雙工字鋼板-混凝土組合梁橋承托必要性探究

谷莉薇

（山西省交通開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

當(dāng)雙工字鋼板組合梁橋采用非支撐橫梁時，一般需要設(shè)計(jì)承托構(gòu)造，此構(gòu)造不僅可以方便剪力件的布置，更能提升結(jié)構(gòu)的剛度，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本文主要從剛度與強(qiáng)度方面，定量研究承托對鋼板組合梁橋的影響，完善雙工字鋼板組合梁橋的理論體系，促進(jìn)其更為廣泛地推廣應(yīng)用。

一、有限元模型

（一）承托構(gòu)造

對于雙工字鋼板組合梁，簡單的截面形式使結(jié)構(gòu)具有較弱的抗彎剛度及抗扭剛度，當(dāng)采用非支承橫梁時，往往采用設(shè)計(jì)承托的方式來提升結(jié)構(gòu)的剛度，承托主要是為了提高組合梁的高度及加強(qiáng)混凝土與鋼梁連接處的強(qiáng)度。

承托是鋼板組合梁的重要構(gòu)件，對調(diào)節(jié)截面剛度具有重要作用，本文對雙工字鋼板組合梁橋的承托進(jìn)行了影響性研究。

由《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，承托高度不宜大于混凝土橋面板厚度的1.5倍；承托頂?shù)膶挾炔灰诵∮阡摿荷弦砭墝挾群?.5倍承托高度之和；承托邊至抗剪連接件外側(cè)的距離不得小于40mm；承托外形輪廓應(yīng)在連接件根部起45°角線的界限以外。

圖1 截面圖

（二）研究對象

對于常規(guī)的鋼板組合梁橋，混凝土橋面板厚度一般呈非等厚設(shè)計(jì)，除了承托處存在高度差之外，懸臂及跨中區(qū)段的混凝土板厚也不一致，但為了建模方便，忽略此板厚的變化，將混凝土板厚定為220mm，承托處的高度為250mm，伸出寬度250mm。

研究跨徑為30m簡支梁橋，鋼材為Q345，混凝土為C50，混凝土板厚度均采用220mm，橋?qū)挒?m，鋼主梁間距為4m，兩側(cè)懸臂為2m。上下翼緣板采用等尺寸，均為800mm×34mm，翼緣板寬厚比為11.8，翼緣板滿足板件的局部穩(wěn)定構(gòu)造要求，腹板厚度為20mm，采用7片非支承橫梁，橫梁間距為5m，布置在腹板中心位置上，截面如圖1所示，截面相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 截面參數(shù)表

為了探究承托在不同梁高下的影響性，分別分析鋼梁腹板高度為1200mm、1400mm、1600mm、1800mm的結(jié)構(gòu)在有無承托下的結(jié)構(gòu)差異性。

（三）有限元建模

本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS分析，ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。

1.單元選擇

混凝土為C50，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為23.1MPa，峰值壓應(yīng)變?yōu)?.002，極限壓應(yīng)變?yōu)?.0033，混凝土板用SOLID65單元，SOLID65單元為3D加筋混凝土實(shí)體單元，用于模擬無筋或加筋的3D實(shí)體單元，具有受拉開裂（拉裂）和受壓破壞（壓碎）性能。鋼梁為Q345，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為270MPa，鋼梁采用SHELL181單元，SHELL181為4節(jié)點(diǎn)有限應(yīng)變殼單元，適用于模擬薄殼至中等厚度殼單元。

2.本構(gòu)關(guān)系

本文中混凝土材料模型采用hognestad規(guī)定的混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，此關(guān)系也是研究混凝土?xí)r采用較多的本構(gòu)模型，利用五參數(shù)破壞準(zhǔn)則定義混凝土材料的基本參數(shù)。鋼梁應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性模型，采用雙線性等向強(qiáng)化模型，彈性模量為2.06e5MPa。

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(jié)點(diǎn)耦合的方式處理模型，模型中不考慮混凝土板內(nèi)鋼筋及剪力連接件，網(wǎng)格尺寸為200，采用簡支梁的約束形式，有限元模型圖如圖2所示，模型中施加的荷載為自重、二期、公路Ⅰ級車道荷載。

