屈計(jì)劃

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)為“工”字型鋼梁，橋面板采用縱橫向分塊預(yù)制，架設(shè)后采用濕接縫連成整體，鋼梁與橋面板間采用剪力釘連接形成組合受力結(jié)構(gòu)[1,2]，鋼梁工廠加工，橋面板預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，鋼梁與橋面板現(xiàn)場(chǎng)拼接。該種結(jié)構(gòu)形式充分發(fā)揮了鋼梁與混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)構(gòu)受力明確、施工方便、節(jié)約工期、便于工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[3,4]，代表著工業(yè)化技術(shù)發(fā)展的新方向，提升了公路橋梁的品質(zhì)，為推動(dòng)公路建設(shè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提質(zhì)增效起到了一定的引領(lǐng)作用。

本文以標(biāo)準(zhǔn)跨徑35 m鋼板組合梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，橋梁按35 m簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)寬度14 m，橫向布置2片鋼梁，間距7.5 m，鋼梁采用“工”字型，梁高1.8 m，下翼緣寬1.0 m，上翼緣寬0.5 m，鋼梁頂面橋面板采用變厚布置，橫向跨中厚度26 cm，鋼梁頂面厚度40 cm，橋面板橫向分4塊預(yù)制，于橫向跨中及鋼梁頂面設(shè)置3道現(xiàn)澆濕接縫。兩片鋼梁間橫向每間隔5 m設(shè)置一道小橫梁，高度0.6 m。鋼縱梁及小橫梁頂面均設(shè)置剪力釘，通過(guò)現(xiàn)澆濕接縫與預(yù)制橋面板連成整體。該結(jié)構(gòu)形式整體受力方面，橋面板作為結(jié)構(gòu)上翼緣承擔(dān)壓力，鋼梁承擔(dān)拉力。局部受力方面，橋面板為縱向支承間距5 m，橫向支承間距7.5 m的雙向受力板。以下分析該雙向受力混凝土板的空間受力、小橫梁支承剛度、橋面板剪力滯效應(yīng)等結(jié)構(gòu)空間受力性能及影響因素，為橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 鋼板組合梁橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

1 精細(xì)化分析模型

模型采用空間網(wǎng)格梁?jiǎn)卧M[5]，橫斷面上將每道主縱梁及小橫梁均離散為單個(gè)單元，為重點(diǎn)考慮橋面板受力，橋面板每0.5 m寬度離散為一個(gè)單元，單元?jiǎng)偠燃礊樗韺挾鹊慕孛鎰偠龋v橋向鋼梁每2 m離散為一個(gè)單元，橋面板每0.5 m離散為一個(gè)單元。鋼梁重量按實(shí)際結(jié)構(gòu)重量設(shè)置，橋面板考慮縱、橫兩方向剛度，重量?jī)H考慮縱梁重量，橫梁重量設(shè)置為0。鋼梁與橋面板間采用剛性連接模擬剪力釘作用。為考慮小橫梁支承剛度影響，小橫梁高度按0～1.8 m設(shè)置(每0.2 m設(shè)置為一級(jí))，0 m高度即代表該鋼板組合梁無(wú)小橫梁支承，橋面板為橫向受力的單向板，小橫梁高度1.8 m時(shí)與主梁等高。該精細(xì)化空間網(wǎng)格梁模型將復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)離散為多塊梁?jiǎn)卧芰Γ恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)離散成十字交叉的正交梁格，以十字交叉的縱橫劃分梁的剛度等代結(jié)構(gòu)剛度，正交梁格之間形成“網(wǎng)”，橋梁整體結(jié)構(gòu)即表達(dá)為離散的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，用以進(jìn)行精細(xì)化分析。常規(guī)單梁或空間梁模型不能考慮小橫梁支承剛度影響，不能考慮橋面板的雙向受力模式且不能充分考慮橋面板剪力滯效應(yīng)，本精細(xì)化模型充分考慮了鋼縱梁、支承小橫梁、剪力釘、橋面板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模擬，尤其橋面板網(wǎng)格劃分較細(xì)，適用于橋面板的精細(xì)化空間分析。而橋面板的受力、結(jié)構(gòu)安全及耐久性能直接影響到鋼板組合梁橋的全壽命周期使用性能，本模型可以充分考慮鋼板組合梁橋結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵控制因素。

圖2 精細(xì)化空間網(wǎng)格模型演變示意圖

2 橋面雙向板受力分析

圖3顯示了小橫梁不同高度條件結(jié)構(gòu)自重作用下混凝土板縱、橫兩個(gè)方向的彎矩?？梢钥闯?，混凝土橋面板為雙向板受力模式[6]，單塊板中部跨中縱橫向均為正彎矩，單塊板鋼縱梁及小橫梁頂面支承處為負(fù)彎矩(支點(diǎn)縱橋向表現(xiàn)為正彎矩，該數(shù)值為簡(jiǎn)支梁縱向整體受力與雙向板局部受力疊加，縱橋向簡(jiǎn)支組合梁橋面板整體表現(xiàn)為負(fù)彎矩，上緣受壓，實(shí)際混凝土板支承處縱橋向局部受力為負(fù)彎矩，隨著小橫梁高度的增加，該正彎矩?cái)?shù)值的減少即為局部受力負(fù)彎矩的增加)。

圖3 雙向板縱橫向彎矩(單位：kN·m)

