斜交鋼混組合梁反力影響分析及設計

吳潤澤

(華設設計集團股份有限公司,南京 210000)

斜梁橋的力學特點與彎橋相似,具有彎扭耦合特性,由于受力情況較為復雜,成橋后工程病害問題較為突出,在跨高等級道路、河道及城市立體交通等方面,鋼混組合橋梁具備一定的優勢。

鋼混組合梁是混凝土橋面板與鋼梁之間通過剪力連接件形成組合截面,共同參與主梁受力的構件。對于單跨斜支撐鋼混組合梁橋,從結構受力特點來說具有與混凝土斜板、梁橋類似的力學特征[1]。斜度、彎扭剛度比及支撐剛度等因素對混凝土斜梁橋的結構力學特征有著較大影響。而鋼混組合梁在受力特性、施工工序等方面與混凝土斜梁有較大不同,本研究基于某工程實例對斜交鋼混組合梁的結構內力及支反力進行研究,重點對支承反力影響因素進行敏感性分析。

1 工程實例

某項目采用跨徑60 m斜支撐鋼混組合梁,斜交角度20°,橋梁全寬10 m。設置1#、2#兩片主梁,主梁之間通過中橫梁及橫肋連接。單片鋼梁梁端橫橋向下設兩個盆式支座。

橋梁采用雙主梁結構,鋼梁內輪廓梁高2.7 m,橋面板厚0.22 m,采用C50混凝土。鋼梁之間設有橫梁,間距10.8 m,間隔1.8 m設置頂板橫肋。鋼梁頂板厚12 mm,底板跨中處厚36 mm,支點處20 mm,腹板跨中厚14 mm,支點處16 mm。橋梁標準橫斷面布置如圖1所示。

單位:cm圖1 組合梁橫斷面布置Fig.1 Sectional arrangement of composite beams

2 工況分析與計算方法

2.1 工況分析

《混凝土斜梁橋》[2]分別從彈性支承模式ESS和簡化的剛性支承模式RSS給出了斜梁支反力及內力的理論解析解,總結得出,對于混凝土斜梁橋,鈍角與銳角處的反力差與斜梁橋本身的斜度φ及彎扭剛度比k有關,斜度越大,二者的反力差越大,彎扭剛度比越小,二者反力差越大。考慮到鋼混組合斜梁橋在結構受力特點上應具有與一般斜彎梁橋的共性特征,從調整斜度、彎扭剛度比、施工工況上擬定工況,具體從以下幾個方面進行研究:

①斜交角度。案例原斜交角為20°,增加10°、30°斜交角作為對比工況進行分析,考慮斜度對支承反力及結構內力的影響。②彎扭剛度比。對于多梁式鋼混組合梁,整體橫向剛度和扭轉剛度較小,結構的彎扭剛度比可進一步反映在主梁間中橫梁的數量上,通過調整橫隔板數量分析對支承反力的影響。橫隔板布置設置如下4個工況,斜交角20°。 ③端橫隔板抗彎剛度。在混凝土斜橋中,端橫梁剛度在一定范圍內變化會引起反扭矩和梁內扭矩、跨中彎矩的急劇變化。端橫梁采用24 mm厚橫隔板,橫梁不考慮橋面板的鋼梁截面抗彎慣性矩I_d=8.203×1010mm4,設置對比工況3Id、10Id。中橫梁布置間距10.8 m,斜度20°。④施工工序。鋼混組合梁在鋼梁架設和混凝土橋面板澆筑過程中,是否設置中間臨時墩對主梁受力和支反力影響較大[3-4]。如不設置臨時墩,則鋼梁自重、混凝土橋面板濕重均僅由鋼梁承擔。在二期鋪裝及活載作用下,混凝土橋面板參與共同受力。由于結構剛度、受力體系等變化,在進行鋼混組合梁分析時必須考慮施工工序的影響。鋼筋混凝土橋面板采用整體現澆橋面板。

2.2 計算方法

采用梁單元建立有限元桿系模型,兩道縱梁和中橫梁、頂板橫肋之間通過節點連接,橋梁外邊緣線增加兩道虛擬縱梁,與縱橫梁共同形成梁格體系。組合梁截面采用施工階段聯合截面,通過分階段激活橋面板的自重和截面特性模擬施工階段主梁受力。

建立實體單元模型對梁格法結果進行可靠性驗證。鋼梁采用板殼單元模擬,混凝土橋面板部分采用四面體單元模擬。考慮橋面板與鋼梁之間采用密焊釘連接,模型中橋面板與鋼梁之間簡化為共節點連接。

