趙煒 ZHAO Wei；戚瑞琨 QI Rui-kun；崔鑫 CUI Xin

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

鋼混組合結(jié)構(gòu)梁橋（簡(jiǎn)稱組合梁橋）是將鋼梁與混凝土橋面板通過抗剪連接件連接成整體并共同受力的橋梁結(jié)構(gòu)形式。[1]組合梁結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材和混凝土各自的材料性能，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以有效減少構(gòu)件截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，減少地震作用，降低基礎(chǔ)造價(jià)，方便施工安裝，縮短建設(shè)周期，增加構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的延性；與鋼結(jié)構(gòu)相比，可以減小用鋼量，增加剛度，提高行車舒適性。

組合梁橋根據(jù)施工方式、橋面板與鋼梁連接時(shí)機(jī)不同又分為恒載組合梁和活載組合梁。恒載組合梁的鋼梁和橋面板在承受結(jié)構(gòu)自重時(shí)已經(jīng)結(jié)合完畢，通過組合截面共同承受恒載和活載的作用，其特點(diǎn)為施工速度快、用鋼量較活載組合梁小，但吊重較大；而活載組合梁在拆除臨時(shí)支架時(shí)，橋面板和鋼梁還未結(jié)合，此時(shí)鋼梁的自重以及橋面板的濕重均由鋼梁承擔(dān)，其優(yōu)點(diǎn)為吊重小、施工靈活，但其缺點(diǎn)也十分明顯，一方面由于鋼梁承擔(dān)了大部分恒載，因此其用鋼量相較恒載組合梁要大一些，且由于其施工特點(diǎn)，在橋面板澆筑時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也是一個(gè)需要注意的問題之一。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于組合梁施工期穩(wěn)定性也有一些研究成果，例如邢淵等[2]研究了鋼箱-混凝土組合梁橋施工期開口鋼箱的穩(wěn)定性，吉俊霖[3]研究了組合梁斜拉橋施工期的整體穩(wěn)定。

1 研究對(duì)象和方法

本文選取城市跨路口常用的45m 簡(jiǎn)支現(xiàn)澆活載鋼板組合梁作為研究對(duì)象，雙向六車道，橋面寬度為25.6m，梁高2.5m；共有8 片工字型鋼梁，腹板間距3.2m，每片工字梁上翼緣寬度為600mm，下翼緣寬度為700mm；跨中設(shè)置框架式橫梁，橫梁間距4.5m，共設(shè)置9 道跨間橫梁；橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度為240mm，加腋處為300mm，挑臂長(zhǎng)度為1.5m。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

簡(jiǎn)支鋼板組合梁施工期屈曲穩(wěn)定措施研究的總體思路如圖3 所示，首先通過單梁模型和解析解的計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性，驗(yàn)證完畢后再通過多主梁模型對(duì)案例組合梁的施工期穩(wěn)定進(jìn)行參數(shù)化分析，通過參數(shù)化分析結(jié)果總結(jié)可以提高活載組合梁施工期穩(wěn)定性的有效措施。

圖3 研究方法

通過實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，我們選擇橫向支撐間距、上翼緣的寬度、橋面板施工過程等幾個(gè)因素進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果總結(jié)出活載組合梁施工期的優(yōu)化措施，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈曲穩(wěn)定問題。

2 施工期屈曲分析理論研究

簡(jiǎn)支單梁的彎扭彈性穩(wěn)定臨界彎矩可以通過實(shí)體有限元分析和解析公式分別計(jì)算，通過查閱相關(guān)資料，其中解析解有以下兩個(gè)計(jì)算公式：

①根據(jù)《橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)》（李國(guó)豪主編）[4]，均布荷載作用下簡(jiǎn)支梁的彎扭彈性穩(wěn)定臨界彎矩計(jì)算公式如下：

dy—荷載作用點(diǎn)在y 軸上的坐標(biāo)；ay—剪力中心的y軸坐標(biāo)；n—表示梁的側(cè)向支撐數(shù)的指數(shù)，無(wú)跨內(nèi)側(cè)向支點(diǎn)時(shí)，n=1；有一個(gè)側(cè)向支點(diǎn)時(shí)，n=2；有2 個(gè)側(cè)向支點(diǎn)時(shí)，n=3等等；Iω—截面的扇性慣性矩；Iy—截面的抗彎慣性矩；Id—截面的抗扭慣性矩；ζy—不對(duì)稱截面常數(shù)。

