大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋主橋受力特性分析

裴憲誠

（山東高速暢通路橋工程有限公司，山東 高密 261500）

0 引言

在對大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋的研究中發(fā)現(xiàn)，橋體邊緣、中跨區(qū)域等，均是采用混凝土進(jìn)行梁架搭設(shè)的，相比常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的橋體具有中橋重力跨度均衡、剛性顯著、造價成本低等優(yōu)勢，因此，與該結(jié)構(gòu)相關(guān)橋梁已經(jīng)在我國公路橋梁施工中廣泛應(yīng)用。自我國建成首座混合梁結(jié)構(gòu)橋體，并投入市場應(yīng)用后，市政單位就開始重視對該結(jié)構(gòu)橋體的研究。根據(jù)有關(guān)人員的研究成果可知，鋼-混結(jié)合區(qū)段是橋體承載作用力的關(guān)鍵部位，因此鋼-混區(qū)段在受力后的穩(wěn)定性也成了影響主橋安全性的評估關(guān)鍵[1]。綜合文獻(xiàn)檢索成果，周陽等研究學(xué)者通過構(gòu)建鋼-混區(qū)段結(jié)構(gòu)模型的方式，對橋體受力進(jìn)行了模擬與分析，并提出了主橋在實際應(yīng)用中的傳力機(jī)理，證明了鋼-混結(jié)構(gòu)在主橋中，整體應(yīng)力水平相對較低，因此可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的疲勞受力能力相對較強(qiáng)[2]。該文將綜合文獻(xiàn)檢索成果，對大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋在投入使用中，主橋的受力特性進(jìn)行分析，并設(shè)計一種適用于分析過程的方法，致力于通過該方式，為我國市政工程中的橋梁建設(shè)項目施工，提供力學(xué)方面的指導(dǎo)意見。

1 鋼混組合結(jié)構(gòu)理論分析

鋼混組合是指在型鋼或鋼板等鋼結(jié)構(gòu)周圍澆筑混凝土，使鋼結(jié)構(gòu)與混凝土合二為一，鋼材料與混凝土結(jié)合后，二者之間存在機(jī)械咬合力和套箍力，因此能夠共同工作。在連續(xù)剛構(gòu)橋中，主跨鋼梁與邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土之間是橋梁的重要組成。鋼混結(jié)合段的傳力原則是以鋼梁中的補(bǔ)強(qiáng)部分將鋼梁自身所受的應(yīng)力分散出去，這些應(yīng)力通過承壓板、鋼混黏連力等共同作用傳遞到混凝土中，再傳導(dǎo)到主梁上。

鋼混結(jié)合部分可以簡要分為無格室和有格室2 種，其中無格室又可分為前承壓板、后承壓板、連接件式、端承壓板4 種；有格室可以分前后承壓板、前承壓板、后承壓板3 種。

有格室前后承壓板優(yōu)勢在于混凝土箱梁部分澆筑較為容易，且大部分的軸力由前后板及格式中的鋼構(gòu)件來承擔(dān)，且承壓板的應(yīng)力較為分散；有格室有承壓板式優(yōu)勢在于有變截面有利于緩解鋼梁剛度，且各勁肋之間的應(yīng)力傳導(dǎo)較為流暢，使格式內(nèi)部應(yīng)力較為均勻；無格室承壓板優(yōu)勢在于內(nèi)部勁肋可有效分散承壓板所受應(yīng)力，鋼混結(jié)合部分易于澆筑，且質(zhì)量較高；無格室中頂?shù)装迮c承壓板組合式的優(yōu)勢不僅包括上述優(yōu)點，還包括用勁肋來降低剛度變化幅度。下面對剛構(gòu)橋主橋的受力特性進(jìn)行分析。

2 剛構(gòu)橋主橋受力特性分析方法

2.1 構(gòu)建大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋主橋有限元模型

大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋主要以跨徑布置為主，形成雙塔混合箱結(jié)構(gòu)梁斜拉橋，為探究該橋梁結(jié)構(gòu)中主橋的受力特性分析，以某橋梁為例，對其進(jìn)行有限元模型構(gòu)建[3]。該橋梁規(guī)格為（2×45+210+550+165+4×45）m，承載兩線鐵路，包括250km/h 客運專線和預(yù)留120km/h 客貨共線。主橋采用鋼—混合梁結(jié)構(gòu)，鋼梁整體采用單箱三室扁平鋼箱梁。利用ANSYS 有限元模型構(gòu)建軟件，將該橋梁主橋各個結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入，獲得1 個主橋有限元模型。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括主橋建設(shè)材料、材料密度等。表1 為主橋有限元模型相關(guān)參數(shù)對照表。

