鋼混組合斜腿剛構(gòu)橋節(jié)點優(yōu)化及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

■何曉暉 王 健 代 亮

(深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，深圳 518029)

1 概述

超靜定斜腿剛構(gòu)拱橋，造型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)新穎，具有設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)輕巧、施工周期短等優(yōu)點[1]。常用的斜腿剛架橋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，施工比較復雜，使用過程中會產(chǎn)生開裂等病害[2-3]，因此可以嘗試將鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)用于斜腿剛架[4]。在鋼混凝土組合斜腿鋼構(gòu)中，上部結(jié)構(gòu)采用工字型鋼梁與鋼筋混凝土橋面板結(jié)合的組合梁結(jié)構(gòu)，在組合梁與承臺之間通過型鋼混凝土斜腿進行傳力，斜腿鋼梁與主梁鋼梁作剛構(gòu)連接[5]。主梁采用組合梁的形式充分利用混凝土抗壓性能好，鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能優(yōu)的特點，二者通過剪力鍵結(jié)合，使結(jié)構(gòu)在安全性和經(jīng)濟性上達到最優(yōu)。斜腿采用型鋼外包混凝土結(jié)構(gòu)，二者不僅共同受力，并且型鋼使斜腿與鋼主梁連接簡化，混凝土增加了斜腿的穩(wěn)定性及作用傳遞至拱腳的可靠性[6-7]。

鋼-砼組合梁結(jié)構(gòu)在歐美、日本各國發(fā)展較早，編制了相應(yīng)的設(shè)計標準或規(guī)范，但是這些規(guī)范主要是針對鋼板梁以及閉截面鋼箱梁的組合截面形式，體系上也主要是著重在技術(shù)上比較成熟的簡支梁橋。從國外及國內(nèi)的具有代表性的已建橋例來看，設(shè)計構(gòu)思各異，僅針對所建橋梁開展了相應(yīng)的研究工作，還未形成可供參考的具有共性的設(shè)計理論及方法，并且未出現(xiàn)本設(shè)計中采用組合梁斜腿剛構(gòu)體系的橋梁形式，其受力與普通的工字鋼組合梁橋受力特點有很大差異[8]。因此有必要針對這種新型組合橋型專項的主梁穩(wěn)定性及加勁構(gòu)造優(yōu)化分析高精度數(shù)值模擬計算，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、技術(shù)合理性以及經(jīng)濟性，為后續(xù)的設(shè)計和施工積累必要的經(jīng)驗。

2 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 橋梁概述

隨著合肥市城市建設(shè)和交通事業(yè)的快速發(fā)展，早期建設(shè)的橋梁已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在城市的通行需求，合肥市長江路老橋使用已達35年，同時原橋梁設(shè)計荷載等級較低(汽-15)。經(jīng)過橋梁檢測，該橋主結(jié)構(gòu)的承載能力已嚴重不足；同時合肥地鐵一號線區(qū)間位置與該橋重疊，且該橋也不滿足新建道路路口交通設(shè)計設(shè)計要求，需要對其進行拆除重建。根據(jù)前期方案設(shè)計和征求市民的意見，在綜合分析技術(shù)、經(jīng)濟、工期、施工條件等因素下，新建長江路橋梁方案確定采用上承式斜腿剛架拱橋結(jié)構(gòu)，為超靜定結(jié)構(gòu)體系。主要技術(shù)標準為：(1)道路等級：城市快速路；(2)設(shè)計行車速度：80km/h；(3)荷載等級：公路-I級；(4)橋面寬度：雙幅布置，單幅橋?qū)?5.5m；(5)地震作用：地震動峰值加速度0.1g。

全橋橋長77.6m，主跨55.16m，單幅橋?qū)挒椋?m(人行道)+3.5m(非機動車道)+19m(機動車道)=25.5m。主梁采用變高度鋼-混組合梁，斜腿采用等高度鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)總體布置見圖1。

