天門口特大橋30 m鋼混組合工字梁受力研究

劉 劍

(中電建冀交高速公路投資發展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

鋼混組合橋具有很多優點，其充分發揮了鋼材和混凝土的優良特性，且自身重量小、強度高、剛度大、施工便捷，是我國現階段橋梁施工中應用較多的橋型[1-5]。但是目前對鋼混組合橋梁的受力分析研究還不多，本文以天門口特大橋為工程背景，對天門口特大橋30 m鋼混組合工字梁橋進行施工階段和成橋階段內力分析，為本工程的順利、安全、快速施工提供保障。

1 工程概況

天門口特大橋位于津石高速公路津冀界至保石界段，為鋼混組合工字梁橋，長1 587 m，制作量約10 000 t，構件約6 000件。主橋上部結構由5片長30 m鋼混工字梁組合梁的通用單元結構栓接而成，其中包括2片外主梁和3片內主梁，組合梁橋面全寬16.512 m。鋼主梁為工字型直腹板鋼梁，中心線位置梁高1.64 m，間距為3.4 m，由變厚度的頂、底、腹板焊接而成，其中頂板厚25 mm、底板厚35 mm、腹板厚13 mm。梁間由高強度螺栓連接，橋面板與梁由剪力焊釘焊接，橫向布置4個焊接點，縱向按120～320 mm間距焊接，焊釘尺寸統一為240 mm×22 mm。

5片鋼混工字梁之間的橫向聯系由橫梁加強，間距為5.0 m。端、中橫梁采用焊接工字型截面形式的實腹式橫梁，橫梁頂板和底板、端橫梁腹板均為16 mm的等厚鋼板，中橫梁則為20 mm等厚鋼板，之間通過豎向加勁筋與工字梁腹板連接在一起，同時設置臨時起頂構造。

現澆橋面板為鋼筋混凝土結構。標準梁段橋面板標準厚度為25 cm，鋼梁支撐處板厚加厚至35 cm。橋面板下設6 mm永久鋼模板，形成組合結構。

2 計算模型

2.1 有限元模型

全橋縱向計算時考慮橋面板之間的橫向連接作用，采用Midas Civil軟件模擬施工階段聯合截面鋼縱梁與橋面板的實際受力過程，結合施工步驟對結構進行離散化。全橋按空間網格建模，全橋共835個節點，1 460個單元，建立全橋有限元模型如圖1、圖2所示。

圖1 組合橋梁Midas有限元模型圖

圖2 橫梁處模型標準橫斷面圖

2.2 計算荷載及荷載組合

2.2.1 計算荷載

自重：模型中混凝土及內部鋼筋重量，容重為90 kN/m3；二期恒載：二期恒載包括橋面鋪裝、防撞護欄等，以均布荷載計入，組合梁為8 cm厚C50混凝土+10 cm厚瀝青混凝土，防撞護欄取單側12.2 kN/m；活載：汽車荷載等級為公路-I級，按單向4車道加載，荷載及沖擊系數按相關規定取值，并按1.3倍汽車荷載進行驗算；溫度作用：全橋整體溫升25 ℃，整體溫降25 ℃，組合梁梯度溫差應按規范規定的梯度溫度進行計算，瀝青混凝土鋪裝厚100 mm時，日照正溫差T1采用14 ℃，T2采用5.5 ℃，日照反溫差T1采用-7 ℃，T2采用-2.75 ℃；混凝土收縮徐變：采用C50微膨脹混凝土，計算中不計入混凝土收縮作用，徐變效應按相關規定取值計算；基礎沉降：基礎不均勻沉降取5 mm計算。

2.2.2 荷載組合

成橋階段的分析考慮恒載、活載、溫度、沉降作用，根據規范要求進行最不利組合。

基本組合：1.1[(1.2恒載+1.0不均勻沉降+1.0徐變)+1.4汽車(含沖擊力)+0.75(1.4體系升/降溫+1.4梯度升/降溫)]；標準值組合：(1.0恒載+1.0不均勻沉降+1.0徐變)+1.0汽車(不含沖擊力)+1.0體系升/降溫+1.0梯度升/降溫；短期效應組合：(1.0恒載+1.0不均勻沉降+1.0收縮徐變)+0.7汽車(不含沖擊力)+1.0體系升/降溫+0.8梯度升/降溫。

