鋼混疊合梁加勁板形式研究

張樹清,魏慶慶

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.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)

1 工程概況

望東長江大橋主跨638 m，跨徑布置為78 m+228 m+638 m+228 m+78 m雙塔雙索面半漂浮體系PK箱型鋼-混組合梁斜拉橋，如圖1所示。按雙向六車道高速公路標準建設，設計速度100 km/h，路基標準橫斷面寬度33.5 m，橋梁標準寬度33.0 m。主塔結構為鉆石型，主梁采用PK型分離雙箱組合形式，組合梁全寬35.2 m，不設風嘴，梁高3.5 m(組合梁中心線處)，其中鋼梁中心線處梁高3.106～3.226 m。鋼箱底板包括平底板、斜底板、外側工字鋼底板以及PK箱外橫隔板下翼緣四部分，平底板全寬3 500 mm，設置支座區域局部加寬，根據受力需要在順橋向不同區段采用16 mm、20 mm、24 mm和28 mm四種板厚，其中標準梁段采用16 mm。平底板與斜底板縱向采用板式加勁肋加勁，平底板加勁基本間距450 mm，斜底板基本間距400 mm，根據底板厚度不同分別取不同加勁尺寸。主梁標準橫斷面如圖2所示。

圖1 主梁橋型布置圖(單位：m)

圖2 主梁標準橫斷面圖(單位：m)

2 計算模型

2.1 有限元模型

由于鋼板結構輕質薄柔，穩定破壞與強度破壞有著同等的重要意義[1,2]。為了防止失穩帶來的結構剛度降低而引起的破壞，常用的方法是增加板厚和設置加勁肋，通常在實際工程中又以更加經濟、有效、輕質的后者為主。但是同時，加勁的受壓板件的應力分布和破壞機制相對于無加勁板件要復雜得多：受壓加勁板件破壞形式和極限承載力受板件本身的長度、寬度、厚度，加勁肋的相對剛度、面積，板件間相互約束等的影響[3]；再加上組裝、架設中存在的初始變形和焊接加工引起的殘余應力對受壓加勁板件的破壞也有著不小的影響，并且這些影響因素又是相互關聯，共同作用于加勁構件，這使得受壓加勁板件的穩定與承載力的計算較為復雜。為研究加勁板形式對該橋的影響，采用三種不同加勁板形式進行比較分析，加勁板形式分別為“I”形、“T”形、“U”形，加勁板形式如圖3所示。

圖3 加勁板型式

采用ANSYS分別建立三種加勁板形式的有限元模型，建模中橋面板混凝土采用體單元模擬，鋼箱采用殼單元模擬，如圖4所示。模型具有對稱性，選取1/2模型進行分析計算。材料采用理想彈塑性的本構模型[2]，鋼材彈性模量2.1×105MPa，泊松比vs=0.3；混凝土彈性模量3.45×104MPa，泊松比。vs=0.2

圖4 有限元模型

2.2 邊界條件

鋼箱和混凝土板相同位置(剪力釘位置)節點采用共節點處理，節段模型一端固結約束所有自由度，一端自由釋放所有自由度。按照整體模型計算結果施加均布軸力、彎矩、剪力等內力組合。各斷面上的內力(軸力和剪力)都通過截面均布力施加到模型自由端，彎矩則通過延伸一段鋼臂施加力偶實現[4]。模型中順橋向為z向，高度方向為y向，x向為橫橋向由右手定則確定。

3 靜力分析

3.1 計算工況

結構在計算工況內力時按照整體計算的最不利工況進行分析[5]，軸力以下緣受壓為正，上緣受壓為負；彎矩以下緣受拉為正，上緣受拉為負。剪力正負如圖5所示。

圖5 剪力正負示意圖

分別確定了結合處5種工況，見表1。

表1 結構工況-荷載

工況一：自重+二期橫載；

工況二：自重+橋面鋪裝+活載最大(活載產生的主梁彎矩最大)；

工況三：自重+橋面鋪裝+活載最小(活載產生的主梁彎矩最小)；

工況四：自重+橋面鋪裝+支座沉降(沉降產生的彎矩最大)；

工況五：自重+橋面鋪裝+支座沉降(沉降產生的彎矩最小)。

3.2 計算結果

分析計算得到鋼混組合梁段處應力結果，見表2～表4。

表2 “I”形加勁板組合梁段最大應力

表3 “T”形加勁板組合梁段最大應力

表4 “U”形加勁板組合梁段最大應力

限于文章篇幅，本文僅列出工況一作用下鋼混結合段應力云圖，如圖6、圖7所示。

圖6 混凝土板應力(單位：MPa)

圖7 鋼箱Von Mises應力(單位：MPa)

(1)橋面板的受力和變形以軸向受壓為主，由于荷載對稱布置，橋面板的應力分布及變形基本呈對稱關系。

(2)橋面板的主應力分布如圖6所示。由圖6可知，橋面板的主壓應力主要分布在鋼混疊合橫隔板布置范圍處，最大主壓應力為-8.81 MPa，位于橋面板頂面，應力極值相對于材料的許可值還有一定余量。橋面板最大主拉應力為3.70 MPa，位于混凝土頂面和鋼塔柱結合處，主要由順橋向剪切力造成，剪切力在剪力釘處使混凝土頂面節點和鋼塔柱底面節點產生滑移。

(3)鋼箱的Von Mises應力分布如圖7所示。由圖7可知,鋼箱最大Von Mises應力為256.14Pa，Von Mises應力極值主要分布在鋼箱底板處。

(4)從表2～表4可以看出，工況三作用下，鋼箱Von Mises應力最大，結構在工況三作用下受力最為不利，結構響應最為明顯；“T”形加勁板對改善箱梁底板應力較“I”形加勁板好，“U”形加勁板在三種模型分析中對改善箱梁底板應力狀況最好。鋼箱局部最大應力顯示，三種加勁板形式都能很好地起到加勁作用，降低底板應力。鑒于鋼箱加工方便性，降低工程造價，該項目設計采用“I”形加勁板。

4 結束語

通過對組合梁段進行多工況靜力分析，應力云圖結果顯示各方案在結構強度響應方面均表現良好。疊合面接頭在界面最不利內力組合各工況下，界面上下未發生工程精度范圍內的滑移，且兩者變形基本協調，界面摩擦抗剪有一定儲備。通過理論分析表明鋼混疊合接頭位置板件的局部穩定性能滿足要求，板件加勁肋的設置合理。