應(yīng)急搶修單梁置換鋼混組合結(jié)構(gòu)研究

柯亮亮，苗建寶，劉顏滔

（西安公路研究院有限公司，西安 710065）

橋梁是確保公路暢通的咽喉，其承載能力和通行能力更是溝通全線的關(guān)鍵。近年來(lái)，如地震、泥石流、滑坡、落石及車輛撞擊等災(zāi)害頻發(fā)[1]，如何實(shí)現(xiàn)橋梁上部結(jié)構(gòu)損壞后的快速搶修或更換，同時(shí)有效利用新型材料或結(jié)構(gòu)形式對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，為抗災(zāi)救援爭(zhēng)取時(shí)間是需要深入研究的問(wèn)題[2]。

我國(guó)現(xiàn)有橋梁以中小跨徑為主，中小跨徑橋梁?jiǎn)瘟撼霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大、破壞、傾覆或加固不能滿足規(guī)范要求[3]，主要采取單梁置換的處置思路。目前單梁置換通常選用同類結(jié)構(gòu)替換，但混凝土主梁在澆筑過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)捆扎鋼筋、澆筑、齡期及張拉預(yù)應(yīng)力等步驟，施工周期較長(zhǎng)，不適用于快速搶修要求[4]。由于鋼結(jié)構(gòu)抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度均比較高，與混凝土等材料相比自重小，具有較大跨越能力，施工速度快等優(yōu)勢(shì)[5-7]。因此，針對(duì)中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)單梁快速置換方法，提出采用鋼混組合結(jié)構(gòu)單梁置換方法。

1 傳統(tǒng)換梁方法適用性分析

正常使用情況下橋梁的單梁受損情況較少，單梁置換基本采用將受損的單梁置換為與原結(jié)構(gòu)相同的混凝土梁。混凝土梁與原結(jié)構(gòu)剛度匹配較好，但在應(yīng)急搶修工程中，制作原結(jié)構(gòu)梁需要耗費(fèi)大量時(shí)間，且自重過(guò)大導(dǎo)致運(yùn)輸不便，施工的周期過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)混凝土梁在應(yīng)急搶修過(guò)程中由于沒(méi)有充分時(shí)間達(dá)到混凝土齡期，受收縮徐變影響較大。因此，工期要求緊迫的橋梁，有必要探索新的單梁置換方法，徹底解決以上問(wèn)題。

2 理論分析

鋼混組合梁置換混凝土梁在確保結(jié)構(gòu)具有足夠強(qiáng)度以外，在剛度不匹配的情況下，會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)梁與混凝土結(jié)構(gòu)梁接縫處的應(yīng)力過(guò)大，從而產(chǎn)生裂縫甚至落梁，因此，混凝土梁?jiǎn)瘟褐脫Q為鋼混組合結(jié)構(gòu)梁主要問(wèn)題為剛度匹配。

2.1 撓度分析

對(duì)于鋼混組合結(jié)構(gòu)T 梁或箱梁在匹配剛度時(shí)可根據(jù)材料力學(xué)中撓度近似微分方程公式（1）

式中：ω 為撓度變形；M（x）為梁段彎矩方程；E 為材料彈性模量；I 為截面慣性矩。

由公式（1）可知，在荷載與跨徑相同的情況下，撓度僅與材料的彈性模量E 與截面慣性矩I 的乘積，既與彎曲剛度有關(guān)。通常改變結(jié)構(gòu)剛度主要有3 種方法：①改善結(jié)構(gòu)形式，減小彎矩M；②增大彎曲剛度EI；③增加支座，減小梁的跨度。但在單梁置換工程中，結(jié)構(gòu)彎矩與主梁跨度很難進(jìn)行優(yōu)化，僅能通過(guò)控制截面尺寸與梁高來(lái)改變截面慣性矩控制截面剛度，從而達(dá)到撓度變形量相同的目的。而在鋼混組合結(jié)構(gòu)置換混凝土結(jié)構(gòu)梁中，由于截面材料種類不同，鋼材的彈性模量大于混凝土的彈性模量，導(dǎo)致置換鋼混組合結(jié)構(gòu)后主梁橫向分布系數(shù)發(fā)生變化，在分析橫向分布系數(shù)問(wèn)題與匹配剛度問(wèn)題時(shí)可簡(jiǎn)化為分析鋼混組合結(jié)構(gòu)梁抗彎慣距與抗扭慣矩的問(wèn)題。在主梁梁高不發(fā)生變化時(shí)，改變腹板與底板厚度可以控制抗彎慣矩與抗扭慣矩。

