某高速公路鋼板組合梁有限元分析

鄭翠鳳

(廣西交建工程建設集團有限公司,廣西 南寧 530006)

0 引言

橋梁是國家高速公路網和省級高速公路網的重要組成部分。大跨徑、特大跨徑橋梁一般采用特殊結構型式,往往是高速公路的控制性工程,而中小跨徑橋梁占比較大,一般達到90%以上,因此中小跨徑橋梁結構選型尤為重要。目前橋梁建設中,跨徑≤40 m的橋梁,大多采用裝配式T梁、箱梁等后張法預應力混凝土結構型式。但預應力混凝土結構現場施工質量不易控制,作業工序復雜,產業工人耗費量大,建設工期長,砂石料需求量大,已經不能滿足橋梁工業化建造的需求。鋼混組合結構具備自重輕,自然資源耗費少,施工速度快等顯著優勢,在國外尤其是歐洲國家中得到了大規模的應用。鋼混組合結構中鋼板組合梁力學概念清晰,用鋼量較省,便于制造運輸,在國內沿海及平原地區得到了一定的推廣應用。

國內學者對鋼板組合梁相關研究較多。王東偉等[1]對鋼板組合梁施工技術及關鍵工序進行了探討;荊偉偉等[2]綜合考慮強度、穩定性及傾覆等關鍵問題,提出了一套適用于鋼板組合梁的架設施工安全監測方法;羅攀[3]探討了鋼板組合梁的設計關鍵要點并對混凝土裂縫控制和收縮徐變影響進行了分析研究;過令等[4]結合山區地形地質條件,通過具體工程研究了輕質鋼板組合梁一體化施工技術;季云峰等[5]基于ANSYS軟件分析了鋼板組合梁焊釘剪力連接件的可靠性;楊凱等[6]從腹板穩定性角度,通過理論分析與有限元計算,對腹板加勁肋的設計原則與布置方法進行了研究。關于鋼板組合梁相關研究主要涉及結構設計和施工工藝等方面內容,對結構的整體計算分析研究較少。本文以某高速公路30 m跨度簡支鋼板梁為研究對象,對結構的設計與受力情況進行了分析,為同類型橋梁的實際應用提供參考。

1 工程背景

某高速公路為雙向六車道設計,設計速度為120 km/h,汽車荷載為公路Ⅰ級。通過常規混凝土橋與鋼板組合梁橋全生命周期綜合效益對比分析,并考慮工業化、輕質化設計理念后,橋高<20 m的橋梁上部結構按30 m跨度鋼板組合梁設計。鋼板高度為1 700 mm,橋面板混凝土等厚,厚度為250 mm,鋼板與混凝土之間采用焊釘連接,并設置50 mm厚度的橡膠墊條。鋼梁上下翼緣寬度分別為600 mm和700 mm,板厚分別為24 mm和28 mm,腹板厚度為14 mm。橫隔板間距為5 000 mm,共設置7道橫隔板,其中短橫隔板和中橫隔板高度分別為1 350 mm和1 100 mm。典型橫斷面如圖1所示。

圖1 典型橫斷面圖(mm)

橫隔板與鋼梁采用栓接連接,橫隔板頂部與鋼梁頂部齊平以便于橋面板混凝土施工。鋼板組合梁鋼板全部采用耐候鋼設計,材料類型為Q355NHC,彈性模量為206 GPa,泊松比為0.31,橋面板混凝土強度等級為C50,彈性模量為34 500 MPa,泊松比為0.2。橋梁結構類型為結構簡支,橋面采用連續形式。

2 有限元分析模型

鋼材與混凝土具有不同的材料特性,同時從單元類型上也具有差異,鋼板為薄板結構,宜采用板殼單元模擬,橋面板混凝土為厚板,宜采用實體單元模擬。基于以上思路,依托ABAQUS軟件,將鋼板梁、端橫梁、中橫梁和橋面板混凝土進行離散化,其中鋼材部分單元類型為S4R,混凝土單元類型為C3D8R,均采用一階線性單元形式。單元網格尺寸<200 mm,鋼板上翼緣與橋面板混凝土保持50 mm墊條空間并采用節點耦合連接,不考慮鋼材與混凝土之間的滑移作用。有限元模擬時充分考慮施工階段的影響,分別建立橋面板混凝土作為濕重荷載前的模型和結合后的整體模型,鋼板考慮螺栓和局部加勁肋重量,取自重系數為1.06。活載按照車道荷載加載,分別考慮中載和偏載兩種情形。所建立的有限元模型如圖2所示。

