唐 娟

(西藏自治區(qū)公路局日喀則公路分局 日喀則市 850000)

鋼-混凝土組合梁通過設(shè)置專門的剪力連接構(gòu)件(又稱剪力連接鍵)將鋼梁和混凝土板連接成整體實(shí)現(xiàn)共同作用，作為一種組合結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合梁在力學(xué)行為上與純混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)不同。依托某跨徑55m的鋼混組合梁橋，開展鋼-混組合梁橋力學(xué)性能分析。在此基礎(chǔ)上，對剪力鍵類型和設(shè)置間距進(jìn)行研究。

1 工程概況

某大橋主橋采用跨徑55m的鋼-混組合梁橋設(shè)計(jì)，單幅橋梁寬度為13.75m，主梁由3片鋼板組合梁構(gòu)成，各片主梁中心線之間相距490cm，跨中斷面梁高300cm。鋼梁為Q345D工字形直腹板設(shè)計(jì)，剪力連接鍵選用剪力釘。各片主梁間設(shè)置橫梁實(shí)現(xiàn)橫向聯(lián)系的加強(qiáng)，小橫梁和大橫梁設(shè)置間距分別為4m和12m，同時，于支點(diǎn)位置布置支點(diǎn)橫梁。主梁下翼緣采用變厚度設(shè)計(jì)，跨中位置和支點(diǎn)位置分別設(shè)計(jì)為1600mm×60mm和1200mm×46mm鋼板。腹板也采用變厚度設(shè)計(jì)，跨中位置和支點(diǎn)位置分別設(shè)計(jì)為20mm和24mm鋼板，上翼緣全部設(shè)計(jì)為700mm×24mm鋼板。主梁跨中段腹板橫向加勁設(shè)置間距為2m，支點(diǎn)段腹板橫向加勁設(shè)置間距為1.33m。橋面板厚度也隨跨徑發(fā)生變化，跨中位置和支點(diǎn)位置厚度分別為26cm和36cm。預(yù)制橋面板和濕接縫分別采用C50混凝土和C50補(bǔ)償收縮混凝土。大橋立面圖見圖1，跨中斷面和支點(diǎn)斷面圖見圖2、圖3。

圖1 大橋立面布置圖(單位：cm)

圖2 大橋跨中斷面圖(單位：mm)

圖3 大橋支點(diǎn)斷面圖(單位：mm)

2 分析方法與計(jì)算參數(shù)

2.1 分析方法

該橋鋼-混組合梁為多主梁簡支結(jié)構(gòu)。采用大型有限元通用軟件midas Civil建立有限元模型，對結(jié)構(gòu)運(yùn)營階段力學(xué)性能進(jìn)行分析，有限元模型中，以最大程度地考慮鋼-混組合梁特點(diǎn)為原則劃分結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)分析采用梁格法，考慮橋面板分次澆注，并考慮徐變引起的橋面板應(yīng)力重分布[1]。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

大橋主要材料計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 主要材料計(jì)算參數(shù)

3 主梁力學(xué)性能分析

3.1 有限元模型建立

依據(jù)文獻(xiàn)[2]，支點(diǎn)位置和跨中位置梁的有效寬度計(jì)算值為4.425m，使用大型有限元軟件midas Civil建立的梁格計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 邊孔主梁(單梁)midas Civil有限元模型

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1組合梁變形分析

規(guī)范規(guī)定，靜活載作用下梁的變形不能超過跨徑的1/600。對于本橋，有：

L/600=53320mm/600=88.8mm

為節(jié)約篇幅，未給出組合梁變形有限元計(jì)算結(jié)果云圖。分析表明靜活載作用下，梁的最大變形為30.7mm，滿足要求。

該橋在自重及靜活載作用下發(fā)生的總位移為：

ω=ωg+ωQ=61.6+30.7=92.4mm>53320/1600=33.3mm

顯然，跨中應(yīng)該設(shè)置預(yù)拱度。

(ⅱ) 對任意F∈CIrr(X),若Fδ∩f-1(U)≠?,f(Fδ)∩U≠?,由f(Fδ)?(f(F))δ,(f(F))δ∩U≠?。注意到U∈σCSI及f(F)∈CIrr(Y),于是f(F)∩U≠?,F∩f-1(U)≠?,從而f-1(U)∈τCSI。

跨中預(yù)拱度設(shè)置大小為：

δ=ωg+1/2ωQ=61.6+30.7/2=77.0mm

3.2.2抗剪強(qiáng)度分析

經(jīng)過分析比較，邊梁主梁成橋運(yùn)營階段產(chǎn)生的剪力最大，剪力圖如圖5所示。

圖5 成橋運(yùn)營階段邊梁主梁剪力圖(單位：kN)

