陸振盛

【摘要：】文章以某分幅式鋼-混凝土組合梁橋為研究背景，通過采用ANSYS有限元軟件建立全橋?qū)嶓w數(shù)值模型，系統(tǒng)研究了腹板結(jié)構(gòu)設計參數(shù)對鋼-混凝土組合梁橋穩(wěn)定性能的影響，得出以下結(jié)論：（1）鋼-混組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)隨著腹板高厚比的增大而逐漸減小，減小腹板的高厚比能提升橋梁的極限承載能力，腹板高厚比取110～120能兼具腹板穩(wěn)定和防止翼緣板失穩(wěn)的優(yōu)點;（2）隨著豎向腹板加勁肋厚度的增大，鋼-混組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)呈小幅度逐漸增大趨勢，考慮到實際施工中加勁肋厚度應該與其翼緣板、腹板等構(gòu)件相互匹配，故建議取值為1.2～1.6 cm;（3）隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小，密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而稀疏布置加勁肋會略微削弱橋梁的穩(wěn)定性能，鋼-混組合梁橋采用2.5 m的加勁肋間距即可滿足規(guī)范設計要求。

【關(guān)鍵詞：】鋼-混凝土組合梁橋;腹板高厚比;加勁肋厚度;加勁肋間距;穩(wěn)定性能

U448.21+6A491633

0 引言

由于鋼-混凝土組合梁橋具有自重輕、施工方便、經(jīng)濟美觀及可工廠預制等特點，在我國的橋梁工程建設中得到了廣泛的應用[1-2]。隨著我國大力推廣橋梁工業(yè)化建造技術(shù)，組合梁橋由多主梁形式逐漸發(fā)展到少主梁及簡化加勁肋的形式，如雙工字鋼-混凝土組合梁橋即為現(xiàn)階段中小跨徑橋梁的熱點橋型之一[3-4]。

近年來，國內(nèi)學者在鋼-混組合梁橋方面進行了大量研究，如冀偉等[5]推導了長期荷載作用下鋼-混組合梁的撓度計算公式，并通過實測值和有限元值驗證了公式的可靠性;長沙理工大學的郭超[6]以兩跨連續(xù)鋼-混凝土組合梁為研究背景，通過采用ANSYS有限元軟件建立實橋模型，探討了連續(xù)組合梁的各組成部分對其應力應變的影響，并進行對比分析，同時提出了合理優(yōu)化的相關(guān)建議;鄧青兒等[7]以上海杭申線某改建橋梁為例，針對老舊橋梁改建工程中大跨徑鋼-混凝土組合梁的應用進行了詳細研究;朱勁松等[8]以官廳水庫特大橋為研究背景，探討了不同吊裝方案情形下鋼-混凝土組合梁懸索橋的顫振穩(wěn)定性能，并提出針對性的控制措施。由上述研究可知，目前國內(nèi)關(guān)于雙工字鋼-混凝土組合梁橋方面的研究比較缺乏?；诖?，本文以某分幅式鋼-混凝土組合梁橋為研究背景，通過采用ANSYS有限元軟件建立全橋?qū)嶓w數(shù)值模型，針對不同腹板結(jié)構(gòu)設計參數(shù)的鋼-混凝土組合梁橋進行穩(wěn)定性能數(shù)值分析，研究結(jié)果可為同類橋梁工程的設計提供參考與借鑒。

1 工程背景

某分幅式連續(xù)梁橋跨徑布置為4×40 m，橋梁單幅寬度為13.5 m，主梁采用雙工字鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)。該橋鋼主梁梁高為1.8 m，腹板厚度為1.6～2.0 cm，上下翼緣板寬度分別為80 cm、96 cm，上翼緣板厚3.4 cm，下翼緣板厚2～5 cm。兩根鋼梁間采用每隔8 m設置1道的工字形對稱截面橫梁進行連接，其中跨間處小橫梁的高度及其翼緣板的寬度均為40 cm，翼緣板厚度為1.3 cm，腹板厚度為2.1 cm;中支點處中橫梁和邊支點處端橫梁的梁高均為80 cm，翼緣板的寬、厚分別為70 cm和1.6 cm，腹板厚度為2.0 cm。腹板設有2.8 cm、3.5 cm寬的縱向加勁肋，其中除中橫梁、端橫梁處的厚度為1.6 cm外，其他位置厚度均為1.3 cm。橋面板均采用C50強度等級的混凝土，鋼主梁等所有鋼構(gòu)件均采用Q345鋼。鋼-混組合梁的橫斷面布置如圖1所示。

2 模型建立

通過采用ANSYS有限元軟件建立鋼-混組合梁實橋三維模型，其中鋼主梁和混凝土分別采用Shlle43單元、Solid45單元進行模擬，全橋有限元計算模型如圖2所示。模擬過程中將一根鋼主梁的一端進行固定約束，其他則采取橫、豎向位移約束;另一根鋼主梁的一端用橫、豎向位移進行約束，其他則僅采取豎向位移約束。計算荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、車輛偏載以及風荷載。模型中混凝土和鋼材計算參數(shù)取值如表1所示。