上部主體結(jié)構(gòu)采用鋼-混凝土組合工字梁結(jié)構(gòu)，單幅橋縱向共有7片工字型梁，縱梁橫向間距3.6m；各縱梁間沿縱向每隔3.8～4.0m設(shè)置一道橫梁，主梁上翼緣板寬為 0.6m，板厚25mm，下翼緣板寬0.6m，板厚40mm，縱梁腹板沿縱向變高度，在與斜腿結(jié)合處高度最大；橋面采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚0.3～0.4m，橫斷面布置見圖2。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)整體有限元模型

圖1 總體布置圖

圖2 半幅橋橫斷面布置圖(單位cm)

本工程橋梁為主梁變高度的組合梁斜腿剛構(gòu)橋，在中支點剛構(gòu)節(jié)點處，不僅主梁高度變化，并且主梁與斜腿的連接構(gòu)造也十分復雜，如何將上部結(jié)構(gòu)承擔的荷載安全、有效、平順的傳遞至斜腿以及斜腿以下的承臺是設(shè)計工作中至關(guān)重要的問題，斜腿部分的構(gòu)造對橋梁總體受力也有一定的影響[9]。結(jié)構(gòu)總體采用有限元分析對橋梁整體進行分析，著重分析中支點節(jié)點處變高度主梁及斜腿連接處的受力情況及其穩(wěn)定性，并通過調(diào)整局部加勁構(gòu)造優(yōu)化橋梁的局部受力，提高橋梁穩(wěn)定性[10-11]。

利用通用有限元軟件對全橋進行實體-板殼建模，混凝土橋面板及混凝土斜腿采用實體單元模擬，鋼主梁及斜腿內(nèi)的型鋼采用板殼單元模擬。本計算中認為斜腿與混凝土承臺由良好的結(jié)合，斜腿固結(jié)在混凝土承臺上，邊跨支點處除中間主梁約束豎向及橫橋向位移，其他縱向主梁僅約束豎向位移，所有支點均可沿順橋向移動，如圖所示。有限元計算中通過對生死單元模擬施工工況。

3 節(jié)點優(yōu)化設(shè)計和受力分析

3.1 原有節(jié)點設(shè)計及結(jié)果分析

橋梁原有主梁變高度處加勁設(shè)計如

圖所示，主要通過三道豎向加勁以及結(jié)合部的斜向加勁傳遞荷載，并設(shè)置水平加勁承擔順橋向的應(yīng)力作用。

主梁腹板及上下翼緣的Mises應(yīng)力構(gòu)造示意圖如圖5所示，在中支點附近主梁靠近上翼緣處受到的應(yīng)力較小，主梁靠下翼緣處收到的應(yīng)力較大，并且應(yīng)力較大處集中在下翼緣處，主梁應(yīng)力分布較不均勻，且應(yīng)力傳遞路徑不明確。

3.2 主梁節(jié)點優(yōu)化設(shè)計及結(jié)果分析

考慮到原有設(shè)計中主梁傳力主要靠下翼緣傳遞，其應(yīng)力較大，為分擔下翼緣的應(yīng)力，在主梁靠近下翼緣位置處設(shè)置一道與下翼緣平行的加勁肋，同時調(diào)整其他位置的加勁構(gòu)造，具體調(diào)整如圖6所示。并且在靠近行車道側(cè)的邊側(cè)主梁上的加勁為雙面布置，防止在偏載的不利影響下最邊側(cè)主梁發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖4 原有加勁設(shè)計構(gòu)造示意圖

圖5 原有設(shè)計主梁節(jié)點Mises應(yīng)力

調(diào)整主梁構(gòu)造后，主梁應(yīng)力傳遞主要靠下翼緣板及平行的加勁共同承擔，應(yīng)力得到較大的分擔；主梁應(yīng)力較為均勻，應(yīng)力較大的區(qū)域增加，進一步分散了主梁的應(yīng)力。在加勁端部有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力水平不高。

4 節(jié)點優(yōu)化前后的機結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定性分析

4.1 原設(shè)計橋梁總體穩(wěn)定性分析

4.1.1 成橋使用階段1：恒載作用

圖3 橋梁模型及約束條件

由于有欄桿等二期恒載的偏載作用，主梁在最外側(cè)的主梁上會最先發(fā)生失穩(wěn)，失穩(wěn)的前兩個模態(tài)如圖8所示。屈曲系數(shù)約為9，穩(wěn)定性較好。主要的失穩(wěn)位置為從跨中向邊跨第四與第五個橫隔梁之間。

