鋼板組合梁橋混凝土溫度效應研究

秦敏QIN Min

（安徽省路興建設項目管理有限公司，阜陽 236045）

0 引言

近年來，鋼板組合梁橋作為廣泛應用于橋梁工程的結構形式，其施工工藝及性能研究備受關注。段亞軍等[1]綜述了鋼板組合梁橋的施工工藝，著重介紹了頂推法、吊裝法以及橋面板的預制和現澆施工等關鍵環節。周輝的研究[2]通過數值模擬深入探討了鋼-混組合梁界面滑移效應與掀起效應之間的相互影響。張彥玲等[3]通過試驗研究鋼-混凝土組合梁的性能，發現橫隔板數目對切向滑移影響相對較小。齊書瑜的研究[4]通過彎扭性能模型試驗發現，曲線組合梁在負彎矩與扭矩作用下，切向和徑向滑移隨跨徑比減小而減小。張興虎等[5]提出了一種新型鋼-混凝土組合梁設計方案，通過試驗表明其相對于傳統組合梁具有更高的抗剪承載力和變形能力。焦馳宇等[6]通過有限元軟件研究了梁格法在曲線箱梁橋的適用條件，并提出了單梁法和梁格法在應力計算中的對比。滿建琳[7]對4 跨鋼-混組合曲線連續箱梁橋進行了全橋模擬分析，關注了支座反力、橋面板位移和結構應力等關鍵參數。在這一背景下，本文旨在深入研究鋼板組合梁橋的溫度效應，通過參數分析探討其在不同工況下的性能變化，為鋼板組合梁橋的設計和實際工程應用提供科學的理論支持。

1 工程背景

項目位于阜陽市，路線全長6.273 公里，一級公路建設標準，公路段長度5.45 公里，市政段長度0.85 公里，引橋為預應力組合箱梁，預制梁板共計176 片，引橋下部結構橋臺采用肋板式橋臺、樁基礎，橋墩采用樁柱式橋墩、樁基礎。

2 有限元建模說明

采用有限元分析軟件Abaqus，通過空間模型簡化建立全橋有限元分析模型。簡化的過程就是將實際的小半徑鋼板組合梁橋通過力學抽象，進而簡化為能用于矩陣分析的空間力學模型。模型簡化必須使力學模型盡可能符合實際原型結構。模型中選用的單元類型必須能夠模擬實際構件的受力特征，同時采用的單元參數要符合實際構件的參數，邊界約束狀況必須和實際結構的約束狀態相符。在建模過程中，鋼板組合梁的鋼箱梁采用殼單元進行模擬，混凝土橋面板均采用實體單元模擬，支座采按照實際工程進行布置。部分有限元模型示意圖如圖1～圖2 所示。

圖1 Abaqus 有限元模型圖

圖2 網格劃分圖

3 關鍵參數敏感性分析

3.1 計算跨徑的影響規律

圖3（a）～圖3（c）為整體升、降溫作用下，內、外側主梁的彎矩、剪力、扭矩最大值隨計算跨徑的變化規律。由圖3（a）可見，在整體溫度作用下，各個計算跨徑的組合梁橋內、外側主梁的彎矩最大值變化規律類似，整體升溫產生的效應值為整體降溫的1.125 倍，原因是在考慮溫度效應時取原始溫度為0℃，整體升溫為27℃，整體降溫為-24℃，整體升溫數值為整體降溫的1.125 倍。

圖3 不同計算跨徑下的溫度效應影響

由圖3（a）～圖3（c）可見，各計算跨徑的組合橋梁在不同的整體溫度工況下，內、外側梁的最大彎矩值均隨計算跨徑的增大而增大，當計算跨徑由l=4×20m 增至l=4×40m，整體升、降溫工況下內側梁彎矩最大值的增幅分別為29.54%、29.46%，外側梁最大彎矩值的增幅分別為22.33%、21.01%。且內、外側最大彎矩圖在數值上差別不大，特別的有計算跨徑在20m 和30m 的時候會稍有區別，在其他跨徑下兩側主梁的最大彎矩值基本相同。除計算跨徑為4×25m 的組合梁橋外，整體升溫下內側主梁產生的最大剪力值略大于外側梁，但最大剪力值數值都很小。在整體升溫作用下，內、外側主梁最大剪力值隨著計算跨徑的增大而減小，當計算跨徑由l=4×20m 增至l=4×40m 時，內、外側主梁最大彎矩值的降幅分別為62.05%、78.21%。在整體升溫作用下，內、外側主梁最大扭矩值隨著計算跨徑的增大整體上呈下降趨勢，并且下降幅度特別大，說明整體溫度作用下組合梁橋的扭矩值關于計算跨徑的敏感性很高，但是由于扭矩整體的數值非常小，所以整體升溫對主梁扭矩影響很小。綜上來看，整體溫度作用下組合梁橋的溫度效應關于計算跨徑的參數敏感性很高。

