腹板結構對鋼-混凝土組合梁橋穩定性能的影響研究

陸振盛

【摘要：】文章以某分幅式鋼-混凝土組合梁橋為研究背景，通過采用ANSYS有限元軟件建立全橋實體數值模型，系統研究了腹板結構設計參數對鋼-混凝土組合梁橋穩定性能的影響，得出以下結論：（1）鋼-混組合梁橋的彈性穩定系數隨著腹板高厚比的增大而逐漸減小，減小腹板的高厚比能提升橋梁的極限承載能力，腹板高厚比取110～120能兼具腹板穩定和防止翼緣板失穩的優點;（2）隨著豎向腹板加勁肋厚度的增大，鋼-混組合梁橋彈性穩定系數呈小幅度逐漸增大趨勢，考慮到實際施工中加勁肋厚度應該與其翼緣板、腹板等構件相互匹配，故建議取值為1.2～1.6 cm;（3）隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋的彈性穩定系數逐漸減小，密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而稀疏布置加勁肋會略微削弱橋梁的穩定性能，鋼-混組合梁橋采用2.5 m的加勁肋間距即可滿足規范設計要求。

【關鍵詞：】鋼-混凝土組合梁橋;腹板高厚比;加勁肋厚度;加勁肋間距;穩定性能

U448.21+6A491633

0 引言

由于鋼-混凝土組合梁橋具有自重輕、施工方便、經濟美觀及可工廠預制等特點，在我國的橋梁工程建設中得到了廣泛的應用[1-2]。隨著我國大力推廣橋梁工業化建造技術，組合梁橋由多主梁形式逐漸發展到少主梁及簡化加勁肋的形式，如雙工字鋼-混凝土組合梁橋即為現階段中小跨徑橋梁的熱點橋型之一[3-4]。

近年來，國內學者在鋼-混組合梁橋方面進行了大量研究，如冀偉等[5]推導了長期荷載作用下鋼-混組合梁的撓度計算公式，并通過實測值和有限元值驗證了公式的可靠性;長沙理工大學的郭超[6]以兩跨連續鋼-混凝土組合梁為研究背景，通過采用ANSYS有限元軟件建立實橋模型，探討了連續組合梁的各組成部分對其應力應變的影響，并進行對比分析，同時提出了合理優化的相關建議;鄧青兒等[7]以上海杭申線某改建橋梁為例，針對老舊橋梁改建工程中大跨徑鋼-混凝土組合梁的應用進行了詳細研究;朱勁松等[8]以官廳水庫特大橋為研究背景，探討了不同吊裝方案情形下鋼-混凝土組合梁懸索橋的顫振穩定性能，并提出針對性的控制措施。由上述研究可知，目前國內關于雙工字鋼-混凝土組合梁橋方面的研究比較缺乏?；诖?，本文以某分幅式鋼-混凝土組合梁橋為研究背景，通過采用ANSYS有限元軟件建立全橋實體數值模型，針對不同腹板結構設計參數的鋼-混凝土組合梁橋進行穩定性能數值分析，研究結果可為同類橋梁工程的設計提供參考與借鑒。

1 工程背景

某分幅式連續梁橋跨徑布置為4×40 m，橋梁單幅寬度為13.5 m，主梁采用雙工字鋼-混組合梁結構。該橋鋼主梁梁高為1.8 m，腹板厚度為1.6～2.0 cm，上下翼緣板寬度分別為80 cm、96 cm，上翼緣板厚3.4 cm，下翼緣板厚2～5 cm。兩根鋼梁間采用每隔8 m設置1道的工字形對稱截面橫梁進行連接，其中跨間處小橫梁的高度及其翼緣板的寬度均為40 cm，翼緣板厚度為1.3 cm，腹板厚度為2.1 cm;中支點處中橫梁和邊支點處端橫梁的梁高均為80 cm，翼緣板的寬、厚分別為70 cm和1.6 cm，腹板厚度為2.0 cm。腹板設有2.8 cm、3.5 cm寬的縱向加勁肋，其中除中橫梁、端橫梁處的厚度為1.6 cm外，其他位置厚度均為1.3 cm。橋面板均采用C50強度等級的混凝土，鋼主梁等所有鋼構件均采用Q345鋼。鋼-混組合梁的橫斷面布置如圖1所示。

2 模型建立

通過采用ANSYS有限元軟件建立鋼-混組合梁實橋三維模型，其中鋼主梁和混凝土分別采用Shlle43單元、Solid45單元進行模擬，全橋有限元計算模型如圖2所示。模擬過程中將一根鋼主梁的一端進行固定約束，其他則采取橫、豎向位移約束;另一根鋼主梁的一端用橫、豎向位移進行約束，其他則僅采取豎向位移約束。計算荷載考慮結構自重、車輛偏載以及風荷載。模型中混凝土和鋼材計算參數取值如表1所示。

3 鋼-混組合梁橋穩定性能分析

3.1 腹板高厚比

為了探討不同腹板高厚比對鋼-混組合梁橋穩定性能的影響，本文基于原橋三維實體有限元模型，在保證主梁截面剛度不變的情況下，分別擬定了80、90、100、110、125、150六種腹板高厚比，并針對該鋼-混組合梁橋在組合階段、非組合階段的彈性穩定系數展開有限元數值分析，分別得到其彈性穩定系數與失穩位置的計算結果如表2所示。

