中小跨徑鋼板組合梁有限元計算分析

彭俊文,周 晉,李 維,郭亞文,李惠翔,張雪松

（四川交投設計咨詢研究院有限責任公司,四川 成都 610041）

0 引言

橋梁是公路、市政交通互通互聯的重要基礎設施，是構建交通網絡和實現國民經濟快速發展的重要保障。目前國內橋梁建設中鋼橋、鋼混組合橋比例偏低，遠低于日本、美國和法國等發達國家。鋼混組合橋是在鋼橋的基礎上通過現澆或預制混凝土板而形成，更容易發揮鋼與混凝土兩種材料的優勢。結合交通部對鋼結構大力推廣方面的相關政策，未來鋼橋，尤其是鋼混組合橋勢必得到快速發展[1-3]。

國內高校和設計單位等機構結合橋梁建設需求，對鋼混組合梁進行了深入研究。對于特大跨度橋而言，一般多采用正交異性鋼橋面板或在其頂板上加鋪高性能混凝土（UHPC）、活性粉末混凝土（RPC）等[4-5]，結構輕質高強，同時可減輕鋼結構的疲勞損傷。對于大跨度橋而言，鋼箱組合梁和鋼桁組合梁應用較多，尤其是受橋下凈空及交通路網影響，常規裝配式預應力梁橋不能滿足需求時，此類橋梁具有突出優勢，同時鋼箱組合梁更適用于曲線橋。對于中小跨徑橋而言，當橋墩整體高度較低時，考慮到鋼結構自重輕，橋墩可做成輕質化形式，綜合整體造價及碳排放影響，鋼板組合梁被認為是一種具有競爭力的上部結構方案。目前相關學者對中小跨徑鋼板組合梁研究較少，而高速公路95%以上橋梁多為中小跨徑橋梁形式，研究中小跨徑鋼混組合橋結構和受力特征具有重要意義。該文結合某高速公路項目，以20 m跨徑鋼板組合梁為研究對象，建立了有限元模型，分析了結構整體和局部受力情況，計算結果可為鋼板組合梁的設計提供重要參考。

1 結構介紹

某高速公路項目主線橋梁以20 m裝配式預應力小箱梁為主，地勢較為平坦，全線平均墩高小于10 m，橋梁總寬為16.85 m，按雙向6車道設計，荷載等級為公路1級，項目所在地地震加速度為0.1 g。經20 m跨徑裝配式預應力小箱梁與20 m、25 m和30 m跨徑鋼板組合梁經濟指標對比，后兩種跨徑鋼板組合梁每平方造價分別為20 m跨徑裝配式預應力小箱梁的1.3倍和1.5倍，而20 m跨徑鋼板組合梁每平方造價僅為同等跨徑裝配式預應力小箱梁的1.20倍，因此該項目擬選擇部分工點推廣20 m跨徑鋼板組合梁，結構形式為簡支橋面連續，橋面板采用25 cm等厚C50鋼筋混凝土。20 m跨徑鋼板組合梁標準橫斷面如圖1所示。

圖1 20 m跨徑鋼板組合梁標準橫斷面圖（mm）

鋼板部分總高1 050 mm，上下翼緣板等寬等厚，寬度475 mm，厚度24 mm，腹板厚度13 mm，腹板不設置加勁肋。單跨共設置6片鋼板梁，梁間距2 880 mm，橫梁道數為5道，間距約為5 000 mm，橫梁高度與鋼主梁高度齊平，形成鋼結構縱橫向框架體系。端橫梁高度為700 mm，上下翼緣等寬等厚，寬度300 mm，厚度24 mm，腹板厚度13 mm，中橫梁高度400 mm，上下翼緣等寬等厚，寬度400 mm，厚度15 mm，腹板厚度10 mm。橫梁與主梁采用栓接連接，鋼板材料均采用Q345qD，主梁上翼緣設置焊釘連接件。

2 有限元模型

2.1 荷載情況

鋼結構容重78.5 kN/m3，考慮到焊縫及螺栓自重，鋼結構自重系數為1.06。混凝土橋面板配筋率較高，容重取26.5 kN/m3，瀝青鋪裝容重24 kN/m3。護欄采用SS級防撞護欄，單側每延米混凝土方量0.459 m3，護欄容重26 kN/m3。整體分析采用車道荷載，按照4車道加載，分別考慮中載和偏載兩種活載工況，活載橫向折減系數為0.67。溫度荷載按照整體升降溫30 ℃考慮。按照簡支梁約束模式對六片梁支座端梁底進行約束，釋放梁端轉角約束，防止支座處梁體產生贅余力，避免梁體產生約束扭轉應力。

