康紀(jì)平

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)良好的抗壓性能及鋼材優(yōu)越的抗拉性能，使其材料強度得到大化發(fā)揮，具有施工速度快、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，近年來得到廣泛應(yīng)用[1-3]。而鋼-鋼纖維混凝土組合結(jié)構(gòu)是在普通鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上衍生而來的新型結(jié)構(gòu)，相比于普通鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，其鋼纖維混凝土層延性較好、結(jié)構(gòu)整體剛度較大及穩(wěn)定性強[4-5]。本文以某異性三跨連續(xù)鋼-鋼纖維混凝土組合梁橋為研究對象，建立有限元模型，分析其在正常使用極限狀態(tài)下的負(fù)彎矩區(qū)鋼纖維混凝土裂縫、跨中撓度，并給出預(yù)拱度建議值。

1 概述

某異性三跨連續(xù)鋼-鋼纖維混凝土組合梁橋，跨徑布置為41 m+42 m+41 m，其整體布置如圖1所示。雙向四車道布置，設(shè)計荷載為公路I級，橋梁安全等級一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。橋?qū)?6.25 m，梁高2 m，鋼纖維混凝土層厚250 mm，混凝土層與鋼結(jié)構(gòu)層采用PBL和剪力釘連接?；炷翉姸鹊燃墳镃40，鋼材強度等級為Q345C，主要材料特性見表1和表2。

圖1 整體布置(單位:cm)

表1 梁橋鋼纖維混凝土材料特性

表2 鋼材材料特性

2 有限元建模

利用Midas/Civil分析軟件，采用雙主梁單元形式建立彎曲連續(xù)梁橋的全橋有限元計算模型，主梁標(biāo)準(zhǔn)截面如圖2所示，雙主梁單元之間采用剛性連接模擬實際橋梁中橫向聯(lián)結(jié)。每側(cè)主梁單元中混凝土橋面板與鋼箱梁分別采用梁單元模擬，二者之間采用剛性連接。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)截面

全橋模型如圖3所示，共包含456個節(jié)點和430個梁單元，其邊界條件為左中支點簡化為固定鉸支座，右中支點及兩端支點簡化為活動鉸支座。

圖3 Midas/civil模型

全橋分為4個主要施工階段：施工階段1，鋼箱梁架設(shè)；施工階段2，跨中混凝土現(xiàn)澆；施工階段3，墩頂混凝土現(xiàn)澆；施工階段4，二期鋪裝荷載。

3 結(jié)果分析

根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》第4.1.6條的規(guī)定，按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同設(shè)計要求，采用作用的頻遇組合或準(zhǔn)永久組合。頻遇組合與準(zhǔn)永久組合中荷載系數(shù)見表3，其中ψ1表示頻遇組合中荷載系數(shù)，ψ2表示準(zhǔn)永久組合中荷載系數(shù)。

表3 頻遇組合與準(zhǔn)永久組合荷載系數(shù)

3.1 撓度分析

根據(jù)JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》第4.2.3條和JTG/T D64-01-2015《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范》第5.4.1條，計算豎向撓度時，應(yīng)按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法并采用不計沖擊的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0，計算撓度值不應(yīng)超過l/500，l為計算跨徑。

根據(jù)上述規(guī)范要求，在成橋狀態(tài)下進行撓度計算，如圖4所示，最大豎向撓度為37.5 mm，位于右邊跨跨中，根據(jù)計算，撓度限值為l/500=82.0 mm，滿足規(guī)范要求。

圖4 豎向撓度計算

3.2 裂縫分析

根據(jù)JTG D62《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(征求意見稿)的第6.4.3條及第6.4.4條，最大裂縫寬度Wfk可按下列公式計算：

(1)

(2)

(3)

在作用效應(yīng)頻遇組合下，墩頂混凝土最大負(fù)彎矩為822 kN·m，即Ms=822 kN·m，由As=43 407 mm2及h0=1 965 mm得到σss=11.1 MPa。

根據(jù)規(guī)范取值：C1=1.0，C2=1.5，C3=1.15。由σss=11.1 MPa，c=40 mm，d=12 mm，ρte=0.1，As=43 407 mm2及Ate=24 750 mm2，計算得到最大裂縫寬度Wfk為0.010 8 mm，滿足規(guī)范要求0.2 mm(環(huán)境類別：碳化環(huán)境；環(huán)境級別：I-B)。

3.3 預(yù)拱度設(shè)置

根據(jù)JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》第4.2.4條和《公路鋼混組合橋梁設(shè)計規(guī)范》第5.4.2條，組合梁橋預(yù)拱度等于結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值和1/2車道荷載頻遇值所產(chǎn)生的豎向撓度之和，頻遇值系數(shù)為1.0。

根據(jù)上述規(guī)范要求進行荷載組合，考慮施工順序的影響，成橋階段的左邊跨最大撓度為27.3 mm，中跨最大豎向撓度為15.1 mm，右邊跨最大撓度為29.8 mm，所設(shè)預(yù)拱度即為各自最大豎向撓度，變形如圖5所示。

圖5 成橋階段自重+1/2車道荷載豎向撓度變形(單位：mm)

4 結(jié)論

(1)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計下，根據(jù)作用的頻遇組合效應(yīng)，最大豎向撓度為37.5 mm，位于右邊跨跨中，滿足規(guī)范要求計算的82 mm。

(2)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計下，根據(jù)作用的頻遇組合效應(yīng)，最大裂縫寬度Wfk為0.010 8 mm，滿足規(guī)范要求的0.2 mm。

(3)根據(jù)規(guī)范要求，考慮施工順序的影響，預(yù)拱度設(shè)置如下：左邊跨跨中上拱27.3 mm，中跨跨中上拱15.1 mm，右邊跨跨中上拱29.8 mm。