO Tian-zhi，YU Meng-sheng

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

This article presented a structure form of setting the CFT I-shaped section steel-concrete double composite continuous girder at negative moment zone，and by using the finite element method，it analyzed the flexural performance of this continuous girder structure，the results showed that：due to the addition of lower flange CFST sections，the sectional flexural stiffness of this composite girder structure sharply rises at negative moment segment，which reduced the tensile stress and crack of up-per flange concrete slab of composite continuous girder at negative moment area，increased the overall stiffness of continuous girder，and reduced the deflection between spans；the web compression bound-ary is under strong CFST constraint，the positive bending stress and local pressure borne by the webs dropped significantly，with the decrease of web height，and the buckling capacity of web plates in-creased substantially；and under the concrete constraint，the anti-buckling capacity of bottom slab also increased substantially.

Steel-concrete double composite continuous girder；Concrete filled steel tube；Flexural properties；Negative moment area

2016-03-29

U448.21+5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.011

1673-4874(2016)06-0037-06

陳齊風(1986—)，工程師，研究方向：鋼混組合橋梁；

李麗琳(1985—)，工程師，研究方向：橋梁設計與養護；

郝天之(1980—)，高級工程師，研究方向：橋梁設計與養護；

于孟生(1989—)，碩士研究生，研究方向：橋梁健康監測。