斜彎鋼—混組合梁橋橋面板空間受力分析

朱鴻煥

(浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014)

1 概述

隨著對城市道路和高速公路的要求越來越高，大量的新建改建道路，特別是高速互通匝道受到原有道路的限制，新道路需要斜向穿越原有路線的同時彎曲改變行進方向滿足人們?nèi)找嬖龈叩膶τ诮煌ㄟ\輸?shù)囊骩1]，促進了斜彎鋼-混組合梁橋的出現(xiàn)。斜彎橋相對于直線橋具有更強的環(huán)境適應(yīng)性，不僅能夠應(yīng)用于城市空間立體交通，還能實現(xiàn)有效跨越山區(qū)某些河流以及道路的目的，從空間上有效解決兩條或者多條公路交匯的問題[2]。

鋼—混凝土組合梁橋與傳統(tǒng)混凝土箱梁不同的是，組合梁箱梁部分采用工廠預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)，橋面板部分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，再通過等剪力件[3]將兩者連接成一個共同作用的整體，該組合結(jié)構(gòu)能在橫截面內(nèi)共同受力，可充分發(fā)揮鋼材抗拉、混凝土抗壓性能好的優(yōu)點，具有承載力高、抗震動力性能好、箱梁截面尺寸小、重量小等特點，鋼—混凝土組合梁橋近年來得到了較為廣泛的應(yīng)用[4]。

但是由于斜彎橋平面線形的曲線性以及支承與下部公路或者河流斜交的影響，斜彎橋的受力遠比正直橋復(fù)雜，最典型的就是彎-扭耦合特性[5]，受力復(fù)雜[6]，這給斜彎橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

2 工程背景

本文依托工程為杭州繞城西復(fù)線汪家埠樞紐F匝道2號橋，該橋為85m鋼—混組合梁橋，鋼箱高2.5m，采用Q345d，橋面板厚220mm，采用 C40鋼纖維混凝土，鋼纖維長度控制在25～50mm。結(jié)構(gòu)長84.88m，跨距中心布置為45m+40m，平面處于緩和曲線內(nèi)(R=250m)，橋面橫坡4%，考慮到鋼混組合梁上跨項目主線，高速中分帶較窄，中墩采用錯孔布置， F匝道2號橋平面圖見圖1。

3 有限元模擬

3.1 全橋模型

使用Midas Civil有限元軟件建立F匝道2號橋全橋模型，如圖2所示。全橋237個節(jié)點，157個梁單元。其中臨時支撐節(jié)點84個，永久支撐節(jié)點10個，使用施工階段聯(lián)合截面建立組合截面，分為8個施工階段：吊裝五段主梁、焊接主梁整體、澆筑正彎矩橋面板、澆筑負彎矩橋面板、拆除臨時支撐、強制位移80mm、二期恒載和收縮徐變。頂升落梁施工采用在中間橋墩處施加支座強迫位移的方法進行模擬，頂升高度80mm。

3.2 局部精細模型

在Midas Civil計算獲得最不利組合的基礎(chǔ)上通過大型通用有限元軟件ABAQUS[7]建立了F匝道2號橋負彎矩區(qū)局部精細化模型研究斜彎組合梁案例橋負彎矩區(qū)橋面板的空間受力不對稱性。為減少圣維南原理對局部模型應(yīng)力分布情況的影響，局部模型總長度在24m左右，兩端距離中間負彎矩位置距離在4m以上。

圖1 F匝道2號橋平面圖(單位：cm)

圖2 全橋有限元模型

橋面板與鋼箱采用綁定進行約束，設(shè)置殼—實體耦合實現(xiàn)殼的邊與實體的面運動耦合。

為保證網(wǎng)格質(zhì)量，在鋼板集中及不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)格進行精細化布種劃分，在橋面板負彎矩區(qū)域適當提高布種密度，局部模型網(wǎng)格劃分如圖3。