則腹板最大剪應(yīng)力為：

腹板最小剪應(yīng)力為：

綜上，鋼梁最大剪應(yīng)力和最小剪應(yīng)力均小于規(guī)范規(guī)定的限值155MPa，抗剪強(qiáng)度滿足要求。

3.2.3組合梁應(yīng)力分析

(1)中梁結(jié)果

計(jì)算表明：荷載組合下，該橋運(yùn)營階段鋼梁上緣無拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力大小為143.2MPa，鋼梁下緣無壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力大小為160.1MPa，混凝土板上緣最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為14.5MPa和1.38MPa，混凝土板下緣最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為12.4MPa和1.65MPa，均滿足要求。

(2)邊梁結(jié)果

計(jì)算表明：荷載組合下，該橋運(yùn)營階段鋼梁上緣無拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力大小為138.1MPa，鋼梁下緣無壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力大小為137.4MPa，混凝土板上緣最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為11.6MPa和0.57MPa，混凝土板下緣最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為9.15MPa和0.93MPa，均滿足要求。

3.2.4組合梁抗剪連接件(剪力釘)分析

(1)抗剪連接件抗剪承載力分析

文獻(xiàn)[2]給出了單個栓釘抗剪承載力計(jì)算公式。根據(jù)規(guī)范[2]，計(jì)算可得：

(2)抗剪連接件疲勞分析

文獻(xiàn)[2]給出了抗剪連接件疲勞驗(yàn)算計(jì)算公式。

疲勞荷載剪力幅代表疲勞荷載模型按最不利情況加載于影響線得出的最大剪力和最小剪力之差。由計(jì)算可知：該橋按疲勞荷載模型最不利情況加載于影響線得出的最大剪力-1.23×103kN，該橋按疲勞荷載模型最不利情況加載于影響線得出的最小剪力-7.05×103kN。則抗剪連接件(剪力釘)疲勞荷載剪力幅為5.02×103kN。

該橋截面上一共布置了2024根剪力釘，則單個剪力釘承擔(dān)的剪力為：

綜上，抗剪連接件(剪力釘)疲勞驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

(3)支座分析

表2為支座的反力計(jì)算結(jié)果。荷載組合下，該橋支座最大反力為2.87×103kN，小于支座的最大承載力設(shè)計(jì)值5×103kN，滿足規(guī)范要求。

表2 支座反力表 kN

綜上，按照規(guī)范要求進(jìn)行驗(yàn)算，相應(yīng)荷載組合作用下，該橋抗彎、抗剪承載力、變形、剪力連接件受力、支座承載力均能滿足規(guī)范要求。

4 剪應(yīng)力布置對鋼-混凝土組合梁長期效應(yīng)影響分析

4.1 設(shè)計(jì)方案

鋼梁和混凝土板憑借剪力連接鍵構(gòu)成整體而實(shí)現(xiàn)共同工作。剪力連接鍵的類型及設(shè)置間距對結(jié)構(gòu)抗剪剛度和極限抗剪承載力有所影響。剪力釘按排設(shè)計(jì)，在該橋組合梁設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，改變剪力鍵的類型和剪力釘排間距，建立不同剪力釘布置方式的模型來進(jìn)行對比計(jì)算分析。設(shè)計(jì)方案見表3。各方案剪力鍵布置示意見圖6。

表3 設(shè)計(jì)方案

圖6 設(shè)計(jì)方案剪力鍵布置示意

4.2 分析結(jié)果

鋼-混凝土組合梁方案一、方案二、方案三的計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各方案力學(xué)性能對比

研究表明：在長期荷載作用下，運(yùn)營階段，鋼-混組合梁橋剪力鍵類型及設(shè)置間距對組合梁界面滑移具有較大影響，設(shè)置柔性剪力鍵的設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生的滑移量較剛性剪力鍵方案大，剪力鍵類型及設(shè)置間距對結(jié)構(gòu)變形也具有一定影響，但對鋼梁和混凝土板應(yīng)力影響不明顯。剪力鍵剛度越小，布置間距越大，鋼-混組合梁運(yùn)營階段的變形越大。

5 結(jié)語

首先對某鋼-混組合梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，依據(jù)相關(guān)規(guī)范，借用有限元軟件，開展鋼-混組合梁橋力學(xué)性能分析，結(jié)果表明橋梁設(shè)計(jì)方案滿足要求。在此基礎(chǔ)上，對剪力鍵類型及設(shè)置間距開展研究，進(jìn)行參數(shù)影響性分析。研究表明：剪力鍵類型及設(shè)置間距對組合梁界面滑移具有較大影響，設(shè)置柔性剪力鍵的設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生的滑移量較剛性剪力鍵方案大，剪力鍵類型及設(shè)置間距對結(jié)構(gòu)變形也具有一定影響，但對鋼梁和混凝土板應(yīng)力影響不明顯。剪力鍵剛度越小，布置間距越大，鋼-混組合梁運(yùn)營階段的變形越大。研究結(jié)果可供類似工程設(shè)計(jì)參考。