中小跨徑鋼板組合梁有限元計(jì)算分析

彭俊文,周 晉,李 維,郭亞文,李惠翔,張雪松

（四川交投設(shè)計(jì)咨詢研究院有限責(zé)任公司,四川 成都 610041）

0 引言

橋梁是公路、市政交通互通互聯(lián)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要保障。目前國內(nèi)橋梁建設(shè)中鋼橋、鋼混組合橋比例偏低，遠(yuǎn)低于日本、美國和法國等發(fā)達(dá)國家。鋼混組合橋是在鋼橋的基礎(chǔ)上通過現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土板而形成，更容易發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合交通部對(duì)鋼結(jié)構(gòu)大力推廣方面的相關(guān)政策，未來鋼橋，尤其是鋼混組合橋勢(shì)必得到快速發(fā)展[1-3]。

國內(nèi)高校和設(shè)計(jì)單位等機(jī)構(gòu)結(jié)合橋梁建設(shè)需求，對(duì)鋼混組合梁進(jìn)行了深入研究。對(duì)于特大跨度橋而言，一般多采用正交異性鋼橋面板或在其頂板上加鋪高性能混凝土（UHPC）、活性粉末混凝土（RPC）等[4-5]，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強(qiáng)，同時(shí)可減輕鋼結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。對(duì)于大跨度橋而言，鋼箱組合梁和鋼桁組合梁應(yīng)用較多，尤其是受橋下凈空及交通路網(wǎng)影響，常規(guī)裝配式預(yù)應(yīng)力梁橋不能滿足需求時(shí)，此類橋梁具有突出優(yōu)勢(shì)，同時(shí)鋼箱組合梁更適用于曲線橋。對(duì)于中小跨徑橋而言，當(dāng)橋墩整體高度較低時(shí)，考慮到鋼結(jié)構(gòu)自重輕，橋墩可做成輕質(zhì)化形式，綜合整體造價(jià)及碳排放影響，鋼板組合梁被認(rèn)為是一種具有競爭力的上部結(jié)構(gòu)方案。目前相關(guān)學(xué)者對(duì)中小跨徑鋼板組合梁研究較少，而高速公路95%以上橋梁多為中小跨徑橋梁形式，研究中小跨徑鋼混組合橋結(jié)構(gòu)和受力特征具有重要意義。該文結(jié)合某高速公路項(xiàng)目，以20 m跨徑鋼板組合梁為研究對(duì)象，建立了有限元模型，分析了結(jié)構(gòu)整體和局部受力情況，計(jì)算結(jié)果可為鋼板組合梁的設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 結(jié)構(gòu)介紹

某高速公路項(xiàng)目主線橋梁以20 m裝配式預(yù)應(yīng)力小箱梁為主，地勢(shì)較為平坦，全線平均墩高小于10 m，橋梁總寬為16.85 m，按雙向6車道設(shè)計(jì)，荷載等級(jí)為公路1級(jí)，項(xiàng)目所在地地震加速度為0.1 g。經(jīng)20 m跨徑裝配式預(yù)應(yīng)力小箱梁與20 m、25 m和30 m跨徑鋼板組合梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比，后兩種跨徑鋼板組合梁每平方造價(jià)分別為20 m跨徑裝配式預(yù)應(yīng)力小箱梁的1.3倍和1.5倍，而20 m跨徑鋼板組合梁每平方造價(jià)僅為同等跨徑裝配式預(yù)應(yīng)力小箱梁的1.20倍，因此該項(xiàng)目擬選擇部分工點(diǎn)推廣20 m跨徑鋼板組合梁，結(jié)構(gòu)形式為簡支橋面連續(xù)，橋面板采用25 cm等厚C50鋼筋混凝土。20 m跨徑鋼板組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 20 m跨徑鋼板組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（mm）

鋼板部分總高1 050 mm，上下翼緣板等寬等厚，寬度475 mm，厚度24 mm，腹板厚度13 mm，腹板不設(shè)置加勁肋。單跨共設(shè)置6片鋼板梁，梁間距2 880 mm，橫梁道數(shù)為5道，間距約為5 000 mm，橫梁高度與鋼主梁高度齊平，形成鋼結(jié)構(gòu)縱橫向框架體系。端橫梁高度為700 mm，上下翼緣等寬等厚，寬度300 mm，厚度24 mm，腹板厚度13 mm，中橫梁高度400 mm，上下翼緣等寬等厚，寬度400 mm，厚度15 mm，腹板厚度10 mm。橫梁與主梁采用栓接連接，鋼板材料均采用Q345qD，主梁上翼緣設(shè)置焊釘連接件。

2 有限元模型

2.1 荷載情況

鋼結(jié)構(gòu)容重78.5 kN/m3，考慮到焊縫及螺栓自重，鋼結(jié)構(gòu)自重系數(shù)為1.06?；炷翗蛎姘迮浣盥瘦^高，容重取26.5 kN/m3，瀝青鋪裝容重24 kN/m3。護(hù)欄采用SS級(jí)防撞護(hù)欄，單側(cè)每延米混凝土方量0.459 m3，護(hù)欄容重26 kN/m3。整體分析采用車道荷載，按照4車道加載，分別考慮中載和偏載兩種活載工況，活載橫向折減系數(shù)為0.67。溫度荷載按照整體升降溫30 ℃考慮。按照簡支梁約束模式對(duì)六片梁支座端梁底進(jìn)行約束，釋放梁端轉(zhuǎn)角約束，防止支座處梁體產(chǎn)生贅余力，避免梁體產(chǎn)生約束扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