C1、C2、C3—系數(shù)，對(duì)于均布荷載，無(wú)側(cè)向支撐的簡(jiǎn)支梁，C1=1.15，C2=0.459，C3=1.00。

②根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)（第6 版）》（陳驥編著）[5]，均布荷載作用下簡(jiǎn)支梁的彎扭彈性穩(wěn)定臨界彎矩計(jì)算公式如下：

a—荷載作用點(diǎn)至剪心的距離；βy—不對(duì)稱截面常數(shù)；Iω—截面的扇性慣性矩；Iy—截面的抗彎慣性矩；It—截面的抗扭慣性矩。

通過對(duì)比可知，兩個(gè)彎扭彈性穩(wěn)定臨界彎矩計(jì)算公式形式類似，對(duì)于簡(jiǎn)支梁而言，系數(shù)也較為接近，下面通過與實(shí)體板殼單元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算理論的正確性。

分別通過Midas Fea 和Midas Civil 兩款有限元軟件分別建立單梁的板殼單元模型，上翼緣單元加載橋面板濕重模擬組合梁橋面板澆筑時(shí)鋼梁的受力狀態(tài)，可以得到相應(yīng)的屈曲失穩(wěn)模態(tài)。

通過圖4 和圖5 可知，一階失穩(wěn)狀態(tài)為上翼緣側(cè)向受壓失穩(wěn)，屈曲穩(wěn)定系數(shù)分別為0.192 和0.172，兩個(gè)解析解的系數(shù)分別為0.173 和0.198，結(jié)果接近。

圖4 一階屈曲模態(tài)（Midas Fea）

圖5 一階屈曲模態(tài)（Midas Civil）

根據(jù)屈曲計(jì)算理論，穩(wěn)定臨界彎矩和荷載的加載位置有關(guān)，為了驗(yàn)證該點(diǎn)，將相同荷載加載到下翼緣并和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果匯總見表1。

表1 單梁屈曲穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算匯總表

從表1 可以得到如下結(jié)論：

①4 種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果接近，可相互驗(yàn)證計(jì)算方法的合理性；②橋梁屈曲穩(wěn)定系數(shù)與荷載加載位置相關(guān)，荷載作用于頂板比作用于底板更不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3 施工期屈曲穩(wěn)定影響因素研究

通過上一節(jié)可以證明實(shí)體板殼單元用于計(jì)算屈曲穩(wěn)定系數(shù)是有效的，接下來(lái)通過建立整橋的施工期實(shí)體板殼單元模型來(lái)進(jìn)行施工期屈曲穩(wěn)定的參數(shù)化分析，模型見圖6。

圖6 整橋板殼單元模型（Midas Fea）

3.1 橫向支撐的影響

根據(jù)前文對(duì)于解析解公式的理解，增加橫向支撐的密度對(duì)于整體的穩(wěn)定性有利，現(xiàn)通過有限元對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

將跨間橫梁間距分別設(shè)置為9m、4.5m、2.25m 分別計(jì)算，分別計(jì)算整橋的屈曲失穩(wěn)模態(tài)。

從圖7 和圖8 的計(jì)算結(jié)果可以得知，當(dāng)橫梁間距為9m 時(shí)，一階失穩(wěn)模態(tài)為主梁側(cè)向失穩(wěn)，屈曲穩(wěn)定系數(shù)為3.78；當(dāng)橫梁間距加密至4.5m 時(shí)，一階失穩(wěn)模態(tài)發(fā)生了改變，腹板局部失穩(wěn)先于鋼梁的整體失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)也增加到5.4；但當(dāng)橫向支撐進(jìn)一步加密時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)增加效果有限。詳細(xì)結(jié)算結(jié)果見表2。

表2 橫向支撐間距的影響

圖7 一階失穩(wěn)模態(tài)（橫梁間距9m）

圖8 一階失穩(wěn)模態(tài)（橫梁間距4.5m）

綜合考慮施工期安全性和造價(jià)，橫梁間距4.5m 時(shí)無(wú)疑是最優(yōu)選擇；可將部分橫梁替換為上翼緣附近設(shè)置的平聯(lián)，可以起到類似效果，不僅不影響施工期鋼梁的穩(wěn)定性，還進(jìn)一步優(yōu)化了總的用鋼量。