圖3 組合梁負彎矩段模型網(wǎng)格劃分

4 施工階段受力分析

4.1 全橋模型受力分析

根據(jù)Midas模型計算，施工階段中拆除臨時支撐時橋面板拉應(yīng)力最大，各階段應(yīng)力圖如圖4所示。

由圖4可知，斜彎組合梁橋面板明顯呈現(xiàn)出沿橋長方向受力的不對稱性，在各個關(guān)鍵施工階段，拉應(yīng)力最大處均出現(xiàn)在41m和51m處，這兩處分別為組合梁內(nèi)外側(cè)支座所在位置。此外，橋面板最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拆除臨時支撐階段受彎內(nèi)側(cè)，達到了3.55MPa，而外側(cè)的應(yīng)力值為3.24MPa，略低于內(nèi)側(cè)。施加強制位移80mm階段，橋面板拉應(yīng)力大幅度減小，最大拉應(yīng)力僅為0.3MPa。在隨后的成橋階段應(yīng)力有了一定的增加，在二期恒載階段，內(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)力為1.21MPa，而外側(cè)最大拉應(yīng)力為1.57MPa，外側(cè)大于內(nèi)側(cè)且均出現(xiàn)在兩側(cè)支座處。由此可知，在線形彎曲的影響下，負彎矩橋面板外側(cè)拉應(yīng)力小于內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力；中間支座施加同樣的強制位移由于彎曲線形會造成對內(nèi)側(cè)影響大于外側(cè)，從而使得外側(cè)橋面板拉應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)。

4.2 局部精細模型受力分析

根據(jù)負彎矩段在整體Midas模型中的受力情況，分別截取橋面板和鋼箱梁兩端的內(nèi)力情況，將之以邊界條件的形式通過參考點的方法加載在ABAQUS模型橋面板以及鋼箱梁的兩端，實現(xiàn)準確加載[8]。將聯(lián)合截面剪力均施加至鋼箱梁部分，整體模型中負彎矩段的局部受力，橋面板和鋼箱梁的荷載設(shè)置如表1。

圖5為組合梁橋面板最大主應(yīng)力在ABAQUS可視化中的云圖，即最大主應(yīng)力圖。由圖5所示，組合梁橋面板最大主拉應(yīng)力值為6.33MPa，位于內(nèi)側(cè)支座附近。由于斜支承影響，兩側(cè)拉應(yīng)力較大區(qū)域均位于支座內(nèi)側(cè)附近，且呈斜向分布，與支座方向保持一致，彎橋效應(yīng)影響受拉區(qū)域相對外側(cè)較大。最大拉應(yīng)力不在支座對應(yīng)位置，彎橋效應(yīng)使其向內(nèi)側(cè)偏移1.3m左右。

圖4 關(guān)鍵施工階段負彎矩橋面板組合應(yīng)力圖

表1 拆除臨時支撐局部模型計算狀態(tài)荷載

圖5 組合梁橋面板最大主應(yīng)力圖

5 結(jié)論

針對杭州繞城西復(fù)線汪家埠樞紐F匝道2號橋，運用MidasCivil和ABAQUS有限元軟件分別建立全橋模型和局部精細模型，對施工過程中的關(guān)鍵階段混凝土橋面板進行受力分析，得到如下結(jié)論：

(1)中間支承為斜支承時，會造成梁橋受力呈現(xiàn)不對稱狀態(tài)。具體表現(xiàn)為，在支座處截面負彎矩橋面板拉應(yīng)力最大，向兩端遞減。

(2)彎橋?qū)ω搹澗貎?nèi)側(cè)橋面板影響更大。梁橋為曲線橋時，彎橋效應(yīng)會造成負彎矩內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力大于外側(cè)拉應(yīng)力，與支座反力正好相反。但當對中間支承施加相同的強制位移后，會造成內(nèi)側(cè)應(yīng)力小于外側(cè)應(yīng)力。

(3)強制位移對負彎矩區(qū)施加的壓力在內(nèi)外側(cè)的影響不同，為保證施加強制位移后橋面板內(nèi)外側(cè)應(yīng)力相近，內(nèi)側(cè)施加的強制位移應(yīng)小于外側(cè)。