應急搶修單梁置換鋼混組合結構研究

柯亮亮，苗建寶，劉顏滔

（西安公路研究院有限公司，西安 710065）

橋梁是確保公路暢通的咽喉，其承載能力和通行能力更是溝通全線的關鍵。近年來，如地震、泥石流、滑坡、落石及車輛撞擊等災害頻發[1]，如何實現橋梁上部結構損壞后的快速搶修或更換，同時有效利用新型材料或結構形式對結構性能進行進一步優化，為抗災救援爭取時間是需要深入研究的問題[2]。

我國現有橋梁以中小跨徑為主，中小跨徑橋梁單梁出現結構變形過大、破壞、傾覆或加固不能滿足規范要求[3]，主要采取單梁置換的處置思路。目前單梁置換通常選用同類結構替換，但混凝土主梁在澆筑過程中需要經過捆扎鋼筋、澆筑、齡期及張拉預應力等步驟，施工周期較長，不適用于快速搶修要求[4]。由于鋼結構抗拉、抗壓、抗剪強度均比較高，與混凝土等材料相比自重小，具有較大跨越能力，施工速度快等優勢[5-7]。因此，針對中小跨徑橋梁上部結構單梁快速置換方法，提出采用鋼混組合結構單梁置換方法。

1 傳統換梁方法適用性分析

正常使用情況下橋梁的單梁受損情況較少，單梁置換基本采用將受損的單梁置換為與原結構相同的混凝土梁。混凝土梁與原結構剛度匹配較好，但在應急搶修工程中，制作原結構梁需要耗費大量時間，且自重過大導致運輸不便，施工的周期過長，同時混凝土梁在應急搶修過程中由于沒有充分時間達到混凝土齡期，受收縮徐變影響較大。因此，工期要求緊迫的橋梁，有必要探索新的單梁置換方法，徹底解決以上問題。

2 理論分析

鋼混組合梁置換混凝土梁在確保結構具有足夠強度以外，在剛度不匹配的情況下，會導致鋼結構梁與混凝土結構梁接縫處的應力過大，從而產生裂縫甚至落梁，因此，混凝土梁單梁置換為鋼混組合結構梁主要問題為剛度匹配。

2.1 撓度分析

對于鋼混組合結構T 梁或箱梁在匹配剛度時可根據材料力學中撓度近似微分方程公式（1）

式中：ω 為撓度變形；M（x）為梁段彎矩方程；E 為材料彈性模量；I 為截面慣性矩。

由公式（1）可知，在荷載與跨徑相同的情況下，撓度僅與材料的彈性模量E 與截面慣性矩I 的乘積，既與彎曲剛度有關。通常改變結構剛度主要有3 種方法：①改善結構形式，減小彎矩M；②增大彎曲剛度EI；③增加支座，減小梁的跨度。但在單梁置換工程中，結構彎矩與主梁跨度很難進行優化，僅能通過控制截面尺寸與梁高來改變截面慣性矩控制截面剛度，從而達到撓度變形量相同的目的。而在鋼混組合結構置換混凝土結構梁中，由于截面材料種類不同，鋼材的彈性模量大于混凝土的彈性模量，導致置換鋼混組合結構后主梁橫向分布系數發生變化，在分析橫向分布系數問題與匹配剛度問題時可簡化為分析鋼混組合結構梁抗彎慣距與抗扭慣矩的問題。在主梁梁高不發生變化時，改變腹板與底板厚度可以控制抗彎慣矩與抗扭慣矩。

2.2 截面轉換分析

通常鋼混組合截面計算剛度時，先將混凝土橋面板采用截面換算的方法完全轉換為鋼截面，為保證截面的形心軸高度不發生變化，需要確保其轉換后主軸慣性矩不發生變化，換算截面應只改變截面寬度而固定其厚度。由此可根據公式（2）得出混凝土截面與鋼截面寬度關系式公式（3）

式中：bc為混凝土截面寬度；bs為鋼材截面寬度；Ac為混凝土截面積；As為鋼材截面積。

在中小跨徑單梁置換鋼混組合結構時，鋼混組合截面剛度應與原結構剛度匹配，因此需要將鋼結構轉換為等剛度的混凝土結構，由于箱梁截面復雜，轉換截面時無法確保截面形心高度在換算前后保持不變，因此無法采用截面轉換的方法將箱型鋼截面轉換為混凝土截面。

2.3 混合結構結合部連接

鋼混組合梁與混凝土梁結合部連接形式采用部分截面連接承壓傳剪式，依靠承壓鋼板以承壓的方式和水平抗剪連接件以水平剪力的方式共同傳遞梁的軸力。僅在鋼梁側對應混凝土梁的頂板、底板、腹板斷面范圍的箱格內填充混凝土。豎向剪力由混凝土斷面和連接于承壓鋼板的豎向抗剪連接件傳遞。該方式剛度過渡均勻，應力擴散好。鋼混結合面局部構造如圖1 所示。

