鋼混組合板梁與裝配式T梁橋墩抗震性能對比研究

賀 煒

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

鋼混組合結構是20世紀發展起來的一種新型結構型式，眾所周知，混凝土具有很強的抗壓性能和較高的剛度，但其抗拉性能卻很低；而鋼材力學性能突出，強度高且耐久性好，但因一般均為薄壁結構，其穩定性較差。鋼混組合結構充分發揮了兩種材料各自的力學優勢，使鋼材受拉、混凝土受壓，組合后共同承擔荷載，大大提高了材料的使用性能。大量的工程實例表明，組合結構不僅具有良好的受力性能，而且繼承了鋼結構和混凝土結構各自在施工性能、耐久性、經濟性等方面的優點，因此可以說在綜合效益上具有強大的競爭力[1]。

1 概況

本文選取了某高速公路上常見的路基寬度26 m的雙向六車道橋梁作為研究對象，橋跨布置為4×40 m。上部結構：鋼混組合板梁由4片工字型鋼主梁組成，每個鋼主梁由3塊鋼板焊接而成，梁高2 050 mm，橋面板厚250 mm；預應力裝配式T梁由6片混凝土T梁組成，梁高為2 500 mm。上部結構斷面如圖1、圖2所示。下部結構：橋墩采用等截面矩形空心薄壁墩，截面見圖3所示，縱橋向寬度B根據墩高不同選擇；基礎：整體式矩形承臺接群樁基礎。

圖1 鋼混組合板梁橋斷面（單位：mm）

圖2 裝配式預應力混凝土T梁梁面

圖3 橋墩典型斷面(單位：cm)

2 模型建立

本文針對鋼混組合板梁橋抗震性能展開討論，通過有限元程序Midas對研究對象橋梁建立空間分析模型，鋼混組合板梁采用梁格模型，預應力裝配式T梁采用單梁模型?？拐鸱治鲆?×40 m一聯橋為研究對象，并建立包含該聯前、后各聯橋梁，以考慮臨聯結構及邊界的影響[2]。

裝配式T梁上部主梁采用C50混凝土，組合鋼板梁主梁采用Q345，橋面板采用C50混凝土；下部橋墩、蓋梁均采用C40混凝土；承臺、樁基采用C30混凝土。樁土作用按m法確定樁側土彈簧剛度，土的抗力系數m值在地震工況下一般取2～3倍的靜力值，根據地質條件，m值取為20 000 kN/m4，[3]全橋有限元模型如圖4所示。

圖4 全橋有限元模型

3 抗震分析

為了研究地震效應對鋼混組合板梁橋和裝配式預應力混凝土T梁橋的影響，選取了3條地震波進行輸入，地震作用組合采用：順橋向地震+恒載和橫橋向地震+恒載兩種工況。3條地震波時程曲線如圖5～圖7所示。

圖5 波1時程曲線

圖6 波2時程曲線

圖7 波3時程曲線

3.1 橋墩內力分析

各主墩地震效應見表1～表4。

表1 鋼混組合板梁在順橋向地震+恒載作用下效應

表2 鋼混組合板梁在橫橋向地震+恒載作用下效應

分析表1、表2發現，各墩豎向軸力基本相當，由于橋墩的橫向抗推剛度相對于縱向要大，因此順橋向地震效應較橫橋向地震小許多。

表3 裝配式混凝土T梁在順橋向地震+恒載作用下效應

表4 裝配式混凝土T梁在橫橋向地震+恒載作用下效應

分析表1～表4發現，由于裝配式混凝土T梁較鋼混組合板梁自重重許多，鋼混組合板梁橋下部地震效應約為裝配式混凝土T梁的40%，從而可以減少下部工程規模，降低工程造價。

3.2 橋墩位移分析

在地震波作用下，橋墩墩頂位移量如表5、表6所示。

分析表5、表6可見，鋼混組合板梁橋地震作用下墩頂位移量相比混凝土T梁明顯減小，縱向降幅17%～41%，平均約30%；橫向降幅39%～55%，平均約45%。

表5 地震作用下墩頂縱向變形

表6 地震作用下墩頂橫向變形

4 經濟指標

通過對裝配式預應力混凝土T梁及鋼混組合板梁，從施工及上部材料用量上進行對比。

表7 上部結構材料及施工對比表

通過分析比較可以得出，組合鋼板梁鋼材用量大，但混凝土、鋼筋的用量遠小于T型梁，每平米用量分別為T梁的50%、38%。并且全壽命周期成本優勢較混凝土明顯，在現代橋梁建設的需求下，鋼混組合板梁由于受力性能好、工期短、施工便利，在40 m跨徑下是一個很好的結構形式。

5 結語

本文通過抗震分析和經濟指標兩個方面對鋼混組合板梁與裝配式預應力混凝土T梁進行了對比，得出以下結論：

a）地震效應方面 由于鋼混組合板梁自重較預制T梁輕很多，橋墩在地震作用下效應明顯降低，墩底內力約為裝配式T梁的40%，從而降低下部工程規模。

b）從主要材料指標對比 綜合比較橋梁的上部結構組成部分，盡管組合鋼板梁鋼材用量大，但是混凝土、鋼筋的用量遠小于T型梁，綜合單價相比T梁低，且耐久性好，全壽命周期成本低，使得鋼混組合板梁在中小跨徑中具有較為明顯經濟優勢。