馬瑞澤

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司蚌埠工務(wù)段，安徽 蚌埠 233000）

關(guān)鍵字：鋼-混組合梁；位移應(yīng)力；承載力

0 引言

鋼-混組合梁橋是通過(guò)剪力連接件將鋼結(jié)構(gòu)和混凝土板連接起來(lái)的一種復(fù)合式結(jié)構(gòu)。混凝土的抗壓性能比抗拉性能強(qiáng)，而鋼材抗拉性能比較突出，組合梁充分利用了材料的自身特性。組合梁最早出現(xiàn)在19世紀(jì)末20 世紀(jì)初，由于組合梁具有自重輕、承載力大、噪音小、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)鐵路、公路橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，在交通運(yùn)輸中起到關(guān)鍵作用。然而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛軸重和運(yùn)行頻率的增加，加之后期對(duì)組合梁檢查保養(yǎng)維修不到位，導(dǎo)致組合梁出現(xiàn)各種病害。如：鋼箱梁裂縫銹蝕、栓釘銹蝕、混凝土板裂縫，承載力不足等主要病害，本文通過(guò)有限元模型分析研究組合梁鋼筋生銹和橫隔板裂縫對(duì)組合梁強(qiáng)度、剛度穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合實(shí)際對(duì)組合梁橋檢養(yǎng)修提出建議。

1 模型模擬

通過(guò)建立有限元ANSYS 模型來(lái)模擬生銹的鋼-混組合梁，在三種荷載工況下（1t、2t、4t）計(jì)算其鋼板生銹和橫隔板裂縫對(duì)組合梁受力性能的影響。

1.1 模型尺寸

模型中的鋼-混凝土簡(jiǎn)支直線組合梁，直線總長(zhǎng)6.2 m，一端設(shè)固定鉸支座，另一端設(shè)活動(dòng)鉸支座，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為6m。結(jié)合梁截面為單箱單室，隔板厚度為6 mm，結(jié)合梁高度為270mm，其中混凝土板厚度為70mm，寬度為700mm。鋼材的型號(hào)為Q235，混凝土等級(jí)為C30，板內(nèi)縱向鋼筋和箍筋均為φ6圓鋼。鋼梁與混凝土板之間采用栓釘進(jìn)行連接，栓釘直徑為13mm，每個(gè)鋼梁腹板上方設(shè)1 列，共35 個(gè)，屬于完全連接。

1.2 鋼-混組合梁的模擬

1.2.1 鋼箱梁和混凝土板模擬

在有限元模型中，組合梁中的鋼梁和橫隔板均采用板單元SHELL43 模擬，混凝土采用實(shí)體單元SOLID65模擬。

1.2.2 鋼梁和混凝土之間的栓釘模擬

鋼梁和混凝土之間的栓釘連接件采用彈簧單元COMBIN39 進(jìn)行模擬，采用豎向耦合的方法來(lái)模擬鋼板上翼緣和混凝土之間無(wú)豎向位移，建立1 個(gè)橫向和1 個(gè)縱向彈簧來(lái)模擬栓釘，兩個(gè)彈簧的屬性分別設(shè)置為：KEYOPT(3)=1 和KEYOPT(3)=3。其栓釘連接件的剪力-滑移規(guī)律可按公式（1）定義：

1.3 生銹鋼箱梁和栓釘模擬

1.4 隔板和腹板裂縫模擬

隔板和腹板裂縫用生死單元進(jìn)行模擬，隔板工況分三類。

工況一：兩隔板，即只有支座處有橫隔板。

工況二：三隔板，即支座處有橫隔板，跨中有橫隔板。

工況三：五隔板，在工況二的基礎(chǔ)上分別在支座處隔板和中間隔板之間等距加一個(gè)隔板。

2 數(shù)值分析

鋼箱梁底部中心線沿跨度方向建立路徑1，提取路徑1 上的豎向位移和主應(yīng)力。在鋼梁上翼緣中間沿跨度方向建立路徑2，在鋼梁上翼緣與混凝土交界處的混凝土板上建立沿跨度方向的路徑3，分別提取路徑3 和路徑2 的縱向位移差得到滑移曲線。豎向力采取軸重1t、2t、4t加載在跨中腹板正上方混凝土板上。

2.1 位移計(jì)算

2.1.1 栓釘和鋼箱梁銹蝕對(duì)組合梁位移的影響

在軸重2t，5 隔板情況下，分別計(jì)算路徑1 豎向位移，箱梁與混凝土板的縱向滑移。

（1）在箱梁不銹蝕，計(jì)算栓釘無(wú)銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%的位移。