由彎矩變化可知，雙向板跨中受力主要表現(xiàn)為縱橋向，各種橫梁高度條件下，縱橋向跨中彎矩明顯大于橫橋向彎矩，而板支承位置(即縱橫梁鋼梁頂面)支點(diǎn)彎矩明顯表現(xiàn)出雙向受力模式，縱橫向支點(diǎn)彎矩均較大。橋面板荷載作用下開(kāi)裂主要表現(xiàn)為合成主彎矩作用下的裂縫，橋面板按雙向板受力模式，跨中部位主彎矩主要沿縱橋向，隨著荷載增加，下緣裂縫主要表現(xiàn)為跨中橫向裂縫。支點(diǎn)位置下緣主彎矩垂直于對(duì)角線方向，上緣彎矩沿對(duì)角線方向，隨著荷載增加，下緣裂縫主要表現(xiàn)為沿對(duì)角線方向，上緣裂縫主要表現(xiàn)為垂直對(duì)角線方向。因此隨著荷載增加，整塊板下緣裂縫發(fā)展即表現(xiàn)為由板中部橫向裂縫向角點(diǎn)位置擴(kuò)散發(fā)展，上緣裂縫發(fā)展主要表現(xiàn)為沿四角垂直對(duì)角線方向。

3 小橫梁支承剛度影響分析

由圖3 可知，隨著小橫梁高度由0 m變化至1.8 m，雙向板縱橋向跨中正彎矩及支點(diǎn)負(fù)彎矩均增加(支點(diǎn)負(fù)彎矩增加表現(xiàn)為整體受力與局部受力綜合正彎矩的減少)。橫橋向跨中彎矩和支點(diǎn)彎矩均相應(yīng)減少，說(shuō)明隨著小橫梁高度增加，縱橋向支承剛度增加，縱橋向受力逐步增大，橫橋向受力逐步減小，結(jié)構(gòu)受力逐步由橫梁高度為0 m時(shí)的橫向受力單向板模式趨近于小橫梁高度為1.8 m時(shí)的雙向板受力模式。同時(shí)可以看出，當(dāng)小橫梁高度由0 m增加至0.6 m時(shí)，順橋向彎矩增加了28%，橫橋向彎矩減少了50%；而隨著小橫梁高度由0.6 m增加至1.8 m，順橋向彎矩僅增加了8%，橫橋向彎矩僅減少了20%。結(jié)果說(shuō)明，橋面板按照雙向板受力模式設(shè)計(jì)，隨著小橫梁剛度增加，順橋向受力逐步增大，但當(dāng)小橫梁高度增大到一定程度后結(jié)構(gòu)受力趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加小橫梁高度將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)用鋼量大幅增加，但對(duì)結(jié)構(gòu)受力無(wú)明顯改善作用。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮橋面板受力及經(jīng)濟(jì)性能，選取小橫梁高度為0.6 m。

4 橋面板剪力滯效應(yīng)分析

小橫梁高度按0.6 m計(jì)算，縱橋向全橋跨中及1/4跨位置處橋面板各板元軸力橫向變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 縱橋向不同位置橋面板橫向軸壓力變化圖(單位：kN)

可以看出，橋面板各板元橫橋向受力表現(xiàn)出了較大的不均勻性，鋼梁頂面橋面板受有較大的壓力，由鋼梁頂面沿橫橋向向跨中及懸臂端部逐漸減小，縱橋向跨中位置減小了24%，縱橋向1/4位置減小了40%，剪力滯效應(yīng)明顯[7]。同時(shí)，縱橋向跨中與1/4跨位置減小的幅度差別較大，橋面板剪力滯效應(yīng)沿縱橋向不同位置表現(xiàn)出了數(shù)值的明顯不同。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了鋼板組合梁橋精細(xì)化空間網(wǎng)格模型分析了混凝土橋面板雙向空間受力、小橫梁支承剛度影響及橋面板剪力滯效應(yīng)。精細(xì)化模型能夠較好的模擬組合結(jié)構(gòu)的各種邊界條件及空間受力，混凝土橋面板明顯表現(xiàn)為雙向板受力特性，中部跨中受力主要表現(xiàn)為縱向彎矩，鋼縱梁及小橫梁支承處支點(diǎn)受力主要表現(xiàn)為縱、橫向雙向彎矩，隨著荷載增加，雙向板跨中裂縫主要沿橫橋向，支點(diǎn)下緣位置裂縫主要沿對(duì)角線方向發(fā)展，支點(diǎn)上緣位置裂縫主要垂直于對(duì)角線方向發(fā)展。隨著小橫梁支承高度由0 m逐漸增加到1.8 m，橋面板由橫向受力單向板逐步轉(zhuǎn)化為雙向受力板，且縱向受力逐漸增加，橫向受力逐漸減小，但小橫梁支承剛度增加到一定程度后結(jié)構(gòu)受力將趨于穩(wěn)定，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選取了小橫梁高度為0.6 m。沿縱橋向不同位置橋面板橫斷面上表現(xiàn)出了明顯的剪力滯效應(yīng)，鋼梁頂面橋面板軸力最大，向懸臂端部及橫向跨中逐步減小，且不同位置剪力滯效應(yīng)明顯不同。本文提供了一種鋼板組合梁橋混凝土橋面板精細(xì)化計(jì)算分析方法，計(jì)算結(jié)果可為類似橋梁設(shè)計(jì)提供參考。