在正溫度梯度作用下，各計算跨徑的組合梁橋控制截面處的最大彎矩變化值成規律性變化，主梁抗彎最不利截面位于兩邊跨內支點處。從數值上看，正溫度梯度作用下在組合梁橋上產生的彎矩值很大，以原始橋例（R250、4×25m、雙主梁構造）為例主梁在正溫度梯度作用下的彎矩最大值分別為1701.32kN·m。在正溫度梯度作用下，各個計算跨徑的組合梁橋彎矩分布規律性強，主梁彎矩變化最大值隨計算跨徑的增大而增大，當計算跨徑由l=4×20m 增至l=4×40m 時，主梁的彎矩最大值由1404.25kN·m 增至1701.32kN·m，增幅為21.15%。各跨剪力值的分布規律呈現出較大的差異性；主梁剪力值分布規律基本相同，在各支點處有較大突變，主梁抗剪最不利截面位于兩邊跨內支點處。以原始橋例（4×40m）為例，主梁在兩抗剪最不利截面處的剪力值分別為-88.09kN（第一跨內支點）、88.09kN（第四跨內支點）。

3.2 鋼梁高跨比的影響規律

由圖4（a）～圖4（c）可見，在整體升溫作用下，主梁最大彎矩值隨鋼梁高跨比的增大而增大，當鋼梁高跨比由1/27 變為1/18 時，主梁最大彎矩值的增幅為46.74%。由此說明，相比于車道荷載，在整體溫度作用下，組合梁橋的最大彎矩值關于鋼梁高跨比的參數敏感性很高。在整體溫度作用下，各鋼梁高跨比的組合梁橋主梁的剪力最大值變化規律類似，整體升溫產生的效應值為整體降溫的1.125倍，原因與彎矩相同。整體升溫下主梁產生的最大剪力值較為接近。在整體升溫作用下，主梁的最大剪力值隨鋼梁高跨比的增大而增大，當鋼梁高跨比由1/27 變為1/18 時，主梁最大剪力值的增幅為35.88%。在整體升溫作用下，內、外側主梁最大扭矩整體呈下降趨勢，當鋼梁高跨比由1/27 變為1/18 時，其降幅為51.40%。

圖4 不同鋼梁高跨比下的溫度效應影響

正溫度梯度作用下，在組合梁橋上產生的最大彎矩值很大，以高跨比為1/18 的橋例為例，主梁在正溫度梯度作用下的彎矩最大為1733kN·m。在正溫度梯度作用下，各個鋼梁高跨比的組合梁橋彎矩值差異較大，主梁彎矩最大值均隨鋼梁高跨比的增大而增大，如當鋼梁高跨比由1/27增至1/18 時，主梁的彎矩最大值由1223kN·m 增大為1733kN·m，增幅為41.70%。總體來說，在正溫度梯度作用下，組合梁橋彎矩值關于鋼梁高跨比的參數敏感性較高，且內、外側梁的敏感度較為接近。各跨內的剪力分布規律呈現出較大的差異性，在各支點處有較大的突變，主梁抗剪最不利截面位于兩邊跨內支點處。以高跨比為1/18 的橋例為例，主梁在兩抗剪最不利截面處的剪力值分別為-78.29kN（第一跨內支點）、78.29kN（第四跨內支點）。在正溫度梯度作用下，主梁的剪力值（絕對值大小）隨鋼梁高跨比的增大而減小，當鋼梁高跨比由1/27 增至1/18 時，主梁的最大剪力值由81.14kN 減小為74.81kN，降幅為8.46%。由此可知，在正溫度梯度作用下，主梁的剪力值關于鋼梁高跨比的敏感性較高，鋼梁高跨比的變化會對組合梁橋在梯度溫度作用下的剪力值產生較大影響。主梁的扭矩分布規律類似，在全橋范圍內的扭矩分布大致關于跨中中心反對稱，扭矩分布呈現出不光滑的峰谷交替鋸齒狀，震蕩往復頻率較高，尤其是在各中支點處會出現較大的起伏，說明中橫梁等橫向聯系會對扭矩值的變化產生較大影響。以原始橋例（R250、4×25m、雙主梁構造）為例，主梁的最大扭矩值為101.96kN·m。在正溫度梯度作用下，主梁扭矩最大值均隨主梁高跨比的增大而增大，當鋼梁高跨比由1/27增至1/18 時，主梁的最大扭矩值從29.58kN·m 增大到35.18kN·m，其增幅為18.93%。可見，鋼板組合梁橋的扭矩最大值關于鋼梁高跨比的參數敏感性較高，鋼梁高跨比的變化會對扭矩值產生較大的影響。

4 結論

通過改變鋼板組合梁的設計參數，本章研究了計算跨徑和鋼梁高跨比對其受力性能的影響。在整體升降溫和主梁截面梯度升降溫作用下，剪力和扭矩較小，可忽略。然而，整體升降溫對主梁彎矩的影響顯著，達到自重+汽車荷載下彎矩的10%。曲率半徑的變化影響組合梁橋的彎曲程度，越大則越接近直橋，彎扭耦合效應減弱，內外側主梁受力更均勻。在溫度梯度作用下，剪力和扭矩可忽略，但整體升降溫對主梁彎矩的影響更大，變化略大于溫度梯度作用下的彎矩。