小半徑管翼緣組合梁橋剛度及動力性能研究

摘要 文章對管翼緣組合梁曲線橋和工字鋼-混凝土組合梁曲線橋進行了工程實例的對比，以國內某橋為例，采用（36+48+36） m連續管翼緣組合梁橋和（36+48+36） m連續工字鋼混凝土組合梁橋，平面位于半徑為100 m的圓曲線上，橫向布置為單向三車道，荷載等級為公路-I級。通過Midas Civil軟件對兩種方案進行了建模分析，并考慮恒載、移動荷載、溫度作用和支座沉降等因素，對兩種方案的橋型結構剛度及動力性能進行了計算分析。

關鍵詞 管翼緣組合梁；小半徑曲線橋；動力性能

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）17-0122-03

0 引言

近年來，在對已有的鋼-混組合梁研究基礎上，隨著材料科學、結構設計理論的發展，鋼-混凝土組合梁出現了多種截面形式及多種新材料[1]。其中，由美國Lehigh大學Sause教授[2]提出的新型管翼緣組合梁就是一種新型鋼-混組合梁，將工字鋼-混凝土組合梁中的平板上翼緣用矩形或圓形代替形成新型的鋼-混凝土組合梁，其中管翼緣可以采用內填混凝土或空心截面形式。

國內已建成的管翼緣組合梁橋有陜西省眉縣常興鎮魏家堡水電站的常興二號橋、跨黃延高速的K18+496.141車行天橋。眉縣常興二號橋為一跨54 m矩形管翼緣鋼-混凝土簡支梁橋[3]，橋寬16 m，主梁采用6片簡支的新型管翼緣組合梁，鋼主梁間距為2.8 m；跨黃延高速K18+496.141車行天橋采用兩跨2×28 m連續梁，橋面寬5.5 m，采用3片焊接矩形管翼緣組合梁，主梁間距為1.8 m，鋼梁1.25 m。兩座已建成的矩形管翼緣組合梁橋如圖1所示：

圖1 國內已建成管翼緣鋼混組合梁橋照片

對管翼緣組合梁曲線橋和工字鋼-混凝土組合梁曲線橋進行工程實例的對比，利用Midas Civil軟件對曲線管翼緣組合梁橋及曲線工字鋼組合梁橋，在不同荷載組合下的剛度及動力性能進行研究。

1 工程概況

對新型管翼緣組合梁橋和工字型組合梁橋進行深入的對比分析。實例采用（36+48+36） m連續管翼緣組合梁橋和（36+48+36） m連續工字鋼混凝土組合梁橋，平面位于半徑為100 m的圓曲線上，橫向布置為單向三車道，斷面橫向采用5片焊接組合梁作為主梁，主梁梁高2.2 m，主梁中心間距為2.8 m，懸臂寬度為1.4 m，荷載等級為公路-I級。

通過Midas Civil軟件對兩種方案進行建模分析，并考慮恒載、移動荷載、溫度作用和支座沉降等因素，對兩種方案的橋型剛度及動力性能進行分析。

主要材料如下：

（1）混凝土

主梁方管翼緣內填C50收縮自補償型微膨脹混凝土，橋面板采用C50混凝土，橋面鋪裝為水泥混凝土。

（2）普通鋼筋

采用符合《鋼筋混凝土用鋼 第1部分：熱軋光圓鋼筋》（GB 1499.1—2008）和《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB 1499.2—2007）相關規定的HPB300、HRB400鋼筋。

（3）鋼材

所用鋼結構部分的鋼材均使用Q345qCNH鋼板。

（4）高強螺栓

鋼梁連接所用的高強螺栓、螺母、墊圈符合GB/T 1228～1231—2006的要求。

（5）橋面鋪裝

鋪設10 cm厚的水泥混凝土。

2 兩種組合梁橋設計方案

2.1 矩形管翼緣鋼-混凝土組合梁橋設計方案

主梁由縱梁、橫梁和橋面混凝土板組成，鋼結構部分含主梁、橫梁；鋼結構部分均采用Q345qCNH鋼材。40 m跨主梁梁高2.2 m，鋼結構部分高度為1 920 mm，橫向5片鋼梁梁高一致。上翼緣方管尺寸為（500×250×14） mm，下翼緣板厚度為30 mm，寬720 mm，腹板厚16 mm。管翼緣組合梁橫斷面構造如圖2所示。