2.2 截面轉(zhuǎn)換分析

通常鋼混組合截面計(jì)算剛度時(shí)，先將混凝土橋面板采用截面換算的方法完全轉(zhuǎn)換為鋼截面，為保證截面的形心軸高度不發(fā)生變化，需要確保其轉(zhuǎn)換后主軸慣性矩不發(fā)生變化，換算截面應(yīng)只改變截面寬度而固定其厚度。由此可根據(jù)公式（2）得出混凝土截面與鋼截面寬度關(guān)系式公式（3）

式中：bc為混凝土截面寬度；bs為鋼材截面寬度；Ac為混凝土截面積；As為鋼材截面積。

在中小跨徑單梁置換鋼混組合結(jié)構(gòu)時(shí)，鋼混組合截面剛度應(yīng)與原結(jié)構(gòu)剛度匹配，因此需要將鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為等剛度的混凝土結(jié)構(gòu)，由于箱梁截面復(fù)雜，轉(zhuǎn)換截面時(shí)無(wú)法確保截面形心高度在換算前后保持不變，因此無(wú)法采用截面轉(zhuǎn)換的方法將箱型鋼截面轉(zhuǎn)換為混凝土截面。

2.3 混合結(jié)構(gòu)結(jié)合部連接

鋼混組合梁與混凝土梁結(jié)合部連接形式采用部分截面連接承壓傳剪式，依靠承壓鋼板以承壓的方式和水平抗剪連接件以水平剪力的方式共同傳遞梁的軸力。僅在鋼梁側(cè)對(duì)應(yīng)混凝土梁的頂板、底板、腹板斷面范圍的箱格內(nèi)填充混凝土。豎向剪力由混凝土斷面和連接于承壓鋼板的豎向抗剪連接件傳遞。該方式剛度過(guò)渡均勻，應(yīng)力擴(kuò)散好。鋼混結(jié)合面局部構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 鋼混結(jié)合面局部構(gòu)造圖

3 鋼混組合結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 基本參數(shù)

3.1.1 原混凝土梁結(jié)構(gòu)形式

研究對(duì)象采用4 孔30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋?qū)挒?5.25 m，梁高為1.6 m，單片梁寬2.4 m，濕接縫寬度0.588 m。原箱梁采用C50 混凝土，彈性模量Ec=3.45×104MPa。具體參數(shù)如圖2 所示。

圖2 混凝土結(jié)構(gòu)斷面圖

3.1.2 鋼混組合結(jié)構(gòu)形式

鋼混組合結(jié)構(gòu)采用槽型鋼梁作為研究對(duì)象，混凝土橋面板采用C50 混凝土，彈性模量Ec=3.45×104MPa。鋼結(jié)構(gòu)主梁采用Q345c 鋼材，彈性模量Es=2.06×105MPa，混凝土與鋼材彈性模量比值Es/Ec=5.971，鋼底板寬度腹板斜率與原混凝土結(jié)構(gòu)保持一致，結(jié)構(gòu)大致斷面如圖3 所示。

3.2 有限元模型

上部結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS/CIVIL2019 建立橋梁空間力學(xué)梁格模型。將原梁第4 片主梁替換為鋼混組合結(jié)構(gòu)槽型梁，模型共計(jì)1 485 個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 020 個(gè)單元。計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4 腹板與底板厚制對(duì)撓度的影響研究

4.1 計(jì)算方法

單梁置換主要考慮與原結(jié)構(gòu)的匹配性，在保持鋼梁高度、底板寬度、頂板寬度與混凝土梁保持一致的前提下，分別以鋼腹板厚度為1、1.5、2、2.5、3 cm 底板厚度為2、2.5、3、3.2、3.4、3.6、3.8、4.0、4.2、4.5 cm 進(jìn)行有限元計(jì)算，模型僅在移動(dòng)荷載最不利情況下選擇4 車道對(duì)每一片梁截面慣矩與撓度變化進(jìn)行分析。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