通過(guò)圖1 可以發(fā)現(xiàn)，縱向滑移在0～1/4L（L 為標(biāo)準(zhǔn)跨徑）滑移增大，1/4L 出現(xiàn)最大值，在1/4L ～1/2L滑移值減小為0，曲線在0～1/2L 之間與L1/2～L 之間關(guān)于跨中對(duì)稱，在1/2L 處曲線斜率最大，在1/4L、3/8L曲線斜率為0，可知在1/4L、3/8L處縱向剪力最大，在1/2L處剪力變化最快，所以在日常檢查中重點(diǎn)檢查1/4L、L1/2、3/8L 跨徑處的栓釘狀態(tài)。栓釘銹蝕越嚴(yán)重，縱向滑移絕對(duì)值越大；縱向位移在銹蝕15%～20%區(qū)段明顯比10%～15%區(qū)段變化快，說(shuō)明銹蝕越嚴(yán)重滑移值的變化越大。

圖1 栓釘銹蝕時(shí)縱向滑移

通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn)，豎向位移在從0～L 先減小后增大，變化形式近似拋物線，在跨中位移最大，栓釘?shù)妮S力也就最大，在日常檢查中1/2L處栓釘也是重點(diǎn)檢查項(xiàng)目。栓釘銹蝕越嚴(yán)重豎向位移越大。

圖2 栓釘銹蝕時(shí)豎向位移

（2）在栓釘不銹蝕時(shí)，計(jì)算鋼箱梁無(wú)銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%的位移。

通過(guò)圖3 可以發(fā)現(xiàn)，鋼箱梁生銹時(shí)縱向滑移從0～L 與栓釘生銹相似，在1/4L、3/8L 最大，在1/2L 為0。鋼板越生銹縱向滑移越大，但現(xiàn)象不明顯。

圖3 鋼箱梁銹蝕對(duì)縱向滑移影響曲線

通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)，豎向位移在從0～L 先減小后增大，變化形式近似拋物線，在跨中位移最大，栓釘?shù)陌瘟σ簿妥畲?。鋼板銹蝕越嚴(yán)重豎向位移越大，豎向位移變化也就越快。

圖4 鋼箱梁銹蝕對(duì)豎向位移影響曲線

2.1.2 隔板數(shù)量對(duì)組合梁位移的影響

在軸重2t 下，隔板數(shù)目分別為2、3、5，計(jì)算鋼板和栓釘同時(shí)無(wú)銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%的位移。

從圖5、圖6 可以看出，隔板數(shù)目對(duì)縱向滑移和豎向位移影響不明顯，栓釘和鋼板生銹越嚴(yán)重組合梁的縱向滑移和豎向位移越明顯。

圖5 2t時(shí)1/4L處縱向滑移

圖6 2t時(shí)1/2L梁低處豎向位移

2.1.3 軸重對(duì)組合梁位移的影響

在軸重分別為1t、2t、4t，隔板數(shù)目為5 的情況下，計(jì)算鋼板和栓釘同時(shí)無(wú)銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%的位移。

從圖7 可以看出，在5 隔板情況下，在無(wú)銹蝕時(shí)縱向滑移隨著重載增大而線性增大，當(dāng)生銹程度達(dá)到20%時(shí)，縱向滑移隨著重載增大靠近指數(shù)形式增大，說(shuō)明隨著生銹程度的增加縱向滑移從線性逐漸轉(zhuǎn)為非線性，并且滑移量逐漸增大，如果生銹得不到遏制，栓釘受到的剪應(yīng)力逐漸增大，可能會(huì)剪斷栓釘，從而破壞結(jié)構(gòu)，所以要在日常檢查中認(rèn)真檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)遏制。

圖7 當(dāng)5隔板時(shí)1/4L處縱向滑移

從圖8 可以看出，豎向位移隨著軸重的增大以線性增加，生銹越嚴(yán)重，逐步由直線轉(zhuǎn)變成曲線增大。說(shuō)明鋼箱梁在生銹輕微時(shí)處在彈性狀態(tài)，但隨著生銹程度的增加，逐步由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑椥?。所以?duì)鋼梁的日常保養(yǎng)顯得尤為重要。

圖8 當(dāng)5隔板時(shí)1/2L梁低處豎向位移

2.2 梁底主應(yīng)力計(jì)算

計(jì)算時(shí)軸重分別為1t、2t、4t，隔板數(shù)為5，計(jì)算栓釘和鋼板同時(shí)無(wú)銹蝕、銹蝕5%、銹蝕10%、銹蝕15%、銹蝕20%時(shí)鋼梁底部主應(yīng)力，見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 重載2t隔板5情況下鋼箱梁底部主應(yīng)力