表1 主橋有限元模型相關(guān)參數(shù)對照表

該文主要針對主橋結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行分析，因此在構(gòu)建有限元模型時，將主橋受力作為模型函數(shù)的目標(biāo)，因此進(jìn)一步得出主橋受力模型的目標(biāo)函數(shù)如公式（1）所示。

式中：K為主橋受力有限元模型目標(biāo)函數(shù)，即主橋受力；σ為主橋受到極限荷載的壓力后，梁結(jié)構(gòu)能夠承受的最大應(yīng)力大?。籨τ為主橋在建設(shè)過程中選用材料的最大強(qiáng)度；d為在主橋受到極限荷載壓力時，主橋大跨度中心位置上的撓度；[d]為主橋受到極限荷載壓力時，主橋大跨度中心位置上的撓度上限；T為主橋在投入使用后其橋梁自身的總質(zhì)量。結(jié)合圣維南原理以及對稱性原則，選擇該主橋結(jié)構(gòu)上鋼—混合梁階段40.8 m 范圍以內(nèi)的箱梁結(jié)構(gòu)并建模，在該模型的對稱面上施加相同的約束條件[4]。在模型中，可通過對鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和剪力釘?shù)冗M(jìn)行分單元模擬。結(jié)合該橋梁結(jié)構(gòu)的實際情況得出，模型中共包含1 524 252 個節(jié)點，單元數(shù)量為2 045 422 個。在該主橋有限元模型中，鋼板結(jié)構(gòu)被平均劃分為多個四邊形單元，混凝土結(jié)構(gòu)被平均劃分為多個六面體單元。因此，根據(jù)上述公式（1），結(jié)合ANSYS 有限元模型構(gòu)建軟件完成對其受力特性分析模型的構(gòu)建。

2.2 繪制主橋橋梁位置與應(yīng)力曲線

利用上述構(gòu)建的主橋有限元模型，對主橋橋梁位置與應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，并繪制位置—應(yīng)力曲線，以便對主橋受力特性進(jìn)一步分析[5]。為了找到主橋結(jié)構(gòu)中頂、底板等應(yīng)力分布規(guī)律，該文以該主橋上的3 個截面作為分析對象，對其進(jìn)行編號，分別為ZQ1-DB1、ZQ1-DB2、ZQ1-DB3。分別在主橋橋梁與承壓板的不同縱向距離上，對主橋順橋向正應(yīng)力進(jìn)行測量[6]。完成測量后，將相關(guān)的參數(shù)結(jié)果進(jìn)行記錄并從3 個截面中選擇2 個位置與應(yīng)力變化最明顯的曲線，針對最不利負(fù)彎矩工況作用下沿垂直方向上不同橫向位置的主橋結(jié)構(gòu)垂直位移和角度，并繪制成如圖1 所示的主橋橋梁位置—應(yīng)力曲線圖。

從圖1 可以看出，在不同承重板的縱向距離上，依次被劃分為3 個不同階段和結(jié)構(gòu)，不同階段分別為鋼—混結(jié)合段、鋼梁過渡段和鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段；不同結(jié)構(gòu)分別為承壓板結(jié)構(gòu)、橫隔板結(jié)構(gòu)1 和橫隔板結(jié)構(gòu)2。圖1 中虛線為主橋頂板結(jié)構(gòu)的縱向截面；實線為主橋底板結(jié)構(gòu)的縱向截面。從圖1中可以看出，隨著與承重板垂直方向上的距離不斷增加，頂板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在鋼—混結(jié)合段和鋼梁過渡段都呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢，而在鋼量標(biāo)準(zhǔn)段逐漸表現(xiàn)出下降的趨勢變化情況[7]。而底板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力在3 個不同階段都呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。從圖1 中可以看出，2 組曲線并不平滑，因此進(jìn)一步說明在主橋結(jié)構(gòu)上鋼梁頂板和底板的應(yīng)力分布不均勻，在邊箱梁位置上最為明顯，具有明顯的剪力滯后效應(yīng)。該主橋上述受力特性具有典型性，能夠代表大部分大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋主橋的位置與應(yīng)力變化對應(yīng)關(guān)系。

