鋼板組合梁橋混凝土橋面板精細化空間分析

屈計劃

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司；公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

鋼板組合梁橋結構一般設計為“工”字型鋼梁，橋面板采用縱橫向分塊預制，架設后采用濕接縫連成整體，鋼梁與橋面板間采用剪力釘連接形成組合受力結構[1,2]，鋼梁工廠加工，橋面板預制場預制，鋼梁與橋面板現場拼接。該種結構形式充分發揮了鋼梁與混凝土兩種材料的優勢，具有結構受力明確、施工方便、節約工期、便于工業化、標準化應用等優點[3,4]，代表著工業化技術發展的新方向，提升了公路橋梁的品質，為推動公路建設轉型升級，提質增效起到了一定的引領作用。

本文以標準跨徑35 m鋼板組合梁橋為研究對象，橋梁按35 m簡支梁設計，標準寬度14 m，橫向布置2片鋼梁，間距7.5 m，鋼梁采用“工”字型，梁高1.8 m，下翼緣寬1.0 m，上翼緣寬0.5 m，鋼梁頂面橋面板采用變厚布置，橫向跨中厚度26 cm，鋼梁頂面厚度40 cm，橋面板橫向分4塊預制，于橫向跨中及鋼梁頂面設置3道現澆濕接縫。兩片鋼梁間橫向每間隔5 m設置一道小橫梁，高度0.6 m。鋼縱梁及小橫梁頂面均設置剪力釘，通過現澆濕接縫與預制橋面板連成整體。該結構形式整體受力方面，橋面板作為結構上翼緣承擔壓力，鋼梁承擔拉力。局部受力方面，橋面板為縱向支承間距5 m，橫向支承間距7.5 m的雙向受力板。以下分析該雙向受力混凝土板的空間受力、小橫梁支承剛度、橋面板剪力滯效應等結構空間受力性能及影響因素，為橋梁設計提供參考。

圖1 鋼板組合梁橋標準橫斷面(單位：cm)

1 精細化分析模型

模型采用空間網格梁單元模擬[5]，橫斷面上將每道主縱梁及小橫梁均離散為單個單元，為重點考慮橋面板受力，橋面板每0.5 m寬度離散為一個單元，單元剛度即為所代表寬度的截面剛度，縱橋向鋼梁每2 m離散為一個單元，橋面板每0.5 m離散為一個單元。鋼梁重量按實際結構重量設置，橋面板考慮縱、橫兩方向剛度，重量僅考慮縱梁重量，橫梁重量設置為0。鋼梁與橋面板間采用剛性連接模擬剪力釘作用。為考慮小橫梁支承剛度影響，小橫梁高度按0～1.8 m設置(每0.2 m設置為一級)，0 m高度即代表該鋼板組合梁無小橫梁支承，橋面板為橫向受力的單向板，小橫梁高度1.8 m時與主梁等高。該精細化空間網格梁模型將復雜的橋梁結構離散為多塊梁單元受力，每一個節點離散成十字交叉的正交梁格，以十字交叉的縱橫劃分梁的剛度等代結構剛度，正交梁格之間形成“網”，橋梁整體結構即表達為離散的網格結構，用以進行精細化分析。常規單梁或空間梁模型不能考慮小橫梁支承剛度影響，不能考慮橋面板的雙向受力模式且不能充分考慮橋面板剪力滯效應，本精細化模型充分考慮了鋼縱梁、支承小橫梁、剪力釘、橋面板等結構構件的模擬，尤其橋面板網格劃分較細，適用于橋面板的精細化空間分析。而橋面板的受力、結構安全及耐久性能直接影響到鋼板組合梁橋的全壽命周期使用性能，本模型可以充分考慮鋼板組合梁橋結構受力的關鍵控制因素。

圖2 精細化空間網格模型演變示意圖

2 橋面雙向板受力分析

圖3顯示了小橫梁不同高度條件結構自重作用下混凝土板縱、橫兩個方向的彎矩。可以看出，混凝土橋面板為雙向板受力模式[6]，單塊板中部跨中縱橫向均為正彎矩，單塊板鋼縱梁及小橫梁頂面支承處為負彎矩(支點縱橋向表現為正彎矩，該數值為簡支梁縱向整體受力與雙向板局部受力疊加，縱橋向簡支組合梁橋面板整體表現為負彎矩，上緣受壓，實際混凝土板支承處縱橋向局部受力為負彎矩，隨著小橫梁高度的增加，該正彎矩數值的減少即為局部受力負彎矩的增加)。