3 鋼-混組合梁橋穩(wěn)定性能分析

3.1 腹板高厚比

為了探討不同腹板高厚比對鋼-混組合梁橋穩(wěn)定性能的影響，本文基于原橋三維實體有限元模型，在保證主梁截面剛度不變的情況下，分別擬定了80、90、100、110、125、150六種腹板高厚比，并針對該鋼-混組合梁橋在組合階段、非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)展開有限元數(shù)值分析，分別得到其彈性穩(wěn)定系數(shù)與失穩(wěn)位置的計算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在組合階段和非組合階段下，鋼-混組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)隨著腹板高厚比的增大均呈逐漸減小變化趨勢。其中，當腹板高厚比<90時，組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)降幅都較為明顯。在組合階段下，不同腹板高厚比的失穩(wěn)均發(fā)生于腹板位置，說明組合梁橋的橋面板與鋼梁上緣翼板之間起到了良好的連接作用;在非組合階段下，腹板高厚比<100時的失穩(wěn)均發(fā)生于翼緣板位置，而其余腹板高厚比時的失穩(wěn)則均同樣發(fā)生于腹板位置。綜上所述可知，當腹板高厚比取值<90時，橋梁的極限承載能力表現(xiàn)優(yōu)異;當腹板高厚比取值在100～125時，既可保證腹板的穩(wěn)定性，還能防止受壓翼緣板發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.2 腹板加勁肋厚度

以原橋有限元數(shù)值模型為基礎(chǔ)，擬定了0.8 cm、1.2 cm、1.6 cm、2.0 cm四種腹板豎向加勁肋厚度，針對不同加勁肋厚度的鋼-混組合梁橋進行穩(wěn)定性數(shù)值分析，得到其在組合階段與非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。

根據(jù)圖3與有限元計算結(jié)果可知，鋼-混組合梁橋在組合階段、非組合階段的失穩(wěn)狀態(tài)分別表現(xiàn)為跨中翼緣板屈曲和近支點處腹板屈曲。隨著腹板加勁肋厚度的增大，不同階段的組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)均逐漸增大，但其增幅均不明顯，說明鋼-混組合梁橋的穩(wěn)定性受腹板豎向加勁肋厚度的影響較小，但考慮到實際工程施工中加勁肋的厚度應該與其翼緣板、腹板等構(gòu)件相互匹配，故在一般情況下加勁肋的厚度取值建議為1.2～1.6 cm。

3.3 腹板加勁肋間距

以原橋有限元數(shù)值模型為基礎(chǔ)，在保證其余參數(shù)不變的情況下，擬定了0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m八種腹板加勁肋間距，針對不同加勁肋間距的鋼-混組合梁橋展開穩(wěn)定性分析，分別得到其在組合階段和非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋在組合階段和非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)均逐漸減小。其中，當腹板加勁肋間距由0.5 m增至1.0 m時，組合階段和非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)分別減小了3.85、5.16，此時組合梁橋的穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)明顯的降低;當腹板加勁肋間距由1.0 m增至2.5 m時，兩階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)分別減小了3.12、2.4，此時組合梁橋的穩(wěn)定系數(shù)降幅出現(xiàn)明顯減小;而當腹板加勁肋間距由2.5 m增至4.0 m時，彈性穩(wěn)定系數(shù)分別僅減小了0.43、0.48，此時組合梁橋的穩(wěn)定系數(shù)逐漸趨向于未設置腹板豎向加勁肋。綜合以上可知，在腹板豎向加勁肋間距較小時，即密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而在腹板豎向加勁肋間距較大時，即稀疏布置加勁肋會略微削弱橋梁的穩(wěn)定性能，但對于鋼-混組合梁橋，一般采用2.5 m的腹板加勁肋間距即可滿足規(guī)范設計要求[8]。

4 結(jié)語

（1）鋼-混組合梁橋的彈性穩(wěn)定系數(shù)隨著腹板高厚比的增大均呈逐漸減小變化趨勢。通過減小腹板的高厚比能提升橋梁的極限承載能力，腹板高厚比取值在100～125時，既可保證腹板的穩(wěn)定性，還能防止受壓翼緣板發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

（2）隨著豎向腹板加勁肋厚度的增大，不同階段的組合梁橋彈性穩(wěn)定系數(shù)均逐漸增大，但其增幅均不明顯?？紤]到實際施工中加勁肋厚度應該與其翼緣板、腹板等構(gòu)件相互匹配，故一般情況下加勁肋的厚度取值建議為1.2～1.6 cm。

（3）隨著腹板加勁肋間距的增大，鋼-混組合梁橋在組合階段和非組合階段的彈性穩(wěn)定系數(shù)均逐漸減小，密集布置加勁肋能有效提升橋梁的極限承載能力，而稀疏布置加勁肋會略微削弱橋梁的穩(wěn)定性能，但鋼-混組合梁橋一般采用2.5 m的腹板加勁肋間距即可滿足規(guī)范設計要求。

參考文獻：

[1]劉永健，高詣民，周緒紅，等.中小跨徑鋼-混凝土組合梁橋技術(shù)經(jīng)濟性分析[J].中國公路學報，2017，30（3）：1-13.

[2]竇維禹.新型鋼板組合梁橋施工全過程結(jié)構(gòu)性能分析[J].公路交通科技（應用技術(shù)版），2014，10（9）：205-208.

[3]陳洪偉，賀國棟，王 甜.多梁式工形截面鋼混組合梁橋荷載橫向分布的參數(shù)分析[J].中外公路，202 41（3）：161-165.

[4]何小文，胡章亮，陳 亮，等.支撐橫梁體系鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋地震響應分析[J].南昌大學學報（工科版），2019，41（1）：51-56，61.

[5]冀 偉，孫 斌，白 倩，等.長期荷載作用下鋼-混凝土組合梁的撓度計算與分析[J].湖南大學學報（自然科學版），202 48（7）：51-60.

[6]郭 超.鋼-混凝土組合梁應力分析及截面優(yōu)化研究[D].長沙：長沙理工大學，2013.

[7]鄧青兒，于 洋，湯岳飛.大跨徑鋼-混凝土組合梁在老橋改建中的應用[J].橋梁建設，2016，46（1）：59-64.

[8]朱勁松，陳勝利.鋼-混凝土組合梁懸索橋吊裝施工顫振穩(wěn)定分析[J].橋梁建設，2018，48（1）：31-35.