鋼梁高度對雙工字鋼板組合梁的力學性能影響分析

李彥偉

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

引言

工字鋼板組合梁是近些年興起的常用組合梁形式，隨著工業化建造技術的推廣，少主梁及簡化加勁肋的形式能降低造價，是未來組合橋梁的發展趨勢［1-2］。

近些年針對鋼-混凝土組合梁已開展研究，也成功實踐于實際工程項目中［3］，雙工字鋼板組合梁由于主梁數量少、間距大，其斷面設計參數及構件空間布置能直接影響橋面的受力及結構的承載能力、局部穩定等性能［4-5］，但目前我國的雙工字鋼板組合梁運用尚處于起步階段，因此，開展雙主梁鋼板組合梁橋的設計相關問題研究十分必要。

通過對多種高度下的30 m 跨徑簡支雙工字鋼組合梁，利用ANSYS 軟件建立有限元分析模型，研究其力學性能，得出該跨徑下具有最佳力學性能的組合梁高。

1 研究模型

1.1 研究對象

此研究的對象為30 m 簡支雙工字鋼板組合梁，混凝土采用C30，鋼板采用Q235，橋寬為8 m，主梁間距為5 m，兩側懸臂各為1.5 m，采用7 片非支承橫梁，橫梁間距為5 m，布置在腹板中心位置上，截面見圖1，截面相關參數見表1。

圖1 雙工字鋼板組合梁橫截面/mm

表1 截面參數

擬研究的鋼梁高度為1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、2 000 mm，并對其進行編號，分別為L1、L2、L3、L4 及L5。

1.2 有限元建模

1.2.1 單元選擇

有限元模型的尺寸見表1、圖1，混凝土為C30，抗壓強度設計值為14.3 MPa，峰值壓應變為0.002，極限壓應變為0.003 3，混凝土板用Solid65單元，Solid65 單元為3D 加筋混凝土實體單元，用于模擬無筋或加筋的3D 實體單元，具有受拉開裂（拉裂）和受壓破壞（壓碎）性能。鋼梁為Q235，強度設計值為190 MPa，鋼梁采用shell181 單元，Shell181 為4 節點有限應變殼單元，適用于模擬薄殼至中等厚度殼單元。

1.2.2 本構關系

混凝土材料模型采用hognestad 規定的混凝土單軸應力應變關系，見圖2。此關系也是研究混凝土時采用較多的本構模型，利用五參數破壞準則定義混凝土材料的基本參數。鋼梁應力應變關系采用理想彈塑性模型，采用雙線性等向強化模型，彈性模量為2.06e5MPa，見圖3。

圖2 混凝土單軸受壓應力-應變關系

圖3 鋼梁理想彈塑性模型

1.2.3 約束及加載

此模擬中不考慮混凝土與鋼梁之間的滑移，采用節點耦合的方式對模型進行處理，模型中不考慮混凝土板內鋼筋以及剪力連接件，網格尺寸為 200 mm，約束方式采用簡支梁的約束形式，有限元模型見圖4，模型中施加的荷載為自重、二期、公路Ⅰ級車道荷載。

圖4 有限元模型

鋼板容重為7.85×10-6kg/mm3，混凝土容重為2.5×10-6kg/mm3，重力加速度定為9.8 N/kg。

二期荷載為考慮5 cm 瀝青鋪裝層，瀝青容重采用25 kN/m3，故而施加的面荷載數值為 1.25e-3N/mm2。

車道荷載以偏載的方式進行施加，車道荷載施加到ANSYS 的方式為施加車道面荷載及集中荷載的形式，均布線荷載轉化為均布面荷載p=5.833×e-3N/mm2。

2 結果分析

模擬的結果分別在基本組合與標準組合查看。基本組合：1.2 自重+1.2 二期+1.4 車道荷載；標準組合：1 自重+1 二期+1 車道荷載基本組合用于結構跨中的縱向應力結果查看，標準組合用于結構的跨中撓度查看。

2.1 應力分析

L1～L5 縱向應力在基本組合下的應力云圖見圖5。由圖5 可以看出，在荷載的基本組合下，L1～L5 應力最大位置均為跨中底部鋼梁，此位置為結構受力最危險區域，符合簡支梁的受力特征，L1 的鋼梁底部縱向應力值達到了166.97 MPa，比較接近材料的設計強度。應力最小位置為鋼梁上翼緣受壓區域，受壓應力為30 MPa 左右，混凝土板受力均較小，值約為10 MPa 左右，結構各個位置處的受力較為均勻，不存在較大的應力突變，整體受力形式較好。

圖5 基本組合下應力云圖

表3 為結構在基本組合下的鋼梁應力與混凝土應力。

表3 鋼梁應力值/MPa

由表3 可以看出，鋼梁高度變化后，混凝土頂底板應力變化不大，但是混凝土頂部所受壓應力仍舊隨著梁高的增加有略微的降低，由9.5 MPa 降低到7.12 MPa。鋼梁頂部的應力變化也不顯著，在28 MPa 附近波動，而鋼梁底部的應力變化顯著，基本組合下鋼梁底、鋼梁頂應力見圖6。

圖6 基本組合下鋼梁應力變化

由圖6 可以看出，隨著鋼梁高度的增加，基本組合下鋼梁底部的應力變化較大，降低幅度較為均勻，由161.97 MPa 降低到102.36 MPa，整體降低約30%，保證了結構有足夠的強度儲備。

2.2 撓度分析

結構在標準組合下跨中撓度見圖7。由圖7 可以看出，隨著鋼梁高度的增大，結構在標準組合下的撓度減幅較快，故而增加梁高能較大程度地提高結構剛度，降低結構變形。結構腹板高度由1 200 mm 增大到1 400 mm，撓度的減幅約20%，但結構由1 800 mm 增大到2 000 mm，撓度的減幅僅為15%左右，在圖像中表現為圖線后半段斜率略微減小，顯示出鋼梁高度增長到越高之后，結構撓度減小的趨勢會變緩，主要是由于結構變高之后會引發自重增大，結構剛度的提高可以抵消自重增大的負面影響，但自重仍舊會造成較小的影響。

圖7 標準組合下撓度變化

30 m 跨徑簡支梁的允許撓度為60 mm，可見L1～L5 均滿足撓度要求，但是此模擬中僅考慮了三種荷載形式，實際情況橋梁承受的荷載更為復雜，因此L1 不足以滿足實際的撓度需求。

2.3 分析結果

（1）對于30 m 跨徑，其撓度限值為60 mm，Q235 的設計應力值為190 MPa，提高鋼梁高度后，撓度與鋼梁應力有較大程度地降低。（2）考慮到經濟性以及凈空要求，結構又不宜太高，結合結構的力學性能與經濟性以及模擬中所施加荷載的不全面性，30 m 簡支鋼板組合梁選擇L3 為佳，即是鋼梁腹板高度為1 600 mm，此時的鋼梁底部應力為126.78 MPa，鋼梁底部應力為-29.26 MPa，跨中最大撓度為35.3 mm，強度與剛度均有較大的儲備，滿足設計要求。

3 結語

（1）通過對30 m 簡支雙工字鋼板組合梁的不同梁高進行有限元分析，梁高增加后提高了結構剛度，較大幅度地降低結構在荷載作用下的撓度。（2）增加工字鋼梁高后略微降低混凝土壓應力，較大程度地降低鋼板受拉應力，但對鋼梁受壓應力影響不顯著。（3）在考慮受力結構受力性能以及經濟性的前提下，30 m 簡支鋼板組合梁選擇鋼梁高度為 1 600 mm 為宜。