圖3 雙向板縱橫向彎矩(單位：kN·m)

由彎矩變化可知，雙向板跨中受力主要表現為縱橋向，各種橫梁高度條件下，縱橋向跨中彎矩明顯大于橫橋向彎矩，而板支承位置(即縱橫梁鋼梁頂面)支點彎矩明顯表現出雙向受力模式，縱橫向支點彎矩均較大。橋面板荷載作用下開裂主要表現為合成主彎矩作用下的裂縫，橋面板按雙向板受力模式，跨中部位主彎矩主要沿縱橋向，隨著荷載增加，下緣裂縫主要表現為跨中橫向裂縫。支點位置下緣主彎矩垂直于對角線方向，上緣彎矩沿對角線方向，隨著荷載增加，下緣裂縫主要表現為沿對角線方向，上緣裂縫主要表現為垂直對角線方向。因此隨著荷載增加，整塊板下緣裂縫發展即表現為由板中部橫向裂縫向角點位置擴散發展，上緣裂縫發展主要表現為沿四角垂直對角線方向。

3 小橫梁支承剛度影響分析

由圖3 可知，隨著小橫梁高度由0 m變化至1.8 m，雙向板縱橋向跨中正彎矩及支點負彎矩均增加(支點負彎矩增加表現為整體受力與局部受力綜合正彎矩的減少)。橫橋向跨中彎矩和支點彎矩均相應減少，說明隨著小橫梁高度增加，縱橋向支承剛度增加，縱橋向受力逐步增大，橫橋向受力逐步減小，結構受力逐步由橫梁高度為0 m時的橫向受力單向板模式趨近于小橫梁高度為1.8 m時的雙向板受力模式。同時可以看出，當小橫梁高度由0 m增加至0.6 m時，順橋向彎矩增加了28%，橫橋向彎矩減少了50%；而隨著小橫梁高度由0.6 m增加至1.8 m，順橋向彎矩僅增加了8%，橫橋向彎矩僅減少了20%。結果說明，橋面板按照雙向板受力模式設計，隨著小橫梁剛度增加，順橋向受力逐步增大，但當小橫梁高度增大到一定程度后結構受力趨于穩定，繼續增加小橫梁高度將會導致結構用鋼量大幅增加，但對結構受力無明顯改善作用。所以，結構設計時綜合考慮橋面板受力及經濟性能，選取小橫梁高度為0.6 m。

4 橋面板剪力滯效應分析

小橫梁高度按0.6 m計算，縱橋向全橋跨中及1/4跨位置處橋面板各板元軸力橫向變化規律如圖4所示。

圖4 縱橋向不同位置橋面板橫向軸壓力變化圖(單位：kN)

可以看出，橋面板各板元橫橋向受力表現出了較大的不均勻性，鋼梁頂面橋面板受有較大的壓力，由鋼梁頂面沿橫橋向向跨中及懸臂端部逐漸減小，縱橋向跨中位置減小了24%，縱橋向1/4位置減小了40%，剪力滯效應明顯[7]。同時，縱橋向跨中與1/4跨位置減小的幅度差別較大，橋面板剪力滯效應沿縱橋向不同位置表現出了數值的明顯不同。

5 結束語

本文建立了鋼板組合梁橋精細化空間網格模型分析了混凝土橋面板雙向空間受力、小橫梁支承剛度影響及橋面板剪力滯效應。精細化模型能夠較好的模擬組合結構的各種邊界條件及空間受力，混凝土橋面板明顯表現為雙向板受力特性，中部跨中受力主要表現為縱向彎矩，鋼縱梁及小橫梁支承處支點受力主要表現為縱、橫向雙向彎矩，隨著荷載增加，雙向板跨中裂縫主要沿橫橋向，支點下緣位置裂縫主要沿對角線方向發展，支點上緣位置裂縫主要垂直于對角線方向發展。隨著小橫梁支承高度由0 m逐漸增加到1.8 m，橋面板由橫向受力單向板逐步轉化為雙向受力板，且縱向受力逐漸增加，橫向受力逐漸減小，但小橫梁支承剛度增加到一定程度后結構受力將趨于穩定，所以結構設計時選取了小橫梁高度為0.6 m。沿縱橋向不同位置橋面板橫斷面上表現出了明顯的剪力滯效應，鋼梁頂面橋面板軸力最大，向懸臂端部及橫向跨中逐步減小，且不同位置剪力滯效應明顯不同。本文提供了一種鋼板組合梁橋混凝土橋面板精細化計算分析方法，計算結果可為類似橋梁設計提供參考。