唐武 劉宇飛 劉多貴

摘要：文章以某鋼-混組合連續(xù)梁橋為研究對象，通過有限元模型對其負彎矩橋面板、主梁撓度、抗疲勞等設計關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，驗證了組合橋梁設計的合理性和可靠性，為今后同類組合梁橋的設計分析提供借鑒。

關(guān)鍵詞：組合連續(xù)梁；負彎矩；撓度；疲勞

中圖分類號：U448.34 A 50 165 3

0 引言

隨著我國交通基礎設施建設向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，橋梁耐久性、環(huán)保性、景觀性、經(jīng)濟性等方面越來越得到橋梁建造者的重視?；炷两Y(jié)構(gòu)短期養(yǎng)護費用較低，但自重大、能耗高、環(huán)保景觀性差；鋼橋自重輕、可循環(huán)利用，但疲勞、穩(wěn)定、腐蝕問題突出，同時造價較高。為從混凝土橋與鋼橋中找到共同結(jié)合點，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，彌補各自缺點，從而使結(jié)構(gòu)受力達到合理狀態(tài)。由于起步較晚且早期鋼產(chǎn)量不足，我國在鋼-混組合梁方面的研究及應用相對落后，組合梁橋的合理設計及分析仍有待進一步研究。

本文以某鋼-混組合連續(xù)梁跨線橋為例，通過建立有限元模型，對其設計關(guān)鍵技術(shù)如負彎矩橋面板設計、主梁撓度、疲勞等進行了分析計算，為今后同類型橋梁的設計分析提供一定的參考。

1 工程概況

該跨線橋跨越某運營中的高速公路，為加快施工進度，減小橋梁施工對橋下高速公路現(xiàn)狀交通的影響，跨線橋采用（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，建模分析時主要考慮如下幾個施工階段：

階段1：架設鋼主梁。

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：模擬橋面板開裂——使用階段，橋面板按照規(guī)范要求，中支點兩側(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力結(jié)果如表1所示，均滿足規(guī)范要求。

鋼-混組合連續(xù)梁橋設計關(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 負彎矩區(qū)橋面板抗裂

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

參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果，鋼混組合梁負彎矩混凝土橋面板開裂問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，使鋼梁預先變形，同時消除跨中區(qū)域混凝土橋面板與鋼梁結(jié)合的收縮徐變效應，再澆筑負彎矩區(qū)橋面板，降低其開裂的風險。

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

（3）強配筋法：在滿足構(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［2］給出了簡便的橋面板配筋設計方法，具有較強的可操作性。

該橋采用強配筋法以控制負彎矩區(qū)橋面板裂縫寬度和間距。計算結(jié)果表明，當橋面板縱向鋼筋配筋率達到2.9%時，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，滿足耐久性要求。

3.2 主梁撓度

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

負彎矩區(qū)橋面板的開裂將使組合梁縱橋向剛度發(fā)生明顯變化，計算前要先確定橋面板的開裂范圍。Johnson R.P.［4］采用數(shù)值方法對連續(xù)組合梁橋進行計算分析，提出開裂范圍采用中支點兩側(cè)各15%跨度，國內(nèi)外規(guī)范也普遍采用該開裂范圍進行計算。

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，滿足規(guī)范［5］要求。

3.3 抗疲勞設計

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在車輛、風等擾動荷載的循環(huán)作用下會產(chǎn)生疲勞損傷并逐漸累積，當達到一定程度時將出現(xiàn)疲勞破壞。疲勞破壞時結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)明顯的塑性變形，呈現(xiàn)脆性斷裂特征，難以察覺和預防，往往造成巨大損失。

目前鋼橋的疲勞壽命評估方法主要有兩種：基于S-N曲線疲勞壽命評估方法和基于斷裂力學的疲勞壽命評估方法。

S-N曲線方法發(fā)展較早，也是現(xiàn)在應用最廣泛的疲勞分析方法。該方法通過對各種鋼橋構(gòu)造細節(jié)進行大量的常幅疲勞試驗，得到名義應力幅（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規(guī)范里。

基于斷裂力學的疲勞壽命評估方法是近年來興起的一個研究方向［6］。該方法主要思路是先通過無損方法檢測出構(gòu)件內(nèi)部可能存在的微裂紋，通過《應力強度因子手冊》或有限元方法算得裂紋尖端的應力強度因子，最后根據(jù)Paris公式積分得到構(gòu)件的剩余疲勞壽命。目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一、準確的計算應力強度因子方法，一定程度上制約了該方法的使用。

不同規(guī)范對S-N曲線的形式（如斜率、截止限等）、構(gòu)造細節(jié)的分級、疲勞強度值、所涵蓋的構(gòu)造細節(jié)種類數(shù)量等方面均有所不同，其中《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》（JTG D64-2015）（以下簡稱《規(guī)范》），共收錄16類S-N曲線，涵蓋87個構(gòu)造細節(jié)。

鋼橋規(guī)范給出了3種疲勞荷載計算模型（圖7～9），其中疲勞荷載計算模型采用等效車道荷載，對應于無限壽命設計，即構(gòu)件永不出現(xiàn)疲勞破壞。

采用疲勞荷載計算模型時按式（1）進行驗算：

γFfΔσp≤ksΔσD/γMf（1）

γFfΔτp≤ΔτL/γMf（2）

式中：γFf——疲勞荷載分項系數(shù)，取1.0；

γMf——疲勞抗力分項系數(shù)，對重要構(gòu)件取1.35，對次要構(gòu)件取1.15；

ks——尺寸效應折減系數(shù)；

Δσp、Δτp——按疲勞荷載計算模型計算得到的正應力幅與剪應力幅。

組合梁橋焊縫較多，若對每處構(gòu)造細節(jié)進行抗疲勞分析，工作量大且不經(jīng)濟。研究表明，疲勞破壞起源于高應力或高應變的局部［7］。因此，要識別最可能出現(xiàn)疲勞破壞，且一旦出現(xiàn)破壞將直接導致結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承載的典型構(gòu)造細節(jié)［8］。組合連續(xù)梁各典型構(gòu)造細節(jié)抗疲勞設計計算結(jié)果如表2所示，均能滿足規(guī)范抗疲勞設計要求。

4 結(jié)語

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

（1）組合連續(xù)梁負彎矩處混凝土橋面板容易開裂，設計時可采用高配筋率和較小直徑的帶肋鋼筋，當縱筋配筋率＞2%時，能有效控制裂縫寬度，滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求。

（2）計算組合梁撓度時，應采用開裂模型，不考慮中支點兩側(cè)0.15L范圍內(nèi)混凝土的剛度，只計入普通鋼筋對剛度的影響。

（3）疲勞是組合梁設計時需要重點考慮的問題，設計時應采用合理的構(gòu)造細節(jié)，以提高結(jié)構(gòu)抗疲勞強度。

參考文獻

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

［2］BS EN 1994-2：2005，Eurocode 4-Design of composite steel and concrete structures［S］.

［3］JTG 3362-2018，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

［4］COMPOSITE STRUCTURE OF STEEL AND CONCRETE［P］.England：JP19900409966，1992-08-04.

［5］JTG D64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范［S］.

［6］王春生，陳艾榮，陳惟珍.基于斷裂力學的老齡鋼橋剩余壽命與使用安全評估［J］.中國公路學報，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.基于斷裂力學的錨拉板疲勞壽命評估［J］.湖南大學學報，2016，43（9）：82-87.

收稿日期：2023-09-20