3 計算結果分析

3.1 施工階段受力分析

應力驗算應滿足組合梁不同受力階段的要求。施工過程中，在混凝土橋面板澆筑并達到設計強度之前，鋼梁橫向聯系、澆筑混凝土和模板的重量等，應由鋼梁承擔；在混凝土橋面板達到設計強度之后，二期恒載、活載、溫度荷載以及支座沉降荷載應由鋼梁和橋面板形成的組合截面共同承擔。經計算，整個施工階段過程中鋼梁上、下緣和橋面板上、下緣應力包絡如圖3～10所示。

圖3 施工階段鋼梁上緣最大應力云圖(MPa)

圖4 施工階斷鋼梁上緣最小應力云圖(MPa)

圖5 施工階段鋼梁下緣最大應力云圖(MPa)

圖6 施工階斷鋼梁下緣最小應力云圖(MPa)

圖7 施工階段橋面板上緣最大應力云圖(MPa)

圖8 施工階斷橋面板上緣最小應力云圖(MPa)

圖9 施工階段橋面板下緣最大應力云圖(MPa)

圖10 施工階斷橋面板下緣最小應力云圖(MPa)

依據規范，在施工過程中應對組合梁進行承載力和穩定性驗算，必要時進行抗傾覆驗算。在進行承載力驗算時采用基本組合荷載進行驗算。依據規范，組合梁抗彎承載力應采用線彈性方法計算，并應符合下列規定：

(1)

式中：Md，i——鋼梁或組合截面在不同應力階段對應的彎矩設計值；

Weff，i——鋼梁或組合截面在不同應力階段對應的抗彎模量；

f——結構不同材料的強度設計值。

經計算，基本組合下，鋼梁最大拉應力為1.2×93.7=112.4 MPa<270 MPa；鋼梁最大壓應力為1.2×113.0=135.6 MPa<270 MPa；橋面板最大壓應力為1.2×3.4=4.1 MPa<22.4 MPa。結果表明，全部施工過程中結構承載能力滿足要求。

3.2 成橋階段受力分析

3.2.1 持久狀況承載能力極限狀態計算

(1)組合梁抗彎承載力計算

組合梁截面抗彎承載力應采用線彈性的方法進行計算，以截面上任意一點達到材料強度設計值作為抗彎承載力的標志，并應考慮所有可能同時出現的荷載作用。計算中考慮恒載、支座沉降、汽車荷載、梯度溫度、體系溫度作用，其中汽車荷載按照四車道偏載布置，按照基本組合乘以各自的分項系數。基本組合下，鋼梁上、下緣及橋面板上、下緣應力包絡圖如圖11～14所示。

圖11 基本組合鋼梁上緣應力云圖(MPa)

圖12 基本組合鋼梁下緣應力云圖(MPa)

圖13 基本組合橋面板上緣應力云圖(MPa)

圖14 基本組合橋面板下緣應力云圖(MPa)

由圖可以看出，基本組合下，鋼梁最大拉應力位于邊梁邊跨跨中上緣，為265 MPa，小于鋼材抗拉設計強度270 MPa，滿足規范要求；鋼梁最大壓應力位于邊梁邊跨中支點下緣，為-244.4 MPa，小于鋼材抗壓設計強度270 MPa，滿足規范要求。

基本組合下，混凝土橋面板的最大壓應力位于邊梁跨中截面上緣，為-11.2 MPa，小于混凝土抗壓強度設計值22.4 MPa；最大拉應力位于邊梁中支點截面上緣，為10.6 MPa，遠大于混凝土抗拉強度設計值1.83 MPa，此時混凝土橋面板開裂。

(2)組合梁豎向抗剪承載力驗算

根據規范，豎向剪力設計值可取聯合截面最大剪力計算值，并由鋼梁腹板承擔。組合梁豎向抗剪，經計算在支點位置剪力最大，需驗算支點的截面豎向抗剪承載力。此時，組合梁中支點最大剪力為2 983 kN，端支點最大剪力為2 319 kN。對其進行驗算有：

