李劍鸞， 殷 律

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088；3.中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司安徽分公司,安徽 合肥 230041)

0 引 言

鋼混組合梁是指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。它結(jié)合了混凝土受壓，鋼梁受拉的力學(xué)特性，使得結(jié)構(gòu)在施工制造和材料利用上具有較大競爭優(yōu)勢(shì)，近年來這種結(jié)構(gòu)形式在國內(nèi)外得到大力發(fā)展。由于混凝土原材料及配合比、養(yǎng)護(hù)環(huán)境和構(gòu)件尺寸等因素作用下使得混凝土橋面板具有收縮徐變效應(yīng)，收縮徐變效應(yīng)是影響組合梁結(jié)構(gòu)受力性能的重要因素之一。

本文以某一聯(lián)3×35 m鋼板連續(xù)組合梁為例，采用有限元分析軟件MIDAS Civil分別建立基于梁單元下的全橋三維桁架模型和聯(lián)合截面單梁模型，比對(duì)了兩種有限元模型下的結(jié)構(gòu)計(jì)算差異，并研究組合梁墩頂開裂區(qū)域內(nèi)的鋼梁與混凝土板連接件剛度變化下混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。

1 工程概況

某一聯(lián)3×35 m鋼板組合梁，主梁采用雙工字鋼板組合梁，組合梁橋面全寬26.5 m，鋼梁中心線處的梁高為1.75 m。鋼主梁采用Q345D工字形直腹板鋼梁，混凝土橋面板和鋼主梁通過栓釘連接，雙主梁之間采用中橫梁加強(qiáng)橫向聯(lián)系，中橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為5.0 m，鋼主梁與中橫梁之間采用M24高強(qiáng)螺栓連接，腹板豎向加勁肋與懸臂橋面板臨時(shí)鋼支撐之間采用M20普通螺栓連接，腹板縱向加勁肋在墩頂附近位于鋼梁下緣，跨中處位于鋼梁上緣，厚度為12 mm。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

預(yù)制橋面板采用雙向變截面板，由預(yù)制板、縱向濕接縫和橫向濕接縫三部分構(gòu)成。單個(gè)梁段橫向分為4塊預(yù)制板，縱向?yàn)橐粔K整板。單幅橋面板全寬13.025 m，縱向濕接縫分為兩類，分別寬0.70 m、0.40 m，橫向濕接縫寬度均為0.3 m。標(biāo)準(zhǔn)梁段橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度為25 cm，鋼梁支撐處板厚加厚至35 cm。正彎矩區(qū)段橋面板采用C40混凝土板，墩頂負(fù)彎矩區(qū)采用PVA纖維混凝土板，現(xiàn)澆濕接縫采用C40微膨脹砼。橋面板水平預(yù)制，橋面橫坡通過墩柱高調(diào)整形成，設(shè)計(jì)要求預(yù)制橋面板存梁期不得少于3個(gè)月。

2 空間有限元模型建立

2.1 空間三維桁架模型

利用有限元軟件MIDAS Civil建立基于梁單元的“三維桁架”有限元模型，其中Ⅰ型主梁和橫梁上下翼緣及與其相連接的1/3腹板段采用具有截面等效形心的梁單元模擬。Ⅰ型主梁和橫梁腹板采用具有等效面內(nèi)與面外剛度的桁架單元和梁單元進(jìn)行模擬，主梁和橫梁分別每隔當(dāng)前跨徑和橫梁寬度的約5%處設(shè)置一豎桿，豎桿采用具有相同腹板截面厚度的梁單元進(jìn)行模擬，腹板中間1/3段采用對(duì)角交叉的具有相同截面厚度的桁架單元進(jìn)行模擬。混凝土橋面板采用板單元進(jìn)行模擬，認(rèn)為鋼梁與混凝土板間剪力連接件可靠有效，模型中采用剛性連接進(jìn)行模擬。模型共3 748個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 246個(gè)單元，所建有限元模型如圖2所示。

圖2 空間三維桁架模型

2.2 聯(lián)合截面單梁模型

在MIDAS Civil中采用施工階段聯(lián)合截面功能模擬組合結(jié)構(gòu)，需要在施工階段聯(lián)合截面功能中定義單元的截面特性，材料和截面各組成部分的相對(duì)位置等信息。所建單梁模型共126個(gè)節(jié)點(diǎn)，共125個(gè)單元，如圖3所示。

圖3 聯(lián)合截面單梁模型

采用聯(lián)合截面法建模不能考慮鋼主梁與混凝土板間連接剛度的變化，且不能考慮結(jié)構(gòu)橫向受力。采用三維桁架模型可考慮鋼混組合結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件偏心以及產(chǎn)生的附加力及力的單元內(nèi)部分布，并且能考慮中性軸橫向變化和結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)及翹曲效應(yīng)，橋面板可呈現(xiàn)雙向受力性能，能考慮鋼主梁橫隔板、側(cè)向支撐、疲勞以及在建造過程中產(chǎn)生的屈曲等各個(gè)方面。

