牟星宇，曹德國(guó)，張劍鋒，趙然，楊夢(mèng)瑩，李金平

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

近年來，鋼-混組合梁在目前橋梁建設(shè)中的應(yīng)用逐漸增加，其結(jié)構(gòu)形式主要是通過抗剪構(gòu)建將混凝土橋面板和下部的鋼主梁連接起來，使混凝土和鋼共同受力的結(jié)構(gòu)形式[1]。這種組合結(jié)構(gòu)梁的形式，充分發(fā)揮了各種材料自身的優(yōu)良性能，在結(jié)構(gòu)抗拉和抗壓方面具有更優(yōu)良的性能。在《鋼-混組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50917-2013）[2]應(yīng)用之后，對(duì)于鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)形式的研究逐漸變多，不少學(xué)者對(duì)鋼-混組合梁橋的受力性能以及施工形式進(jìn)行了研究。陳朝慰[3]針對(duì)鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)的新型連接構(gòu)件進(jìn)行了受力分析，采用有限元分析了新型連接構(gòu)建在施工和運(yùn)營(yíng)階段的受力和變形情況；王建超等[4]開展了鋼-混凝土組合梁橋的受力可靠度分析，主要采用最大熵函數(shù)構(gòu)造的凝聚函數(shù)對(duì)抗彎、縱向抗剪和豎向抗剪承載力進(jìn)行了可靠度分析；常英飛[5]對(duì)鋼-混組合梁橋的新技術(shù)進(jìn)行了闡述和總結(jié)，并提出未來組合橋梁發(fā)展的新思路；陳寶春等[6]對(duì)我國(guó)鋼-混凝土組合梁橋的研究進(jìn)展和工程應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)歸納總結(jié)，介紹了傳統(tǒng)的組合梁橋以及近年提出的新型組合梁橋結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)其工程應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)；王嶺軍[7]采用有限元分析法，首先建立鋼-混組合梁斜拉橋模型，再次分析了不同施工階段下橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性，獲得橋梁整體失穩(wěn)狀態(tài)，最后根據(jù)分析得出相應(yīng)的結(jié)論；李德等[8]對(duì)新型鋼-混組合桁架梁鐵路橋的力學(xué)特征進(jìn)行了研究分析，研究結(jié)果表明，橋梁的自振特性分析結(jié)果滿足規(guī)范要求；王元清等[9]采用ANSYS 有限元分析了曲線鋼-混組合梁橋的跨度與整體剛度及跨高比之間的關(guān)系；蔣麗忠等[10]針對(duì)鋼-混組合梁橋的動(dòng)力響應(yīng)和安全指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。由上述可知，對(duì)于鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)較為成熟，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以主河槽橋?yàn)橐劳?，開展了平原區(qū)鋼-混凝土組合梁橋的受力性能分析，主要研究靜載和汽車荷載作用下組合梁的位移和變形情況，為平原區(qū)鋼-混組合梁橋的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

主河槽橋上跨黃河灘地及主河槽，采用鋼-混凝土組合梁，橋跨布置為6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+6×100m+1×50m，橋梁全長(zhǎng)為3656m（含橋臺(tái)）。橋梁上、下部結(jié)構(gòu)均采用分幅布置，橋面總寬34.1m。上部結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室分幅“開口鋼箱梁+混凝土橋面板”等高連續(xù)組合梁，單幅橋?qū)?6.6m；下部結(jié)構(gòu)采用分離式布置，鋼管復(fù)合樁基礎(chǔ)，埋置式承臺(tái)，承臺(tái)和墩身均采用懸澆鋼筋混凝土。鋼主梁設(shè)計(jì)成倒梯形結(jié)構(gòu)，鋼主梁在梁中心線處高4.72m，鋼主梁頂寬9.7m，底寬6.5m，腹板傾斜設(shè)置，預(yù)制混凝土橋面板采用C55 耐久混凝土，橋面寬16.60m，懸臂長(zhǎng)度3.25m。預(yù)制橋面板構(gòu)造見圖1，主梁斷面圖見圖2。

圖1 橋面板一般構(gòu)造圖

圖2 主梁斷面圖

2 有限元模擬

2.1 模型條件

主梁采用鋼混組合箱梁，中心梁高5.0m（含28cm 厚橋面板），梁寬16.6m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為10.0m。主梁為開口槽型斷面，材質(zhì)為Q420，頂板寬度1.6m、厚度40～60mm，底板寬度6.6m、厚度28～56mm。主梁橋面板寬度為16.6m、厚度為28cm，在伸縮縫處采用變高度設(shè)計(jì)，厚度為50cm，橋面板材質(zhì)為C50混凝土。鋼絞線抗拉強(qiáng)度為1860MPa，其彈性模量E 為195000MPa，線膨脹系數(shù)為0.000012。鋼導(dǎo)梁采用焊接工字鋼，導(dǎo)梁長(zhǎng)度為60.0m，每15.0m 為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。鋼導(dǎo)梁采用變高度設(shè)計(jì)，高度從4.7m漸變至2.0m。