圖1 鋼混結合面局部構造圖

3 鋼混組合結構有限元分析

3.1 基本參數

3.1.1 原混凝土梁結構形式

研究對象采用4 孔30 m 預應力混凝土連續箱梁，橋寬為15.25 m，梁高為1.6 m，單片梁寬2.4 m，濕接縫寬度0.588 m。原箱梁采用C50 混凝土，彈性模量Ec=3.45×104MPa。具體參數如圖2 所示。

圖2 混凝土結構斷面圖

3.1.2 鋼混組合結構形式

鋼混組合結構采用槽型鋼梁作為研究對象，混凝土橋面板采用C50 混凝土，彈性模量Ec=3.45×104MPa。鋼結構主梁采用Q345c 鋼材，彈性模量Es=2.06×105MPa，混凝土與鋼材彈性模量比值Es/Ec=5.971，鋼底板寬度腹板斜率與原混凝土結構保持一致，結構大致斷面如圖3 所示。

3.2 有限元模型

上部結構分析采用MIDAS/CIVIL2019 建立橋梁空間力學梁格模型。將原梁第4 片主梁替換為鋼混組合結構槽型梁，模型共計1 485 個節點，2 020 個單元。計算模型如圖4 所示。

圖4 上部結構計算模型

4 腹板與底板厚制對撓度的影響研究

4.1 計算方法

單梁置換主要考慮與原結構的匹配性，在保持鋼梁高度、底板寬度、頂板寬度與混凝土梁保持一致的前提下，分別以鋼腹板厚度為1、1.5、2、2.5、3 cm 底板厚度為2、2.5、3、3.2、3.4、3.6、3.8、4.0、4.2、4.5 cm 進行有限元計算，模型僅在移動荷載最不利情況下選擇4 車道對每一片梁截面慣矩與撓度變化進行分析。

4.2 計算結果分析

將計算所得數據進行統計見表1（表中僅為部分節選數據）。鄰梁撓度變化比率為相鄰2 片梁撓度差值的比率，為使更換后的混凝土梁變形接近原梁，應使鄰梁撓度變化的比率接近原混凝土梁。

表1 鄰梁撓度變化比率（節選）

由表1 可以看出，抗扭慣矩越大，相鄰梁撓度變化比率越小，置換后槽型鋼梁與原混凝土梁匹配度越高。在3—4 號梁之間撓度變化最明顯，抗扭慣矩從0.0265 m4增加至0.044 5 m4，兩梁撓度比從3.7%下降至1.78%，這是由于原混凝土梁為閉口截面，而槽型鋼為開口截面，閉口截面有比開口截面更好的截面抗扭慣矩，抗扭慣矩會影響截面的橫向分布系數，從而影響移動荷載的大小，更大的截面抗扭慣矩會使每片梁分配到的荷載更加均勻。將撓度、腹板厚與底板厚度做空間散點圖，如圖5—圖8 所示。

圖5 空間三維散點圖

圖6 腹板厚與撓度關系圖

圖7 底板厚與撓度關系圖

圖8 腹板厚與底板厚關系圖

與擬合慣性矩時方法相同，取原混凝土第4 片梁撓度0.997 cm 為標準值，統計撓度變化在±0.005 cm范圍內槽型鋼混組合結構梁抗彎慣距與抗扭慣矩散點圖，圖5—圖8 中黑點為符合要求的槽型鋼截面。取區間上邊緣與下邊緣的點進行抗扭慣矩擬合，擬合函數如圖9 所示。

圖9 底板厚與撓度關系圖

利用二次多項式對數據進行擬合得到腹板厚與底板厚的區間曲線公式為

y上邊緣=0.142 9x2-1.551 4x+5.6

y下邊緣=0.085 7x2-1.322 9x+5.02

式中：y 為底板厚；x 為腹板厚。

由于線性回歸決定系數R2大于0.95，因此函數擬合度較高。根據區間曲線公式結合每片梁之間的撓度差值可得槽型鋼混組合結構腹板厚度取值范圍為1.5～3 cm，底板厚度取值范圍為1.8～3.6 cm，選擇在此區間的截面尺寸帶入擬合函數得到的結果均符合要求。

5 結論

1）在置換混凝土箱型梁時，鋼混組合結構槽型梁需滿足梁高、底板寬度、腹板高度、腹板斜度與頂板開口間的距離與原混凝土梁保持一致，僅變化腹板厚度與底板厚度。

2）原30 m 混凝土箱梁腹板厚18 cm，底板厚18 cm，置換槽型鋼混組合結構后腹板厚度取值范圍為1.5～3 cm，底板厚度取值范圍為1.8～3.6 cm，在此區間的厚度均滿足剛度要求。

3）槽型鋼混組合梁置換混凝土箱梁時，雖然形心軸發生變化，但是采用截面轉換的方法，腹板厚度與底板厚度基本滿足剛度要求.

4）主梁剛度對彎矩的橫向分布與梁體撓度有直接影響，剛度越大，主梁撓度越接近于原結構，但剛度過大時可能對組合梁與原結構橫向連接處受力產生不利影響，采用組合結構置換單梁時應對接縫處進行補強。