有限元模型中根據(jù)實(shí)際施工情況考慮施工階段的模擬：

(1) 架設(shè)鋼主梁;

(2) 鋪設(shè)跨中混凝土橋面板(橋面板按存梁期90 d考慮)，并滯后結(jié)合。

(3) 鋪設(shè)墩頂混凝土橋面板(橋面板按存梁期90 d考慮)，并滯后結(jié)合。

(4) 二期。

(5) 考慮十年收縮徐變。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過分別建立鋼板組合梁三維桁架模型和聯(lián)合截面單梁模型，由有限元計(jì)算得出成橋階段混凝土橋面板和鋼梁應(yīng)力如表1。

表1 兩種建模方法下橋面板和鋼主梁成橋階段應(yīng)力

由表1中計(jì)算結(jié)果可知，墩頂部位三維桁架模型計(jì)算所得橋面板頂面縱向應(yīng)力較單梁模型增加約43%，橋面板底面縱向應(yīng)力大致相同。跨中部位三維桁架模型計(jì)算所得橋面板頂、底面縱向應(yīng)力較單梁模型分別增加約55%和75%。計(jì)算所得墩頂部位和跨中部位鋼主梁上、下緣應(yīng)力三維桁架模型比單梁模型均減少約4%。從表中數(shù)據(jù)可看出，兩種建模方法下計(jì)算所得橋面板和鋼梁縱向應(yīng)力差異不大。

鋼混連續(xù)組合梁中，由于墩頂混凝土板的開裂，組合梁順橋向的抗彎剛度不再相等。歐洲規(guī)范給出，在連續(xù)梁墩頂部位15%跨度范圍內(nèi)，抗彎剛度按開裂截面的剛度取值，即只考慮鋼梁和鋼筋，不考慮混凝土板的作用，其余仍按為開裂剛度取值。本計(jì)算對(duì)墩頂0.15L范圍內(nèi)采用人為模擬橋面板與鋼梁連接剛度，探討研究橋面板與鋼梁連接剛度不同時(shí)墩頂收縮徐變對(duì)混凝土板應(yīng)力的影響趨勢(shì)。經(jīng)有限元模擬計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 連接件剛度變化下混凝土收縮徐變對(duì)混凝土板應(yīng)力的影響

將表2中的計(jì)算結(jié)果歸納如圖4所示。

圖4 連接件剛度變化下混凝土收縮徐變對(duì)混凝土板應(yīng)力影響趨勢(shì)

有上述圖表數(shù)據(jù)可看出，墩頂0.15L范圍內(nèi)，橋面板板頂橫向應(yīng)力隨橋面板與鋼梁間的連接剛度增加而遞增，混凝土收縮徐變對(duì)墩頂板頂橫向應(yīng)力影響均為壓應(yīng)力，范圍由-0.3 MPa逐漸增大到-2.4 MPa；橋面板板底橫向應(yīng)力隨橋面板與鋼梁間的連接剛度增加而遞減，墩頂板底橫向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，由0.5 MPa逐漸增大到2.4 MPa。混凝土收縮徐變對(duì)墩頂板頂縱向應(yīng)力影響均為拉應(yīng)力，橋面板連接剛度為1.0×105時(shí)，混凝土收縮徐變對(duì)橋面板縱向應(yīng)力影響出現(xiàn)數(shù)值突變，之后墩頂板底最大縱向應(yīng)力隨連接剛度增大呈遞增趨勢(shì)至最大為3.8 MPa，板底最大縱向應(yīng)力在連接剛度為1.0×105～1.0×106時(shí)曾下降，之后又遞增至最大為2.4 MPa。

4 結(jié)束語

本文采用有限元軟件對(duì)某一鋼混組合連續(xù)梁分別建立基于梁單元的三維桁架模型和聯(lián)合截面單梁模型，得出以下結(jié)論：

(1) 三維桁架模型和聯(lián)合截面法計(jì)算所得橋面板和鋼梁縱向應(yīng)力差異不大，三維桁架模型計(jì)算得出的橋面板縱向應(yīng)力較大，單梁模型計(jì)算得出的鋼梁縱向應(yīng)力較大。

(2) 墩頂0.5L范圍內(nèi)，橋面板板頂橫向應(yīng)力隨橋面板與鋼梁間的連接剛度增加而遞增，橋面板板底橫向應(yīng)力隨橋面板與鋼梁間的連接剛度增加而遞減；橋面板縱向應(yīng)力在橋面板與鋼梁連接剛度為1.0×105時(shí)，混凝土收縮徐變對(duì)橋面板縱向應(yīng)力影響出現(xiàn)數(shù)值突變，連接剛度最大時(shí)，收縮徐變對(duì)墩頂板底應(yīng)力影響最大為3.8 MPa，對(duì)墩頂板頂應(yīng)力影響最大為2.4 MPa。