2.2 荷載取值

結(jié)構(gòu)自重：混凝土容重26kN/m3。

二期恒載：?jiǎn)蝹?cè)SS 級(jí)鋼護(hù)欄2.1kN/m；橋面鋪裝為10cm 厚瀝青混凝土，荷載集度為37.2kN/m。

混凝土收縮及徐變影響：混凝土收縮及徐變應(yīng)按照《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》（JTG D62-2004）取用。

支座沉降按照1cm考慮。

車道荷載：汽車活載為公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)車道數(shù)為四車道，橫向折減系數(shù)及縱向折減系數(shù)取值參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）；制動(dòng)力按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)取值。

整體升降溫：按照全國(guó)氣候分區(qū)圖，橋位所在地區(qū)為寒冷地區(qū)。按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015)）表4.3.12，混凝土橋面板鋼橋有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值最高為39℃、最低為-15℃。

2.3 有限元模型

依據(jù)上述模型條件和荷載條件建立鋼-混凝土組合梁橋的有限元模型，由于全橋共3650m 長(zhǎng)，600m 一聯(lián)，100m一跨，因此本文建立此橋的一聯(lián)進(jìn)行計(jì)算分析。整聯(lián)橋梁共1245 個(gè)節(jié)點(diǎn)，926個(gè)單元，該聯(lián)橋梁設(shè)置5 個(gè)縱向活動(dòng)支座、5個(gè)雙向活動(dòng)支座、2個(gè)固定支座和2個(gè)橫向活動(dòng)支座，全聯(lián)橋梁的有限元模型見圖3，有限元模型橋梁橫斷面見圖4。

圖3 鋼-混凝土組合梁橋有限元模型

圖4 有限元模型橋梁橫斷面圖

3 計(jì)算分析結(jié)果

依據(jù)建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出在靜載和汽車荷載作用下，鋼-混凝土組合橋梁的受力性能。

3.1 位移分析結(jié)果

在溫度荷載、人群荷載和汽車荷載的作用下，鋼-混凝土組合梁橋的整體縱向位移情況見圖5。

圖5 縱向位移情況

由圖5 可知，人群荷載和汽車荷載對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)的縱向位移影響很小，依據(jù)規(guī)范，不可忽略人群荷載和汽車荷載對(duì)橋梁的影響。本文主要研究整體升溫作用和整體降溫作用對(duì)組合梁的影響規(guī)律，分析結(jié)果顯示組合梁結(jié)構(gòu)的縱向位移影響規(guī)律剛好相反。在整體升溫作用下，組合梁結(jié)構(gòu)的縱向位移先減小，后在200～300m 的位置保持位移在0 附近，主要可能是由于在200m 和300m 位置處設(shè)置了固定支座和橫向活動(dòng)支座，最后組合梁的縱向位移逐漸反向增大，在0m 位置時(shí)，組合梁的縱向最大位移為92mm，在600m 位置處組合梁的最大縱向位移為137mm；整體降溫作用下組合結(jié)構(gòu)的縱向位移變化趨勢(shì)呈先減小后保持100m 的距離不變，最后反向增大，組合梁結(jié)構(gòu)在0m 位置處的最大縱向位移為35mm，在600m 位置處的最大縱向位移為53mm。

由上述分析，人群荷載和汽車荷載對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)的縱向位移影響較小，整體升溫和整體降溫作用下組合梁結(jié)構(gòu)的縱向位移較大，在設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)多注意溫度對(duì)鋼-混凝土組合橋梁縱向位移的影響，針對(duì)溫度作用的影響提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)對(duì)策，保證結(jié)構(gòu)的安全。

由于溫度荷載和人群荷載對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)的橫向位移影響很小，因此只對(duì)鋼-混凝土組合橋梁結(jié)構(gòu)的橫向位移進(jìn)行分析，汽車荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的橫向位移見圖6。由圖6可知，汽車荷載作用下，鋼-混凝土組合梁橋的橫向位移量最大為8mm，最大位移出現(xiàn)在設(shè)有固定支座的第3 跨跨中，且每跨的橫向位移變化趨勢(shì)均一致。由此可見，汽車荷載作用對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)的橫向位移有較大的影響。