3 結果分析

3.1 斜度對組合梁內力及支反力的影響

圖2反映的是梁格法模型中組合縱梁跨中彎矩隨斜度的變化情況。由計算結果可知,在剛性支承模式下,鋼混組合縱梁跨中彎矩隨斜度增加而降低,與混凝土斜梁內力變化狀況一致。

圖2 跨中彎矩(基本組合)隨斜度變化Fig.2 Changes of mid-span bending moment (basic combination) with slope

圖3、圖4反映的是雙主梁斜支撐鋼混組合梁支反力隨斜度調整的變化情況。可以看出,銳角處外側支座(支座2-2、支座3-1)隨斜度增加呈線性減小,鈍角處外側(支座1-1、支座4-2)隨斜度增加呈線性增加。

圖3 支反力(標準組合)隨斜度變化Fig.3 Changes of support reaction (standard combination) with slope

圖4 支反力(恒載)隨斜度變化Fig.4 Changes of support reaction (dead load) with slope

3.2 橫隔板數量對支反力的影響

基于案例斜度20°簡支鋼混組合梁,考慮調整中橫梁數量對支承反力影響。從圖5可以看出,在標準組合下,對于雙梁式單跨斜支撐組合梁橋,梁間中橫隔板數量增加,支反力無明顯增大或減小趨勢,橫隔板數量對支反力分布影響有限。考慮是普通橫隔板對該類型橋梁扭轉剛度貢獻不足造成的。

圖5 支反力(標準組合)隨橫隔板數量變化Fig.5 Changes of support reaction (standard combination) with the number of transverse partitions

3.3 支承橫隔板剛度對支反力的影響

支座1-1、2-1分別為1#、2#主梁的鈍角側支座,支座1-2、2-2分別為1#、2#主梁的銳角側支座。從圖6中可以看出,當端橫隔板由Id增加至3Id時,鈍角側支座支反力有較為明顯的下降,銳角側支座支反力有較為明顯的增加,而當端橫隔板剛度由3Id增加至10Id時,則下降趨勢明顯減弱,表明端橫隔板剛度只在一定范圍內對支反力分布影響較為顯著。

圖6 支反力(恒載)隨端橫梁剛度變化Fig.6 Changes of support reaction (dead load) with the stiffness of the end beam

3.4 施工工序對支反力的影響

圖7、圖8表明,對于鈍角處支座1-1、支座2-1,施工過程中不考慮設置臨時支墩,即混凝土澆筑過程中濕重全部由鋼梁承擔時,最終恒載及標準組合下支反力較考慮設置臨時支墩偏大。對于銳角處支座1-2、支座2-2,不考慮設置臨時支墩則較考慮設置臨時支墩結果偏小,即施工過程中不考慮設置臨時支墩會導致反力差(鈍角-銳角)增大。這點與多梁式混凝土斜梁橋不同,裝配式混凝土梁橋一期恒載主要由各片主梁獨自承擔,而鋼混組合梁橋在鋼-混組合截面形成整體前,混凝土橋面板濕重通過縱橫鋼梁對支承反力進行分配,導致恒載作用下支反力分布不均。

圖7 支反力(恒載)對比Fig.7 Comparison of support reaction (dead load)

圖8 支反力(標準組合)對比Fig.8 Comparison of support reaction (standard combination)

3.5 梁格法與實體有限元模型分析對比

實體模型按與梁格法同施工工況下進行對比分析,施工過程中設置中間臨時墩。從表1可以看出,除支座2-1外,其余支座支反力在梁格法與實體模型對比中基本能控制在10%以內,當1#梁、2#梁雙支座支反力合并統計后,鈍角側和銳角側支反力兩種方法計算結果誤差分別達到-3%、7%,梁格法計算結果能夠較準確地反映斜支承鋼混組合梁的支反力分布情況。

誤差=(梁格法-實體模型)支反力/實體模型支反力。

表2進一步分析了鈍角側與銳角側的支承反力差。可以看出,實體模型計算反力差較梁格法更大,即單側支反力分布更加不均勻,這可能與梁格法端橫梁模擬時線剛度偏小有關。

表2 1#、2#梁鈍角側與銳角側支承反力差Tab.2 Poor reaction force between the obtuse angle side and the acute angle side of the 1# and 2# beams

4 結論

通過計算及相關分析可以得到以下結論:對于雙梁式斜支撐單跨鋼混組合梁橋,隨斜度增大,鈍角側支反力線性增大,銳角側支反力線性減小,組合梁跨中彎矩也隨之減小。調整中間普通橫梁數量,對梁端支反力分布影響有限。設計過程中,不建議盲目加密中橫梁數量。端橫梁剛度在一定范圍內會影響鈍角側、銳角側支反力分布,超過該范圍,對支反力分布影響較小。對鋼混組合梁而言,設計中應重視施工過程的影響,當橋面板采用整體現澆工藝時,不設置臨時支承施工較設置臨時支承施工支反力分布更不均勻。