將計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1（表中僅為部分節(jié)選數(shù)據(jù)）。鄰梁撓度變化比率為相鄰2 片梁撓度差值的比率，為使更換后的混凝土梁變形接近原梁，應(yīng)使鄰梁撓度變化的比率接近原混凝土梁。

表1 鄰梁撓度變化比率（節(jié)選）

由表1 可以看出，抗扭慣矩越大，相鄰梁撓度變化比率越小，置換后槽型鋼梁與原混凝土梁匹配度越高。在3—4 號(hào)梁之間撓度變化最明顯，抗扭慣矩從0.0265 m4增加至0.044 5 m4，兩梁撓度比從3.7%下降至1.78%，這是由于原混凝土梁為閉口截面，而槽型鋼為開(kāi)口截面，閉口截面有比開(kāi)口截面更好的截面抗扭慣矩，抗扭慣矩會(huì)影響截面的橫向分布系數(shù)，從而影響移動(dòng)荷載的大小，更大的截面抗扭慣矩會(huì)使每片梁分配到的荷載更加均勻。將撓度、腹板厚與底板厚度做空間散點(diǎn)圖，如圖5—圖8 所示。

圖5 空間三維散點(diǎn)圖

圖6 腹板厚與撓度關(guān)系圖

圖7 底板厚與撓度關(guān)系圖

圖8 腹板厚與底板厚關(guān)系圖

與擬合慣性矩時(shí)方法相同，取原混凝土第4 片梁撓度0.997 cm 為標(biāo)準(zhǔn)值，統(tǒng)計(jì)撓度變化在±0.005 cm范圍內(nèi)槽型鋼混組合結(jié)構(gòu)梁抗彎慣距與抗扭慣矩散點(diǎn)圖，圖5—圖8 中黑點(diǎn)為符合要求的槽型鋼截面。取區(qū)間上邊緣與下邊緣的點(diǎn)進(jìn)行抗扭慣矩?cái)M合，擬合函數(shù)如圖9 所示。

圖9 底板厚與撓度關(guān)系圖

利用二次多項(xiàng)式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到腹板厚與底板厚的區(qū)間曲線公式為

y上邊緣=0.142 9x2-1.551 4x+5.6

y下邊緣=0.085 7x2-1.322 9x+5.02

式中：y 為底板厚；x 為腹板厚。

由于線性回歸決定系數(shù)R2大于0.95，因此函數(shù)擬合度較高。根據(jù)區(qū)間曲線公式結(jié)合每片梁之間的撓度差值可得槽型鋼混組合結(jié)構(gòu)腹板厚度取值范圍為1.5～3 cm，底板厚度取值范圍為1.8～3.6 cm，選擇在此區(qū)間的截面尺寸帶入擬合函數(shù)得到的結(jié)果均符合要求。

5 結(jié)論

1）在置換混凝土箱型梁時(shí)，鋼混組合結(jié)構(gòu)槽型梁需滿足梁高、底板寬度、腹板高度、腹板斜度與頂板開(kāi)口間的距離與原混凝土梁保持一致，僅變化腹板厚度與底板厚度。

2）原30 m 混凝土箱梁腹板厚18 cm，底板厚18 cm，置換槽型鋼混組合結(jié)構(gòu)后腹板厚度取值范圍為1.5～3 cm，底板厚度取值范圍為1.8～3.6 cm，在此區(qū)間的厚度均滿足剛度要求。

3）槽型鋼混組合梁置換混凝土箱梁時(shí)，雖然形心軸發(fā)生變化，但是采用截面轉(zhuǎn)換的方法，腹板厚度與底板厚度基本滿足剛度要求.

4）主梁剛度對(duì)彎矩的橫向分布與梁體撓度有直接影響，剛度越大，主梁撓度越接近于原結(jié)構(gòu)，但剛度過(guò)大時(shí)可能對(duì)組合梁與原結(jié)構(gòu)橫向連接處受力產(chǎn)生不利影響，采用組合結(jié)構(gòu)置換單梁時(shí)應(yīng)對(duì)接縫處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。