4.1.2 成橋使用階段2：恒活載共同作用

所有主梁最外側(cè)邊梁的加勁均為單面布置，而當車輛荷載滿布于車道上時，橋梁整體處于偏載作用，故最外側(cè)邊梁最先發(fā)生失穩(wěn)，失穩(wěn)模態(tài)如圖9所示。主要的失穩(wěn)位置仍為從跨中向邊跨第四與第五個橫隔梁之間。屈曲系數(shù)均超過5，穩(wěn)定性較好。

4.2 優(yōu)化設(shè)計后橋梁總體穩(wěn)定性分析

4.2.1 成橋使用階段1：恒載作用

在恒載作用下，由于有欄桿等二期恒載的偏載作用，主梁在最外側(cè)的主梁上會最先發(fā)生失穩(wěn)，失穩(wěn)的前兩個模態(tài)如圖10所示。屈曲系數(shù)均超過10，穩(wěn)定性較好。主要的失穩(wěn)位置為從跨中向邊跨第四與第五個橫隔梁之間。

4.2.2 成橋使用階段2：恒活載共同作用

當車輛荷載滿布于車道上時，橋梁整體處于偏載作用。但由于最內(nèi)側(cè)主梁加勁為雙面布置，其穩(wěn)定性較好，故相對的內(nèi)側(cè)第二片主梁會先于最內(nèi)側(cè)主梁失穩(wěn)，失穩(wěn)模態(tài)如圖11所示。主要的失穩(wěn)位置仍為從跨中向邊跨第四與第五個橫隔梁之間。屈曲系數(shù)均超過5，穩(wěn)定性較好。

圖6 優(yōu)化后加勁布置設(shè)計示意圖

圖7 優(yōu)化設(shè)計后主梁節(jié)點Mises應(yīng)力

圖8 恒載作用下橋梁屈曲模態(tài)

圖9 滿布車輛荷載作用下橋梁屈曲模態(tài)

圖10 恒載作用下橋梁屈曲模態(tài)

圖11 滿布車輛荷載作用下橋梁屈曲模態(tài)

4.3 優(yōu)化設(shè)計前后橋梁總體穩(wěn)定性對比

經(jīng)過節(jié)點優(yōu)化設(shè)計后，在恒載作用下橋梁最先發(fā)生失穩(wěn)以及主要失穩(wěn)位置不變，但屈曲系數(shù)有一定的提高。在恒活載共同作用下，橋梁最先發(fā)生失穩(wěn)位置變化，主要失穩(wěn)位置不變，屈曲系數(shù)均超過5，橋梁總體穩(wěn)定性有所提高。

5 結(jié)論

(1)提出了組合梁斜腿剛構(gòu)橋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土斜腿剛架橋，主梁采用組合梁充分利用混凝土抗壓性能好，鋼結(jié)構(gòu)抗拉性能優(yōu)的特點。斜腿采用型鋼外包混凝土結(jié)構(gòu)，二者共同受力，并且型鋼使斜腿與鋼主梁連接簡化，混凝土增加了斜腿的穩(wěn)定性及作用傳遞至拱腳的可靠性。

(2)采用鋼混組合結(jié)構(gòu)的上承式斜腿剛架拱橋新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，中支點剛構(gòu)主梁高度變化形成異形節(jié)點，主梁與斜腿的連接構(gòu)造復雜。通過調(diào)整局部加勁構(gòu)造，對斜腿剛構(gòu)的主梁進行節(jié)點優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)對比分析，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的主梁應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力傳遞路徑明確，有效防止在偏載的不利影響下最邊側(cè)主梁發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

(3)利用通用有限元軟件對全橋進行實體-板殼建模，進行橋梁結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定性分析，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的橋梁屈曲系數(shù)提高，總體穩(wěn)定性有進一步提升。