唐武 劉宇飛 劉多貴

摘要：文章以某鋼-混組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)有限元模型對(duì)其負(fù)彎矩橋面板、主梁撓度、抗疲勞等設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了組合橋梁設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為今后同類(lèi)組合梁橋的設(shè)計(jì)分析提供借鑒。

關(guān)鍵詞：組合連續(xù)梁；負(fù)彎矩；撓度；疲勞

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.34 A 50 165 3

0 引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，橋梁耐久性、環(huán)保性、景觀(guān)性、經(jīng)濟(jì)性等方面越來(lái)越得到橋梁建造者的重視?；炷两Y(jié)構(gòu)短期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低，但自重大、能耗高、環(huán)保景觀(guān)性差；鋼橋自重輕、可循環(huán)利用，但疲勞、穩(wěn)定、腐蝕問(wèn)題突出，同時(shí)造價(jià)較高。為從混凝土橋與鋼橋中找到共同結(jié)合點(diǎn)，研究者提出了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自缺點(diǎn)，從而使結(jié)構(gòu)受力達(dá)到合理狀態(tài)。由于起步較晚且早期鋼產(chǎn)量不足，我國(guó)在鋼-混組合梁方面的研究及應(yīng)用相對(duì)落后，組合梁橋的合理設(shè)計(jì)及分析仍有待進(jìn)一步研究。

本文以某鋼-混組合連續(xù)梁跨線(xiàn)橋?yàn)槔?，通過(guò)建立有限元模型，對(duì)其設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)如負(fù)彎矩橋面板設(shè)計(jì)、主梁撓度、疲勞等進(jìn)行了分析計(jì)算，為今后同類(lèi)型橋梁的設(shè)計(jì)分析提供一定的參考。

1 工程概況

該跨線(xiàn)橋跨越某運(yùn)營(yíng)中的高速公路，為加快施工進(jìn)度，減小橋梁施工對(duì)橋下高速公路現(xiàn)狀交通的影響，跨線(xiàn)橋采用（53+60+53）m鋼-混組合連續(xù)梁。

該橋上部結(jié)構(gòu)采用分離式窄箱型組合梁，主梁寬10.5 m，全高3.0 m，箱梁中心間距5.5 m。鋼主梁采用Q355C，橋面板為C50混凝土，橋面板普通鋼筋采用HRB400，橋梁典型斷面如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

采用Midas Civil軟件建立全橋有限元模型（圖2～4），鋼-混組合梁采用雙單元模擬，上層單元為混凝土橋面板，下層單元為鋼主梁。該橋施工采用鋼梁一次落架、后現(xiàn)澆橋面板形成活載組合梁截面的方法，建模分析時(shí)主要考慮如下幾個(gè)施工階段：

階段1：架設(shè)鋼主梁。

階段2：施加橋面板濕重——橋面板僅以均布荷載形式施加在鋼主梁上，尚未形成組合梁截面。

階段3：激活混凝土橋面板單元。

階段4：施加二期恒載。

階段5：模擬橋面板開(kāi)裂——使用階段，橋面板按照規(guī)范要求，中支點(diǎn)兩側(cè)0.15L范圍內(nèi)只考慮鋼筋的剛度。

階段6：收縮徐變10年。

基本組合作用下鋼主梁典型斷面應(yīng)力結(jié)果如表1所示，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

鋼-混組合連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析/唐 武，劉宇飛，劉多貴

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 負(fù)彎矩區(qū)橋面板抗裂

組合連續(xù)梁中支點(diǎn)附近的負(fù)彎矩使得混凝土橋面板受拉，容易開(kāi)裂，若裂縫得不到有效控制，將導(dǎo)致防水層破壞而引起鋼筋和鋼主梁的銹蝕，對(duì)橋梁的耐久性和使用年限有很大影響。

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，鋼混組合梁負(fù)彎矩混凝土橋面板開(kāi)裂問(wèn)題常用解決措施有如下幾種［1］：

（1）橋面板滯后鋼梁結(jié)合：先澆筑跨中區(qū)域的橋面板，使鋼梁預(yù)先變形，同時(shí)消除跨中區(qū)域混凝土橋面板與鋼梁結(jié)合的收縮徐變效應(yīng)，再澆筑負(fù)彎矩區(qū)橋面板，降低其開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）支座位移法：通過(guò)調(diào)整中支座的位移，使得負(fù)彎矩區(qū)混凝土形成預(yù)壓效果。

（3）強(qiáng)配筋法：在滿(mǎn)足構(gòu)造要求的前提下，采用高配筋率和較小直徑的帶肋鋼筋，可有效減小裂縫寬度。相關(guān)文獻(xiàn)［2］給出了簡(jiǎn)便的橋面板配筋設(shè)計(jì)方法，具有較強(qiáng)的可操作性。

該橋采用強(qiáng)配筋法以控制負(fù)彎矩區(qū)橋面板裂縫寬度和間距。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)橋面板縱向鋼筋配筋率達(dá)到2.9%時(shí)，最大裂縫寬度為0.094 mm，如圖5所示，小于規(guī)范［3］容許值0.2 mm，滿(mǎn)足耐久性要求。

3.2 主梁撓度

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果，組合梁的撓度計(jì)算方法主要有：換算截面法、折減剛度法、解析法和組合系數(shù)法，其中折減剛度法計(jì)算公式清晰明了，便于使用。