圖10 在隔板數(shù)5不同生銹情況下鋼箱梁底部1/2L處主應(yīng)力

從圖中可以發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力在梁端最小，跨中最大，但在隔板處有突變，生銹越嚴(yán)重主應(yīng)力越大，主應(yīng)力值變化越大。主應(yīng)力隨著軸重增大以直線增大。

3 結(jié)論與檢養(yǎng)修建議

荷載作用在跨中時(shí)，縱向滑移在0～1/4L（L為標(biāo)準(zhǔn)跨徑）滑移增大，在1/4L ～1/2L 滑移值減小為0，在1/2L～L之間與1/2L～0之間曲線變化相同但方向相反，在1/2L 處曲線斜率最大，在1/4L、3/8L 曲線斜率為0；豎向位移在從0～L 先減小后增大，變化形式近似拋物線，在跨中位移最大。主應(yīng)力在梁端最小，跨中最大。主應(yīng)力隨著軸重增大以直線形式增大。

3.1 剪力連接件生銹問(wèn)題

生銹越嚴(yán)重位移、應(yīng)力變化越快，栓釘由彈性變形轉(zhuǎn)化成非彈性變形，然后逐漸達(dá)到屈服狀態(tài)。在1/4L、3/8L 栓釘受到的剪力最大，1/2L 處的栓釘軸力最大且剪力變化最快，軸重越大，以上現(xiàn)象越明顯。因此在日常檢查中重點(diǎn)對(duì)1/4L、1/2L、3/8L 處栓釘進(jìn)行檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)混凝土和鋼梁有錯(cuò)位，說(shuō)明剪力件受到縱向較大剪力，這時(shí)需要鑿除栓釘處混凝土板，重新焊接栓釘，連接鋼筋，澆筑混凝土板，否則組合梁將演化成無(wú)連接結(jié)合梁，豎向剛度和梁體使用壽命大幅降低。

3.2 鋼箱梁和橫向連接的生銹、裂縫問(wèn)題

鋼箱梁在生銹輕微時(shí)處在彈性狀態(tài)，但隨著生銹程度的增加，逐步由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑椥?；隔板?shù)目對(duì)縱向滑移和豎向位移影響不明顯，橫線連接主要加強(qiáng)組合梁的橫向剛度，增加組合梁的整體穩(wěn)定性。在日常檢查中重點(diǎn)檢查，發(fā)現(xiàn)生銹及時(shí)除銹保養(yǎng)，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行防腐處理；裂縫在日常的檢查中也是重點(diǎn)，可分別通過(guò)目測(cè)法、硝酸酒精侵蝕法、著色探傷法、儀器探測(cè)法等檢測(cè)裂縫，一旦發(fā)現(xiàn)裂縫及時(shí)記錄，并詳細(xì)記錄裂縫發(fā)生處鋼材質(zhì)量、焊接狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)、銹蝕狀況和疲勞狀況，定期檢查，并作比較[4]，最后利用合理的方法處理裂縫。

3.3 混凝土板裂縫問(wèn)題

由于混凝土長(zhǎng)期受到車輛反復(fù)荷載、外部環(huán)境侵蝕、受力不均、偏心荷載等原因?qū)е禄炷脸霈F(xiàn)裂縫；當(dāng)裂縫較小時(shí)可以采取封閉處理的方法：（1）涂抹環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封閉；（2）用工具沿裂縫裸露面鋸鑿，使縫擴(kuò)大成槽形豁口后，然后用各種黏結(jié)材料進(jìn)行填充封閉；（3）用注射環(huán)氧樹脂膠液并加配鋼筋加固；（4）粘貼鋼板或碳纖維布修補(bǔ)。

3.4 承載力不足的問(wèn)題

由于組合梁使用時(shí)間較長(zhǎng)，車輛軸重大，速度快，鋼件生銹，混凝土受到外部環(huán)境侵蝕等原因?qū)е陆M合梁承載力不足。可以通過(guò)體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)使原橋承載力增加，也可以在鋼梁底部或腹板處粘貼碳纖維片材，這種材料憑借強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗腐蝕能力強(qiáng)、抗疲勞性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在國(guó)外應(yīng)用廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)鋼-混組合梁橋受力情況進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修建議。橋梁養(yǎng)護(hù)工作十分重要，養(yǎng)護(hù)人員在對(duì)組合梁的日常檢查養(yǎng)修中不能粗心大意，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)采取措施，從而保證橋梁耐久度，確保交通安全。