2.2 有限元模型

采用ABAQUS有限元軟件，鋼梁部分采用S4R板單元，混凝土橋面板采用C3D8R實(shí)體單元，鋼梁上翼緣與混凝土橋面板之間不考慮界面滑移效應(yīng)，采用節(jié)點(diǎn)耦合約束，全橋單元網(wǎng)格控制在300 mm以內(nèi)，所建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼板組合梁有限元模型

3 結(jié)果分析

鋼板組合梁主要施工步驟：首先架設(shè)鋼梁，其次考慮混凝土濕重，然后考慮鋼板與混凝土的組合效應(yīng)，施加二期荷載和成橋活載。有限元模擬混凝土?xí)r，采用生死單元法將混凝土按照上述順序進(jìn)行設(shè)置。

3.1 特征值分析

整體計(jì)算時(shí)，沖擊系數(shù)的選取對(duì)活載影響至關(guān)重要，通過對(duì)鋼板組合梁特征值分析，能夠得到結(jié)構(gòu)的基本振型，通過計(jì)算得到結(jié)構(gòu)基頻為5.43 Hz，主要為豎向彎曲變形，結(jié)構(gòu)基本振型如圖3所示。該振型下鋼梁與橋面板混凝土未發(fā)生脫離，表明結(jié)構(gòu)模擬良好，符合實(shí)際受力情況。

圖3 鋼板組合梁基本陣型圖

3.2 受力分析

該文主要關(guān)注鋼梁受力狀態(tài)，通過活載加載試算，考慮應(yīng)急車道后，當(dāng)4車道位于偏載情況下鋼梁受力最為不利。分別提取鋼板梁下翼緣、上翼緣縱橋向應(yīng)力如圖4和圖5所示。

圖4 鋼板梁下翼緣縱橋向應(yīng)力（MPa）

圖5 鋼板梁上翼緣縱橋向應(yīng)力（MPa）

計(jì)算表明：基本組合下，鋼板梁下翼緣最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均位于邊梁跨中位置，最大拉應(yīng)力為174.6 MPa，最大壓應(yīng)力為6.5 MPa；鋼縱梁上翼緣和橫梁上翼緣應(yīng)力數(shù)值較小，最大應(yīng)力為13.4 MPa（拉），上翼緣應(yīng)力不受設(shè)計(jì)控制，鋼板梁整體應(yīng)力滿足規(guī)范要求[6]。

3.3 蜂窩鋼板組合梁實(shí)踐

將常規(guī)鋼板組合梁腹板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制造成蜂窩梁形式，可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約鋼材。蜂窩梁一般用于建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，很少應(yīng)用于橋梁，對(duì)于該結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)需要進(jìn)一步進(jìn)行研究[7]。此處選取蜂窩為六邊形，高度為1 400 mm，寬度為700 mm，一片主梁共設(shè)置16個(gè)開孔，如圖6所示。

圖6 蜂窩梁尺寸（mm）

基于ABAQUS軟件建立的蜂窩鋼板組合梁有限元模型。整體模型中鋼梁部分采用S4R板單元，通過試算發(fā)現(xiàn)邊梁跨中附近開孔應(yīng)力較大，在整體模型的基礎(chǔ)上，建立局部開孔處子模型。子模型共包含3個(gè)開孔，單元類型為C3D8R實(shí)體單元，網(wǎng)格大小控制在150 mm以內(nèi)，以確保計(jì)算精度。所建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 蜂窩鋼板組合梁有限元模型

偏載作用下，取子模型為關(guān)注對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)開孔部位應(yīng)力進(jìn)行分析，通過計(jì)算確定結(jié)構(gòu)基頻為4.92 Hz?；窘M合下開孔處應(yīng)力如圖8所示。

圖8 蜂窩鋼板組合梁開孔處應(yīng)力（MPa）

計(jì)算結(jié)果：基本組合下，蜂窩鋼板組合梁橫橋向應(yīng)力在跨中附近開孔對(duì)角位置數(shù)值相對(duì)較大，最大拉應(yīng)力為111.0 MPa。下翼緣縱橋向最大拉應(yīng)力為220.5 MPa，腹板開孔處縱橋向最大拉應(yīng)力高達(dá)329.5 MPa，位于開孔底處交點(diǎn)位置，且該處Mises應(yīng)力為330.7 MPa，接近鋼材屈服強(qiáng)度345 MPa。因此，對(duì)于鋼板組合梁而言，腹板開孔勢(shì)必引起顯著的應(yīng)力集中效應(yīng)，雖然能夠大幅度節(jié)約鋼材成本，但根據(jù)受力情況來看，不建議采用蜂窩鋼板組合梁形式。

4 結(jié)論

結(jié)合某高速公路項(xiàng)目，基于ABAQUS有限元軟件，對(duì)20 m跨徑鋼板組合梁受力情況進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上探討了蜂窩鋼板組合梁的可行性，主要結(jié)論如下：

（1）該文所采用的鋼板組合梁尺寸滿足規(guī)范要求，基本組合下，下翼緣縱橋向應(yīng)力為174.6 MPa，上翼緣應(yīng)力數(shù)值較小。因此，建議在上翼緣尺寸滿足剪力釘布置情況下盡量減小尺寸，下翼緣尺寸及板厚應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選取。

（2）蜂窩鋼板組合梁雖然節(jié)省鋼材用量，但力學(xué)性能較差。由于腹板開孔，應(yīng)力集中嚴(yán)重，局部應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度，因此，建議鋼橋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免對(duì)主要受力構(gòu)件設(shè)置較多的大尺寸開孔，合理對(duì)各板件優(yōu)化設(shè)計(jì)。