鋼板容重為78.5kN/m3，混凝土容重為25kN/m3，重力加速度定為9.8N/kg。

圖2 有限元模型圖

二期荷載為考慮5cm瀝青鋪裝層，瀝青容重采用25kN/m3，車道荷載以偏載的方式施加，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。

二、結(jié)果分析

在后處理結(jié)果中，提取的結(jié)果主要有跨中撓度及跨中位置處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，撓度是在荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合下查看，應(yīng)力是在基本組合下查看。

標(biāo)準(zhǔn)組合=1×車道荷載+1×二期荷載+1×自重

基本組合=1.4×車道荷載+1.2×二期荷載+1.2×自重

（一）跨中撓度

在標(biāo)準(zhǔn)組合下提取跨中偏載一側(cè)底部節(jié)點(diǎn)的豎向位移值，如圖3所示。

圖4 應(yīng)力變化圖

從圖3可以看出，有承托雖然相較無承托時結(jié)構(gòu)自重增加，但是由于截面高度的增加，使其截面剛度增加，因此結(jié)構(gòu)在自重下的撓度反而是較小的，因此由于承托部分而增加的自重不會對結(jié)構(gòu)造成不利影響。由標(biāo)準(zhǔn)組合下變形曲線可知，承托對結(jié)構(gòu)的跨中撓度有較大影響，若將結(jié)構(gòu)鋼梁的高跨比定為1/20，則鋼梁高度為1500mm時，結(jié)構(gòu)的跨中撓度可以降低6mm左右，由圖中趨勢可以看出，隨著鋼梁腹板高度的增加，有承托與無承托時的撓度差異逐漸減小，主要原因是梁高越高，截面剛度越大，承托的影響性較弱。

（二）縱向正應(yīng)力

在基本組合下提取出鋼梁與混凝土板的縱向正應(yīng)力如圖4所示。

從圖4-(a)可以看出，混凝土板均是承受壓應(yīng)力作用，承托能降低混凝土板頂?shù)膲簯?yīng)力，提高混凝土板底的壓應(yīng)力，但承托對混凝土板底部應(yīng)力的影響程度明顯大于混凝土板頂部應(yīng)力，除了看出承托的影響之外，還發(fā)現(xiàn)隨著鋼梁腹板高度的增加，混凝土底部應(yīng)力無明顯變化，混凝土底部壓應(yīng)力減小。

從圖4-(b)可以看出，承托對鋼梁頂部應(yīng)力的影響程度大于鋼梁底部應(yīng)力，有承托時的鋼梁頂部應(yīng)力降低20MPa～30MPa，鋼梁底部應(yīng)力降低10MPa左右。當(dāng)鋼梁腹板越高時，承托的影響性也逐漸變?nèi)酰?dāng)腹板高度采用1500mm時，承托能減小約10MPa的應(yīng)力值，針對鋼梁應(yīng)力而言，鋼梁底部應(yīng)力是控制鋼梁強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，此時布置承托對于提升結(jié)構(gòu)剛度、改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力是有必要的。

三、結(jié)語

結(jié)果表明，有承托的雙工字鋼板組合梁較無承托結(jié)構(gòu)的跨中撓度降低約6mm，且隨著鋼梁腹板高度的增大，有承托與無承托時的撓度差異在減小。承托能降低混凝土板頂?shù)膲簯?yīng)力，提高混凝土板底的壓應(yīng)力，有承托時的鋼梁頂部應(yīng)力降低20MPa～30MPa，鋼梁底部應(yīng)力降低10MPa左右，承托對鋼梁應(yīng)力的影響性隨著梁高增加而減弱。有限的梁高范圍內(nèi)，承托能顯著降低鋼梁應(yīng)力，減小跨中撓度，具有優(yōu)異的力學(xué)功能，且承托的存在對混凝土底部與鋼梁的應(yīng)力影響性較高，但是當(dāng)截面高度過大時，承托的影響性減弱，但是雙工字鋼板組合梁的鋼板高度一般取跨徑的1/20，即1500mm，在此高度下板托的布置是有必要的。