負(fù)彎矩區(qū)橋面板的開(kāi)裂將使組合梁縱橋向剛度發(fā)生明顯變化，計(jì)算前要先確定橋面板的開(kāi)裂范圍。Johnson R.P.［4］采用數(shù)值方法對(duì)連續(xù)組合梁橋進(jìn)行計(jì)算分析，提出開(kāi)裂范圍采用中支點(diǎn)兩側(cè)各15%跨度，國(guó)內(nèi)外規(guī)范也普遍采用該開(kāi)裂范圍進(jìn)行計(jì)算。

按上述方法算得橋梁在活載作用下，中跨跨中的最大撓度為20 mm，邊跨跨中的最大撓度為18 mm，如圖6所示，均小于L/500=120 mm，滿(mǎn)足規(guī)范［5］要求。

3.3 抗疲勞設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在車(chē)輛、風(fēng)等擾動(dòng)荷載的循環(huán)作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷并逐漸累積，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)將出現(xiàn)疲勞破壞。疲勞破壞時(shí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的塑性變形，呈現(xiàn)脆性斷裂特征，難以察覺(jué)和預(yù)防，往往造成巨大損失。

目前鋼橋的疲勞壽命評(píng)估方法主要有兩種：基于S-N曲線(xiàn)疲勞壽命評(píng)估方法和基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命評(píng)估方法。

S-N曲線(xiàn)方法發(fā)展較早，也是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的疲勞分析方法。該方法通過(guò)對(duì)各種鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行大量的常幅疲勞試驗(yàn)，得到名義應(yīng)力幅（σ）和疲勞壽命（N）之間的數(shù)值關(guān)系。該方法目前被廣泛收錄于各國(guó)規(guī)范里。

基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命評(píng)估方法是近年來(lái)興起的一個(gè)研究方向［6］。該方法主要思路是先通過(guò)無(wú)損方法檢測(cè)出構(gòu)件內(nèi)部可能存在的微裂紋，通過(guò)《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)》或有限元方法算得裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，最后根據(jù)Paris公式積分得到構(gòu)件的剩余疲勞壽命。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一、準(zhǔn)確的計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子方法，一定程度上制約了該方法的使用。

不同規(guī)范對(duì)S-N曲線(xiàn)的形式（如斜率、截止限等）、構(gòu)造細(xì)節(jié)的分級(jí)、疲勞強(qiáng)度值、所涵蓋的構(gòu)造細(xì)節(jié)種類(lèi)數(shù)量等方面均有所不同，其中《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》），共收錄16類(lèi)S-N曲線(xiàn)，涵蓋87個(gè)構(gòu)造細(xì)節(jié)。

鋼橋規(guī)范給出了3種疲勞荷載計(jì)算模型（圖7～9），其中疲勞荷載計(jì)算模型采用等效車(chē)道荷載，對(duì)應(yīng)于無(wú)限壽命設(shè)計(jì)，即構(gòu)件永不出現(xiàn)疲勞破壞。

采用疲勞荷載計(jì)算模型時(shí)按式（1）進(jìn)行驗(yàn)算：

γFfΔσp≤ksΔσD/γMf（1）

γFfΔτp≤ΔτL/γMf（2）

式中：γFf——疲勞荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；

γMf——疲勞抗力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)重要構(gòu)件取1.35，對(duì)次要構(gòu)件取1.15；

ks——尺寸效應(yīng)折減系數(shù)；

Δσp、Δτp——按疲勞荷載計(jì)算模型計(jì)算得到的正應(yīng)力幅與剪應(yīng)力幅。

組合梁橋焊縫較多，若對(duì)每處構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行抗疲勞分析，工作量大且不經(jīng)濟(jì)。研究表明，疲勞破壞起源于高應(yīng)力或高應(yīng)變的局部［7］。因此，要識(shí)別最可能出現(xiàn)疲勞破壞，且一旦出現(xiàn)破壞將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法繼續(xù)承載的典型構(gòu)造細(xì)節(jié)［8］。組合連續(xù)梁各典型構(gòu)造細(xì)節(jié)抗疲勞設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表2所示，均能滿(mǎn)足規(guī)范抗疲勞設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)某連續(xù)組合梁橋關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）組合連續(xù)梁負(fù)彎矩處混凝土橋面板容易開(kāi)裂，設(shè)計(jì)時(shí)可采用高配筋率和較小直徑的帶肋鋼筋，當(dāng)縱筋配筋率＞2%時(shí)，能有效控制裂縫寬度，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)耐久性要求。

（2）計(jì)算組合梁撓度時(shí)，應(yīng)采用開(kāi)裂模型，不考慮中支點(diǎn)兩側(cè)0.15L范圍內(nèi)混凝土的剛度，只計(jì)入普通鋼筋對(duì)剛度的影響。

（3）疲勞是組合梁設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)，以提高結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

［1］劉 飛.連續(xù)鋼混組合梁負(fù)彎矩區(qū)處理措施［J］.北方交通，2015（1）：33-35.

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［3］JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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［6］王春生，陳艾榮，陳惟珍.基于斷裂力學(xué)的老齡鋼橋剩余壽命與使用安全評(píng)估［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006（2）：42-48.

［7］陳傳堯．疲勞與斷裂［M］．武漢：華中科技大橋出版社，2001.

［8］李立峰，唐 武，唐金良.基于斷裂力學(xué)的錨拉板疲勞壽命評(píng)估［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，43（9）：82-87.

收稿日期：2023-09-20