2.2 工字鋼-混凝土組合梁橋設計方案

工字鋼-混凝土組合梁橋設計方案的工字鋼-混凝土組合梁與管翼緣-鋼混凝土組合梁的抗彎剛度相同，梁高、混凝土板尺寸均相同，各部分材料特性也相同，如圖3所示：

3 有限元計算分析

3.1 有限元模型

根據結構構造，采用Midas Civil 2015軟件建立靜力分析的有限元模型，如圖4所示：

3.2 荷載施加

計算過程考慮恒載、汽車荷載、溫度作用、橋墩基礎不均勻沉降、風荷載、活載風、離心力等因素影響[4]。

3.3 荷載組合及計算分析斷面

在進行主梁驗算時，主要分析不同荷載工況下控制截面的鋼梁上下翼緣應力、混凝土頂板應力和組合梁的變形。計算分析斷面示意如圖5所示，A-A截面為第一跨支點截面，B-B截面為第一跨跨中截面，C-C截面為中支點截面，D-D截面為第二跨跨中截面，E-E截面為中支點截面，F-F截面為第三跨跨中截面，G-G截面為第三跨支點截面。

3.4 剛度分析

管翼緣鋼-混凝土組合梁的變形限值參考工字鋼-混凝土組合梁橋，結構的豎向活載撓度應不大于L/600；結構在恒載、活載作用下的撓度之和大于L/1600時應設置的預拱度，預拱度為計算得到的恒載位移，再疊加上1/2活載引起的最大位移，恒載、活載及不同荷載組合作用下的跨中最大撓度見表1所示。通過計算可知，在活載作用下兩種結構的跨中最大撓度均小于L/600=80 mm，因此結構變形符合規范要求。由于相同主梁片數、等梁高的管翼緣組合梁橫截面面積和抗彎剛度與傳統工字鋼-混凝土組合梁相等，但抗扭剛度較高，因此管翼緣鋼-混凝土組合梁橋的豎向撓度小于工字鋼-混凝土組合梁，表現出更強的整體剛度。

準永久組合作用及基本組合作用下兩種組合梁B-B、D-D截面撓度如圖6所示。從圖6可看出，準永久組合作用下的兩種組合梁撓度沿橫截面分布基本一致，管翼緣組合梁與工字鋼混凝土組合梁相比，撓度偏小；基本組合作用下的管翼緣組合梁撓度比工字鋼混凝土組合梁小10%～15%。

3.5 動力特性分析

橋梁的動力特性，只與結構本身的固有性質有關，頻率可以宏觀地表征結構的剛度[5]。對兩座橋進行動力特性計算，將恒載轉化為質量利用Lanczos法進行特征值分析，兩座組合梁橋的頻率及振型計算結果見表2所示。由計算結果可看出，管翼緣組合梁與工字鋼-混凝土組合梁的前三階振型相同，管翼緣組合梁橋各階自振頻率略高于工字鋼-混凝土組合梁橋，表現出更高的抗扭、抗彎剛度。

4 結論

該文在相同的工程背景下，分別設計了曲線管翼緣鋼-混凝土組合梁橋和工字鋼-混凝土組合梁橋，通過對兩種形式組合梁橋的剛度及動力特性分析計算[6]，得到了如下結論：

準永久組合作用下的兩種組合梁撓度沿橫截面分布基本一致，管翼緣組合梁與工字鋼混凝土組合梁相比，撓度偏小；基本組合作用下的管翼緣組合梁撓度比工字鋼混凝土組合梁小10%～15%。

對兩種截面形式的曲線組合梁橋進行動力特性分析，發現兩種方案的前三階振型一致，分別為扭轉、橫向彎曲、豎彎與扭轉耦合[7]；管翼緣組合梁橋三階頻率均高于工字鋼-混凝土組合梁，表現出更高的抗彎、抗扭剛度。

參考文獻

[1]胡少偉.組合梁抗扭分析與設計[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]Sauce R.， Abbas H.， Kim B. G.， et al. Innovative High Performance Steel Girders for Highway Bridges [C]. Bridge Materials 2001， 309-318.

[3]翟曉亮.帶鋼管混凝土上翼緣的鋼—高性能混凝土組合梁抗剪性能試驗研究[D].西安：長安大學，2009.

[4]堯國皇.鋼管混凝土構件在復雜受力狀態下的工作機理研究[D].福州：福州大學，2006.

[5]過鎮海.鋼筋混凝土原理[M].北京：清華大學出版社，1999.

[6]項貽強，程坤，吳強強.鋼筋混凝土構件彎剪扭復合受力分析研究與進展[J].中國公路學報，2014（4）：46-54.

[7]江婧.超小半徑曲線梁橋受力特點和合理約束方式研究[D].長沙：中南大學，2010.