由表2可知，在組合階段和非組合階段下，鋼-混組合梁橋的彈性穩定系數隨著腹板高厚比的增大均呈逐漸減小變化趨勢。其中，當腹板高厚比<90時，組合梁橋的彈性穩定系數降幅都較為明顯。在組合階段下，不同腹板高厚比的失穩均發生于腹板位置，說明組合梁橋的橋面板與鋼梁上緣翼板之間起到了良好的連接作用;在非組合階段下，腹板高厚比<100時的失穩均發生于翼緣板位置，而其余腹板高厚比時的失穩則均同樣發生于腹板位置。綜上所述可知，當腹板高厚比取值<90時，橋梁的極限承載能力表現優異;當腹板高厚比取值在100～125時，既可保證腹板的穩定性，還能防止受壓翼緣板發生失穩現象。

3.2 腹板加勁肋厚度

以原橋有限元數值模型為基礎，擬定了0.8 cm、1.2 cm、1.6 cm、2.0 cm四種腹板豎向加勁肋厚度，針對不同加勁肋厚度的鋼-混組合梁橋進行穩定性數值分析，得到其在組合階段與非組合階段的彈性穩定系數變化規律如圖3所示。

根據圖3與有限元計算結果可知，鋼-混組合梁橋在組合階段、非組合階段的失穩狀態分別表現為跨中翼緣板屈曲和近支點處腹板屈曲。隨著腹板加勁肋厚度的增大，不同階段的組合梁橋彈性穩定系數均逐漸增大，但其增幅均不明顯，說明鋼-混組合梁橋的穩定性受腹板豎向加勁肋厚度的影響較小，但考慮到實際工程施工中加勁肋的厚度應該與其翼緣板、腹板等構件相互匹配，故在一般情況下加勁肋的厚度取值建議為1.2～1.6 cm。

3.3 腹板加勁肋間距

以原橋有限元數值模型為基礎，在保證其余參數不變的情況下，擬定了0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m八種腹板加勁肋間距，針對不同加勁肋間距的鋼-混組合梁橋展開穩定性分析，分別得到其在組合階段和非組合階段的彈性穩定系數變化規律如圖4所示。

由圖4可知，隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋在組合階段和非組合階段的彈性穩定系數均逐漸減小。其中，當腹板加勁肋間距由0.5 m增至1.0 m時，組合階段和非組合階段的彈性穩定系數分別減小了3.85、5.16，此時組合梁橋的穩定系數出現明顯的降低;當腹板加勁肋間距由1.0 m增至2.5 m時，兩階段的彈性穩定系數分別減小了3.12、2.4，此時組合梁橋的穩定系數降幅出現明顯減小;而當腹板加勁肋間距由2.5 m增至4.0 m時，彈性穩定系數分別僅減小了0.43、0.48，此時組合梁橋的穩定系數逐漸趨向于未設置腹板豎向加勁肋。綜合以上可知，在腹板豎向加勁肋間距較小時，即密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而在腹板豎向加勁肋間距較大時，即稀疏布置加勁肋會略微削弱橋梁的穩定性能，但對于鋼-混組合梁橋，一般采用2.5 m的腹板加勁肋間距即可滿足規范設計要求[8]。

4 結語

（1）鋼-混組合梁橋的彈性穩定系數隨著腹板高厚比的增大均呈逐漸減小變化趨勢。通過減小腹板的高厚比能提升橋梁的極限承載能力，腹板高厚比取值在100～125時，既可保證腹板的穩定性，還能防止受壓翼緣板發生失穩現象。

（2）隨著豎向腹板加勁肋厚度的增大，不同階段的組合梁橋彈性穩定系數均逐漸增大，但其增幅均不明顯?？紤]到實際施工中加勁肋厚度應該與其翼緣板、腹板等構件相互匹配，故一般情況下加勁肋的厚度取值建議為1.2～1.6 cm。

（3）隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋在組合階段和非組合階段的彈性穩定系數均逐漸減小，密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而稀疏布置加勁肋會略微削弱橋梁的穩定性能，但鋼-混組合梁橋一般采用2.5 m的腹板加勁肋間距即可滿足規范設計要求。

參考文獻：

[1]劉永健，高詣民，周緒紅，等.中小跨徑鋼-混凝土組合梁橋技術經濟性分析[J].中國公路學報，2017，30（3）：1-13.

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[3]陳洪偉，賀國棟，王 甜.多梁式工形截面鋼混組合梁橋荷載橫向分布的參數分析[J].中外公路，202 41（3）：161-165.

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[5]冀 偉，孫 斌，白 倩，等.長期荷載作用下鋼-混凝土組合梁的撓度計算與分析[J].湖南大學學報（自然科學版），202 48（7）：51-60.

[6]郭 超.鋼-混凝土組合梁應力分析及截面優化研究[D].長沙：長沙理工大學，2013.

[7]鄧青兒，于 洋，湯岳飛.大跨徑鋼-混凝土組合梁在老橋改建中的應用[J].橋梁建設，2016，46（1）：59-64.

[8]朱勁松，陳勝利.鋼-混凝土組合梁懸索橋吊裝施工顫振穩定分析[J].橋梁建設，2018，48（1）：31-35.