3.2 鋼梁上翼緣寬度的影響

增加上翼緣的寬度，不僅可以減小施工期上翼緣的應(yīng)力（應(yīng)變），還可以提高上翼緣的側(cè)向抗彎剛度，對(duì)于整體側(cè)向失穩(wěn)有一定幫助，現(xiàn)通過有限元對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

將鋼梁上翼緣寬度分別設(shè)置為0.6m、0.8m、1.0m（板厚不變）分別計(jì)算，橫梁間距統(tǒng)一為9m，分別計(jì)算整橋的屈曲失穩(wěn)模態(tài)。計(jì)算過程同上，結(jié)果見表3。

表3 鋼梁上翼緣寬度的影響

從表3 結(jié)果可以看出，上翼緣加寬對(duì)于失穩(wěn)模態(tài)并沒有改變，但穩(wěn)定系數(shù)有一定提升，因此可見加寬上翼緣寬度對(duì)于活載組合梁施工期的整體穩(wěn)定有一定的效果，但是如果成橋狀態(tài)下的上翼緣應(yīng)力不控制，則會(huì)增加較多的用鋼量，經(jīng)濟(jì)性不佳。

3.3 橋面板施工過程

目前常規(guī)的跨路口簡(jiǎn)支現(xiàn)澆組合梁，根據(jù)施工過程的不同分為恒載組合梁和活載組合梁，恒載組合梁的臨時(shí)支架需要在橋面板達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)再拆除，活載組合梁則在鋼梁施工完成后就拆除；恒載組合梁雖然由于臨時(shí)墩的存在，施工期穩(wěn)定性不控制設(shè)計(jì)，但由于其對(duì)于路口交通影響較大，適用性上有一定的局限性；而活載組合梁雖然對(duì)橋下交通影響性較小，但施工期穩(wěn)定則是需要考慮的問題。

從之前的失穩(wěn)模型可以看出，整體失穩(wěn)模態(tài)一般發(fā)生于跨中，綜合考慮施工期安全性和對(duì)橋下交通的影響，橋面板施工可考慮參考活載連續(xù)組合梁采用分段澆筑的方式，可減小施工期鋼梁承臺(tái)的橋面板濕重，對(duì)于提高穩(wěn)定性也有一定幫助，現(xiàn)通過有限元對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

將鋼梁上翼緣上加載的濕重分別按照全長(zhǎng)加載和僅在跨中加載一半長(zhǎng)度，分別計(jì)算整橋的屈曲失穩(wěn)模態(tài)。計(jì)算過程同上，結(jié)果見表4。

從表4 結(jié)果可以看出，調(diào)整施工方式后，穩(wěn)定系數(shù)顯著提高，增加比例約為23%。因此調(diào)整施工過程對(duì)于活載組合梁施工期穩(wěn)定性效果顯著。

4 結(jié)論

本文首先通過單梁板殼單元模型和理論解析解的對(duì)比，驗(yàn)證板殼單元計(jì)算屈曲穩(wěn)定的適用性，隨后選取城市跨路口常用的45m 簡(jiǎn)支現(xiàn)澆鋼板活載組合梁作為研究對(duì)象，研究橫向支撐間距、上翼緣的寬度、橋面板施工步驟等幾個(gè)因素對(duì)施工期屈曲穩(wěn)定的影響，得到了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)原則：①單梁板殼單元模型和理論解析解計(jì)算出來(lái)的穩(wěn)定系數(shù)接近，橋梁屈曲穩(wěn)定系數(shù)與荷載加載位置相關(guān)，荷載作用于頂板比作用于底板更不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。②橫向支撐的加密顯著提高整體穩(wěn)定系數(shù)，且改變了失穩(wěn)模態(tài)，橫向支撐的間距需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)綜合考慮。③上翼緣加寬對(duì)于失穩(wěn)模態(tài)并沒有改變，但穩(wěn)定系數(shù)有一定提升，因此可見加寬上翼緣寬度對(duì)于活載組合梁施工期的整體穩(wěn)定有一定的效果，但也需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)型指標(biāo)綜合考慮。④調(diào)整常規(guī)的橋面板施工過程，采用分段澆筑的方式，可以顯著提高施工期穩(wěn)定性，值得進(jìn)一步研究。