雙主梁鋼板組合梁橋面板安裝過程受力分析

謝克修

摘 要：鋼板組合梁橋是一種較為新穎的鋼混組合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的鋼主梁為工字型鋼梁，橋面板多采用預制混凝土橋面板。這種鋼主梁構(gòu)造簡單，加工方便，吊裝重量小，尤其是雙主梁鋼板組合梁，更是具有良好的經(jīng)濟性，是一種值得推廣的結(jié)構(gòu)形式。本文針對這種結(jié)構(gòu)形式在形成組合截面前抗扭剛度較小的特點，分析了其在施工過程中的抗扭特性和偏載受力性能，可為類似結(jié)構(gòu)的應用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼板組合梁橋;偏載效應;抗扭特性;結(jié)構(gòu)性能

鋼混組合結(jié)構(gòu)能夠很好的發(fā)揮鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，因此在今年來了得到了充分的發(fā)展。在組合梁應用前期，我國應用較多的組合結(jié)構(gòu)多為鋼槽梁與混凝土橋面板組合使用。近年來隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展，逐步開始研究鋼板組合梁，并且有了一定的工程實踐[1～2]。 鋼板組合梁橋按照主梁數(shù)量分為多主梁體系和雙主梁體系，鋼板梁應用的早期以多主梁居多。多主梁體系主要在鋼板梁橋應用早期使用較多，但加工、施工、維護等較繁瑣，不利于機械化施工。少主梁體系相對于多主梁，有構(gòu)件數(shù)量少、焊接量小、建造成本低、易于維護等優(yōu)勢，逐漸成為應用的主流[3]。

按照橫梁的支撐方式，可以分為支撐體系鋼板組合梁橋和非支撐體系鋼板組合梁橋兩種形式。目前我國在雙主梁鋼板組合梁上的應用相對較少，無論是支撐橫梁體系鋼板組合梁橋還是非支撐體系鋼板組合梁的實際工程和相關(guān)技術(shù)研究較少。在支撐體系鋼板組合梁的結(jié)構(gòu)體系下，橋面板的受力模式和性能并不明確，對支撐橫梁體系橋面板的受力性能和設計方法仍是目前研究的重點[4～5]。

本文以某高速公路淮河特大橋引橋鋼板組合梁為依托，該項目橋梁在設計上遵循“安全、耐久、經(jīng)濟、美觀”的原則，以工廠化生產(chǎn)、標準化施工為主要建設理念與目標，將橋梁全長10.6km全部分為三跨或四跨一聯(lián)為標準橋型布置，標準跨分別為30m和35m，其上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均大量采用預制化的標準構(gòu)件。橋梁的標準斷面如圖1所示，橋面總寬度為12.05m，主梁間距為6.75m，主梁高度為2.16m。

預制橋面板采用C40無收縮混凝土板，主梁間橋面板厚度為0.27m，翼緣板厚度偉0.24m。橋面板分為B型和Z型兩種類型，每種類型分為4種型號。橋面板預制分塊如圖2所示，30m梁每跨均勻布置24塊橋面板，35m每跨均勻布置28塊橋面板，橋面板安裝采用吊裝法施工，鋼板梁橋吊裝到位后，吊裝預制橋面板并澆筑濕接縫混凝土完成共同受力，考慮到鋼板組合連續(xù)梁橋的受力特點，正彎矩區(qū)域采用普通鋼筋混凝土橋面板，負彎矩區(qū)域采用PVA纖維加強混凝土橋面板。

一、計算模型與分析工況選取

為了準確掌握橋跨結(jié)構(gòu)在吊裝施工、施加預制橋面板、施加使用階段荷載等工況作用下，鋼板梁及混凝土橋面板的應力分布狀況及應力水平，采用大型空間有限元程序ANSYS對鋼板梁、混凝土橋面板等進行數(shù)值模擬?；炷敛糠植捎胹olide45單元模擬，鋼構(gòu)件全部采用shell43單元模擬。

模型的主要材料參數(shù)選取如下：本橋的橋面板及支座處底橫梁混凝土均采用C40混凝土，混凝土容重取26kN/m3，線膨脹系數(shù)為1.0×10-5，彈性模量為3.45×104MPa。鋼板梁橋中所有的鋼構(gòu)件均采用Q345D鋼材，鋼材容重為78.5kN/m3，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5，彈性模量為2.1×105MPa。

在組合鋼板梁橋的施工過程中，橋面板是分塊吊裝的。由于橋面板的中心不通過工字鋼梁截面的剪力中心，所以除了豎向力外，工字鋼梁還會承受一定的扭矩。此時鋼梁不僅會發(fā)生彎曲，而且還會繞剪切中心發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在實際的吊裝施工中，如果吊裝順序選擇不當，沿跨長單側(cè)吊裝橋面板，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏載作用。