2.2 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件，鋼梁部分采用S4R板單元，混凝土橋面板采用C3D8R實體單元，鋼梁上翼緣與混凝土橋面板之間不考慮界面滑移效應，采用節點耦合約束，全橋單元網格控制在300 mm以內，所建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼板組合梁有限元模型

3 結果分析

鋼板組合梁主要施工步驟：首先架設鋼梁，其次考慮混凝土濕重，然后考慮鋼板與混凝土的組合效應，施加二期荷載和成橋活載。有限元模擬混凝土時，采用生死單元法將混凝土按照上述順序進行設置。

3.1 特征值分析

整體計算時，沖擊系數的選取對活載影響至關重要，通過對鋼板組合梁特征值分析，能夠得到結構的基本振型，通過計算得到結構基頻為5.43 Hz，主要為豎向彎曲變形，結構基本振型如圖3所示。該振型下鋼梁與橋面板混凝土未發生脫離，表明結構模擬良好，符合實際受力情況。

圖3 鋼板組合梁基本陣型圖

3.2 受力分析

該文主要關注鋼梁受力狀態，通過活載加載試算，考慮應急車道后，當4車道位于偏載情況下鋼梁受力最為不利。分別提取鋼板梁下翼緣、上翼緣縱橋向應力如圖4和圖5所示。

圖4 鋼板梁下翼緣縱橋向應力（MPa）

圖5 鋼板梁上翼緣縱橋向應力（MPa）

計算表明：基本組合下，鋼板梁下翼緣最大拉應力和壓應力均位于邊梁跨中位置，最大拉應力為174.6 MPa，最大壓應力為6.5 MPa；鋼縱梁上翼緣和橫梁上翼緣應力數值較小，最大應力為13.4 MPa（拉），上翼緣應力不受設計控制，鋼板梁整體應力滿足規范要求[6]。

3.3 蜂窩鋼板組合梁實踐

將常規鋼板組合梁腹板進行優化設計，制造成蜂窩梁形式，可減輕結構自重，節約鋼材。蜂窩梁一般用于建筑結構當中，很少應用于橋梁，對于該結構受力狀態需要進一步進行研究[7]。此處選取蜂窩為六邊形，高度為1 400 mm，寬度為700 mm，一片主梁共設置16個開孔，如圖6所示。

圖6 蜂窩梁尺寸（mm）

基于ABAQUS軟件建立的蜂窩鋼板組合梁有限元模型。整體模型中鋼梁部分采用S4R板單元，通過試算發現邊梁跨中附近開孔應力較大，在整體模型的基礎上，建立局部開孔處子模型。子模型共包含3個開孔，單元類型為C3D8R實體單元，網格大小控制在150 mm以內，以確保計算精度。所建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 蜂窩鋼板組合梁有限元模型

偏載作用下，取子模型為關注對象，重點對開孔部位應力進行分析，通過計算確定結構基頻為4.92 Hz。基本組合下開孔處應力如圖8所示。

圖8 蜂窩鋼板組合梁開孔處應力（MPa）

計算結果：基本組合下，蜂窩鋼板組合梁橫橋向應力在跨中附近開孔對角位置數值相對較大，最大拉應力為111.0 MPa。下翼緣縱橋向最大拉應力為220.5 MPa，腹板開孔處縱橋向最大拉應力高達329.5 MPa，位于開孔底處交點位置，且該處Mises應力為330.7 MPa，接近鋼材屈服強度345 MPa。因此，對于鋼板組合梁而言，腹板開孔勢必引起顯著的應力集中效應，雖然能夠大幅度節約鋼材成本，但根據受力情況來看，不建議采用蜂窩鋼板組合梁形式。

4 結論

結合某高速公路項目，基于ABAQUS有限元軟件，對20 m跨徑鋼板組合梁受力情況進行了分析，并在此基礎上探討了蜂窩鋼板組合梁的可行性，主要結論如下：

（1）該文所采用的鋼板組合梁尺寸滿足規范要求，基本組合下，下翼緣縱橋向應力為174.6 MPa，上翼緣應力數值較小。因此，建議在上翼緣尺寸滿足剪力釘布置情況下盡量減小尺寸，下翼緣尺寸及板厚應根據計算結果進行選取。

（2）蜂窩鋼板組合梁雖然節省鋼材用量，但力學性能較差。由于腹板開孔，應力集中嚴重，局部應力接近材料屈服強度，因此，建議鋼橋設計時，應避免對主要受力構件設置較多的大尺寸開孔，合理對各板件優化設計。