γ0vvd≤Vvu，Vvu=fvdAW

(2)

經驗算，中支點γ0vvd=2 983 kN<(14×1 585)×155/1 000=3 439 kN；端支點γ0vvd=2 319 kN<(12×1 605)×155/1 000=2 985 kN，結果表明組合梁豎向抗剪承載力滿足要求。

3.2.2 持久狀況正常使用極限狀態驗算

(1)持久狀況正常使用極限狀態橋面板正截面壓應力驗算

以彈性階段的橋面板正截面壓應力驗算荷載為標準值，計算結果如圖15、圖16所示。

圖15 標準組合橋面板上緣應力云圖(MPa)

圖16 標準組合橋面板下緣應力云圖(MPa)

經驗算，組合梁混凝土頂板在標準值組合下出現最大壓應力8.3 MPa，小于規范中C50混凝土σkc+σpt=16.2 MPa限值，滿足要求。

(2)持久狀況正常使用極限狀態橋面板裂縫寬度驗算

組合梁橋面板為鋼筋混凝土構件，按鋼筋混凝土構件驗算。使用階段混凝土橋面板在荷載短期效應組合下正截面應力主要計算結果如圖17、圖18所示。

圖17 短期組合橋面板上緣應力云圖(MPa)

圖18 短期組合橋面板下緣應力云圖(MPa)

可以看出，短期組合下橋面板的最大拉應力位于邊梁中支點截面上緣，為7.0 MPa，大于混凝土極限抗拉強度設計值1.83 MPa，提取該截面的內力進行裂縫寬度驗算。計算得截面處最大軸力N=4 463 kN，相應彎矩設計值M=16 kN·m。截面上下緣配筋為φ22鋼筋，15 cm間距。根據規范，對于矩形、T形和I形截面鋼筋混凝土構件，其最大裂縫寬度Wfk可按偏心受拉構件進行驗算，驗算過程如表1所示。

表1 驗算項目和結果分析表

從表1中可以看出，橋面板裂縫寬度小于規范限值，滿足要求。

(3)剛度驗算

汽車荷載作用下，結構的最大上撓為10.7 mm，橋梁的最大下撓為-22.1 mm，得到橋梁的計算撓度為32.8 mm=L/915，該值小于規范的限值1/500，滿足要求。如圖19、圖20所示。

圖19 活載作用組合梁最大上撓云圖(MPa)

圖20 活載作用組合梁最大下撓云圖(MPa)

3.2.3 支座反力

標準值組合作用下，全橋各支座最大及最小反力見下頁表2。

表2 支座反力計算結果表(kN)

結果表明，中支點最大支反力為-3 141 kN，端支點最大支反力為-1 608 kN。中支點采用支座規格TXPZ-4000 及GPZ(2009)-3.0支座，端支點采用GPZ(2009)-1.5支座，最大支座反力超出支座承載力且不足10%，但考慮到計算是按超載1.3系數進行驗算的，因此中支座規格能滿足受力要求，端支點支座規格也滿足要求。

4 結語

(1)施工階段鋼箱梁及混凝土橋面板強度滿足規范要求。

(2)成橋階段結構剛度及支座選型均滿足規范要求。

(3)在基本組合下，鋼梁最大拉應力位于邊梁邊跨跨中上緣，為265 MPa，小于鋼材抗拉設計強度270 MPa，滿足規范要求；鋼梁最大壓應力位于邊梁邊跨中支點下緣，為-244.4 MPa，小于鋼材抗壓設計強度270 MPa，滿足規范要求，但富余不大。

(4)在成橋階段，短期組合下橋面板的最大拉應力位于邊梁中支點截面上緣，為6.1 MPa，大于混凝土極限抗拉強度設計值1.83 MPa，提取該截面的內力進行裂縫寬度驗算。橋面板裂縫寬度為0.198 mm<0.2 mm，裂縫寬度滿足規范限值，但富余度較小，建議加強墩頂連續段橋面板配筋。