圖6 橫向位移情況

組合梁結(jié)構(gòu)的豎向位移情況見圖7、圖8和圖9。

圖7 豎向位移情況

圖8 人群荷載作用下組合梁豎向位移情況

圖9 汽車荷載作用下組合梁豎向位移情況

由圖7 可知，在溫度荷載作用下，組合梁結(jié)構(gòu)的豎向位移在200m 和300m的位置出現(xiàn)變化，主要可能是由于在第3 跨兩端設(shè)置了固定支座，使主梁在溫度作用下跨中出現(xiàn)了豎向變形。整體升溫作用下，主要發(fā)生下?lián)衔灰疲医M合梁的最大豎向位移為0.03mm，在整體降溫作用下，主梁主要出現(xiàn)向上拱起位移，最大豎向位移為0.12mm，整體上看，溫度荷載作用對(duì)鋼混組合梁橋的主梁豎向變形影響較小。

由圖8和圖9可知，組合梁豎向位移變化情況受人群荷載和汽車荷載作用的影響基本一致且都非常小，但是在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于人群荷載對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)豎向位移的影響需適當(dāng)考慮，不可忽略。由于汽車荷載的特殊性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)主要考慮汽車沖擊荷載作用對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)豎向位移的影響。

3.2 內(nèi)力分析結(jié)果

由于人群荷載和汽車荷載作用對(duì)鋼-混凝土組合梁橋的軸力的影響很小，因此，主要探討溫度荷載作用下組合梁結(jié)構(gòu)的軸力變化情況。溫度荷載下作用下，組合梁結(jié)構(gòu)的軸力變化情況見圖10。

圖10 組合梁軸力變化情況

由圖10 可知，在整體升溫作用下，組合梁結(jié)構(gòu)的軸力在200m 和300m 位置處發(fā)生突變，主要是由于在200m 位置和300m 位置處設(shè)置了固定支座和橫向活動(dòng)支座，且在200～300m 位置軸向壓力達(dá)到最大值（554830.64kN）；在整體降溫作用下，組合梁結(jié)構(gòu)的軸力同樣在200m和300m位置處發(fā)生突變，在此位置的最大軸線拉力為213396.4kN。由上述分析可知溫度荷載對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)的軸力影響很大，在設(shè)計(jì)和施工中，為保證結(jié)構(gòu)的安全性能，應(yīng)多加考慮溫度荷載對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)的影響。荷載作用下鋼-混組合梁橋的彎矩變化情況見圖11。

圖11 組合梁的彎矩變化情況

由圖11 可知，整體升溫和整體降溫作用對(duì)鋼-混凝土組合梁橋的彎矩影響很小。在人群荷載和汽車荷載作用對(duì)組合梁彎矩的影響變化情況基本一致，且每跨的最大彎矩均在跨中位置，人群荷載作用下，組合梁的最大彎矩為1576.03kN·m，汽車荷載作用下，組合梁的最大彎矩為23087.32kN·m。

由上述分析可知，在鋼-混凝土組合梁橋的設(shè)計(jì)中，主要考慮汽車荷載作用產(chǎn)生的彎矩，溫度荷載對(duì)主梁彎矩的影響較小。

3.3 應(yīng)力分析結(jié)果

計(jì)算分析了荷載作用下，組合梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況，結(jié)果見圖12。由圖12 可知，鋼-混凝土組合梁橋的應(yīng)力主要受溫度荷載為影響，人群荷載對(duì)組合梁的應(yīng)力影響較小，但不可忽略，本文主要研究溫度荷載作用下組合梁的應(yīng)力變化規(guī)律。在整體升溫和整體降溫作用下，對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響很大，其次是汽車荷載作用的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需注重考慮溫度荷載和汽車荷載對(duì)組合梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

圖12 組合梁應(yīng)力變化情況

由于鋼-混凝土組合梁的應(yīng)力變化受整體升溫作用影響最大，因此，本文統(tǒng)計(jì)了在整體升溫作用下，混凝土橋面板和鋼梁頂?shù)装宓膽?yīng)力值，并與規(guī)范值相比較，結(jié)果見表1。

表1 組合梁應(yīng)力值（單位：MPa）

由表1 可知，組合梁結(jié)構(gòu)的各部應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求，因此，本文的研究成果在一定程度上可為設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié)論

為探究鋼-混凝土組合梁的受力性能，本文以主河槽橋?yàn)橐劳?，研究分析了溫度荷載、汽車荷載和人群荷載作用下，橋梁的位移、內(nèi)力和應(yīng)力變化情況，主要得出以下結(jié)論：

鋼-混凝土組合梁橋?yàn)槲灰剖軠囟群奢d和汽車荷載的影響較大，受人群荷載的影響較?。?/p>

鋼-混凝土組合梁橋的軸力主要受溫度荷載作用的影響，其彎矩主要受汽車荷載的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮溫度和在和汽車荷載的影響；

鋼-混凝土組合梁橋的應(yīng)力主要受溫度荷載的影響，其次是汽車荷載的影響，受溫升作用影響最大，研究結(jié)果表明溫升作用下各部的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。