(a)橋面板混凝土安裝前

3 數值模擬結果分析

3.1 結構基頻分析

鋼板組合梁自重輕,活載占比較大,為此,對活載沖擊系數的計算尤為重要。在有限元模型中將結構自重轉化為質量,鋪裝層不作為結構剛度的一部分,不計鋪裝層作用。考慮到模型結構整體比較簡單,單元節點相對較小,此處采用lanczos方法對結構振型特征值進行求解。計算得到結構基頻下的振型云圖如圖3所示。

圖3 結構基頻下的振型云圖(mm)

計算結果表明:(1)在本文所選取的單元網格尺寸下,鋼梁與橋面板混凝土未發生明顯滑移,進一步驗證了模型的可靠性,該有限元模型能夠用于鋼板組合梁相關研究;(2)簡支鋼板組合梁一階振型表現為主梁的豎向撓區變形,結構基頻為4.4 Hz,經規范計算[7],活載沖擊系數為0.25,將沖擊系數考慮到后續應力計算中。

3.2 結構應力分析

鋼梁架設后,安裝橋面板混凝土,此時鋼梁與橋面板混凝土未形成聯合截面,將橋面板混凝土以濕重形式施加在鋼板梁上翼緣處,計算得到鋼梁翼緣應力如圖4所示。

圖4 鋼梁翼緣應力云圖(MPa)

鋼梁在自重和橋面板混凝土濕重作用下,上翼緣最大壓應力為84.6 MPa,下翼緣最大拉應力為69.1 MPa,應力水平較低,因此鋼板組合梁施工階段應力不是設計控制的重點關注環節。此外經此階段穩定性屈曲分析發現,鋼板梁不會產生失穩問題,進一步表明密肋式鋼板梁整體剛度較大,鋼材利用率較高,應重點關注成橋狀態下的鋼梁應力。

成橋狀態下,綜合考慮自重、二期鋪裝、溫度作用和車道荷載影響,按照基本組合分別提取鋼梁在中載和偏載下的應力,如圖5和圖6所示。

圖5 中載作用下的翼緣應力云圖(MPa)

圖6 偏載作用下的翼緣應力云圖(MPa)

鋼板組合梁鋼結構部分由于縱梁與橫梁相連接,呈現典型格子梁特征,在偏載作用下,邊梁下翼緣應力較大,最大值為191.1 MPa,其數值比中載下的應力高21.9 MPa,因此對于具有格子梁特征的鋼板組合梁,活載分析時必須考慮偏載的影響。通過計算發現,成橋后,由于橋面板混凝土與鋼梁形成聯合作用,主梁中性軸向上移動,鋼梁上翼緣應力降低,因此,對于焊接鋼板梁設計時在確保翼緣參數滿足規范的前提下[8],上翼緣板厚取低值,下翼緣板厚應結合計算結果選取。

3.3 下翼緣板厚參數分析

為研究鋼板梁下翼緣板厚變化對應力結果的影響,分別取板厚為22 mm、24 mm、26 mm、30 mm和32 mm進行分析,分析時鋼梁其他參數均保持不變,計算得到鋼板梁最大拉應力隨下翼緣板厚的變化規律如后頁圖7所示。

圖7 鋼板梁最大拉應力隨下翼緣板厚變化曲線圖

計算結果表明:鋼板組合梁下翼緣最大拉應力隨板厚變化基本呈線性關系,隨著板厚的增加,最大拉應力逐漸減小,但較小幅度有所降低。本文所選取的下翼緣厚度28 mm基本合適,當板厚進一步減小后,不考慮重要性系數,最大拉應力將>200 MPa,此時鋼材安全富裕度較小。

4 結語

本文以某高速公路30 m跨度鋼板組合梁為研究對象,闡述了結構設計參數,得到了結構基頻及振型,對施工階段和成橋狀態應力進行了分析。在本文所選取的鋼板組合梁參數下,結構應力<200 MPa,具有一定的安全富裕度。另外,經參數化計算分析,下翼緣板厚對應力影響較大,隨板厚增加,最大拉應力基本呈線性下降趨勢,設計時應綜合考慮造價和應力水平,對鋼板參數進行合理取值。