在施工吊裝的過程中，考慮到邊板偏載產(chǎn)生的不利效應，以及邊板與中板一起產(chǎn)生的彎扭耦合效應，三個最可能的最不利工況如下：工況1，在全跨長范圍內(nèi)，僅在一側(cè)鋼梁上吊裝邊板B1～B4;工況2，在全跨長范圍內(nèi)，在一側(cè)鋼梁上吊裝中板Z1～Z4;工況3，在全跨長范圍內(nèi)，在另一根鋼梁上吊裝邊板B1～B4和中板Z1～Z4。各工況示意如圖3所示。

二、橋面板過程鋼梁受力分析

（一）吊裝過程的扭轉(zhuǎn)變形分析

在橋面板安裝過程中鋼梁處于裸梁狀態(tài)，鋼板主梁為非閉口斷面，抗扭剛度較小，因此有必要對橋面板安裝過程中可能出現(xiàn)的偏載工況進行分析，研究在偏載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)特性。在扭轉(zhuǎn)變形分析過程中重點考察圖4所示個點的變形情況。

在三種不同施工工況下，分別以工字梁中心點4和11為代表點，加載側(cè)和非加載側(cè)鋼梁的位移變化情況如圖5～圖7所示。

由上圖所示的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：1、在鋼梁單側(cè)加載最不利工況（工況1）的作用下，加載側(cè)鋼梁出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)，下翼緣最大位移30mm，下翼緣兩端位移相差21mm（8點位置為9mm）。非加載側(cè)梁下翼緣最大位移為4.2mm;2、鋼梁在工況2的荷載作用下，加載側(cè)鋼梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)效應比較小;3、在兩片梁同時加載的作用下，兩主梁也會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)效應比較小;4、為了減少和避免施工過程中扭轉(zhuǎn)引起比較大的變形，在橋面板吊裝時，單側(cè)吊裝應避免。

（二）吊裝過程的扭轉(zhuǎn)變形分析

為了保證橋面板吊裝過程中的安全性，驗證預制板的偏載效應對鋼梁的實際影響，對如下兩個橋面板吊裝過程中可能的最不利工況進行實體有限元分析。

在工況1狀態(tài)下，鋼梁的mises應力分布情況如圖8所示，可以看出兩側(cè)鋼梁的應力水平有明顯差異。加載側(cè)鋼梁的平均應力在50MPa左右，其中上下翼緣部分區(qū)域的最大應力達到70～80MPa。在小橫梁豎向加勁肋與鋼梁腹板相交處由于扭轉(zhuǎn)約束會產(chǎn)生應力集中情況，最大達到120MPa，但集中區(qū)域很小?？偟膩碚f，鋼梁在邊板加載的情況下會出現(xiàn)不利的扭轉(zhuǎn)受力情況，但處于安全范圍內(nèi)。

在工況2狀態(tài)下，鋼梁的mises應力分布情況如圖9所示，可以看出鋼梁整體的應力水平很小，加載側(cè)鋼梁的平均應力約為40MPa，非加載側(cè)鋼梁的平均應力約為15MPa。加載側(cè)鋼梁的應力集中于墩頂附近，最高達到90MPa左右。其中中跨的最大應力約為28MPa，邊跨的最大應力約為37MPa，均處于安全范圍之內(nèi)。說明此時的受力情況主要為受彎，鋼梁的整體抗扭能力良好。對比橋面整體擱置預制板的施工工況，其受力分析結(jié)果與單側(cè)吊裝受力情況相比很接近，從而也說明此工況下鋼梁整體以受彎為主。

三、結(jié)語

針對雙主梁鋼板組合梁橋在橋面與鋼梁連接前結(jié)構(gòu)體系的扭轉(zhuǎn)剛度較弱的問題，本文以某支撐體系雙主梁鋼板組合梁為例，分析了雙主梁鋼板組合梁橋在橋面板安放過程中可能出現(xiàn)的偏載效應，研究了在偏載狀態(tài)下鋼梁的扭轉(zhuǎn)特性與應力分布情況。研究結(jié)果表明，在非對稱安裝狀態(tài)下鋼板梁的扭轉(zhuǎn)變形效應明顯，在施工過程中應盡量保持橫向?qū)ΨQ狀態(tài)安放，避免出現(xiàn)過大的偏載效應。本文的依托項目結(jié)構(gòu)設計合理，在偏載狀態(tài)下鋼梁的兩片主梁應力偏差較大，但主梁的應力基本處于可控狀態(tài)，滿足施工過程安全性的要求。

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