圖1 主橋橋梁位置—應(yīng)力曲線圖

2.3 繪制主橋橋梁豎向位移與轉(zhuǎn)角曲線

為進(jìn)一步探究主橋結(jié)構(gòu)的剛度和變形特性，還需要沿上述選取的典型截面，對主橋結(jié)構(gòu)上各個面抗彎剛度以及形心到截面距離上的轉(zhuǎn)角變化情況進(jìn)行記錄，并繪制主橋橋梁豎向位移—轉(zhuǎn)角曲線，如圖2 所示。

通過對承壓板和橫隔板1 位置上主橋縱向距離和轉(zhuǎn)角變化參數(shù)進(jìn)行記錄，得出1 條相對平滑的曲線。從圖2 中可以看出，在最不利負(fù)彎矩工況作用條件下，鋼—混結(jié)合段的轉(zhuǎn)角變化存在波動現(xiàn)象，此時鋼結(jié)構(gòu)側(cè)的轉(zhuǎn)角相對較大，而在混凝土段的轉(zhuǎn)角基本沒有出現(xiàn)明顯的變化，從整體上來看，主橋梁承壓板和橫隔板結(jié)構(gòu)1 上轉(zhuǎn)角的變化并不顯著[8]。當(dāng)主橋受到最不利負(fù)彎矩工況的影響，在垂直方向上的位移分布總體上呈現(xiàn)出較為平緩的變化，在主橋結(jié)合面的兩側(cè)并沒有出現(xiàn)較為明顯的突變現(xiàn)象。

圖2 主橋梁縱向距離—轉(zhuǎn)角曲線圖

2.4 基于雙曲線的主橋受力特性分析

基于上述主橋橋梁位置—應(yīng)力曲線和主橋梁縱向距離—轉(zhuǎn)角曲線，對主橋受力特性進(jìn)行綜合分析。在主橋鋼—混結(jié)合段的不同長度位置上，對其應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。在確保各個結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變的前提條件下，分別選擇鋼—混結(jié)合段上的多組不同長度，通過調(diào)整主橋有限元模型上的相關(guān)參數(shù)，對其進(jìn)行有限元仿真計算分析[9]。針對不同長度下的鋼—混結(jié)合段，通過調(diào)整頂板結(jié)構(gòu)和底板結(jié)構(gòu)長度、預(yù)應(yīng)力長度等，改變其鋼—混結(jié)合段長度。完成上述操作后，分析在最不利負(fù)彎矩工況條件下的主橋受力情況。由于該文僅針對某一大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋主橋的受力特性進(jìn)行分析，但在實際應(yīng)用中，不同橋梁解耦股其相關(guān)參數(shù)量綱可能不同，因此數(shù)值上會存在一定的差異，但參數(shù)的變化情況基本保持不變。為了確保該文提出的分析方法能夠適用于不同結(jié)構(gòu)的大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋主橋，該文在完成上述操作后，還需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，如公式（2）所示。

式中：R為通過歸一化處理后得出的相關(guān)參數(shù)分析結(jié)果；V為帶入有限元分析模型中的樣本參數(shù)；Vmin為帶入有限元分析模型中樣本參數(shù)的最小值；Vmax為帶入有限元分析模型中樣本參數(shù)的最大值。因此，根據(jù)上述公式，對得出的分析結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)一步提高該方法的實用性。

3 實驗論證分析

該文通過上述理論研究，提出了一種針對大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋主橋的受力特性分析方法，為了進(jìn)一步探究該方法在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)分析方法分別帶入同一座該類型的橋梁建筑中，并針對其受力特性進(jìn)行分析。該橋梁結(jié)構(gòu)整體采用120 m+150 m+120 m 跨度，該橋梁包括鋼—混結(jié)合段、鋼梁過渡段和鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段。在該橋梁的主橋位置上隨機(jī)選擇5 個不同位置，并分別標(biāo)號為ZQ001、ZQ002、ZQ003、ZQ004、ZQ005。利用2 種分析方法對該主橋結(jié)構(gòu)上的5 個位置節(jié)點進(jìn)行受力特性分析，并將其各個階段的最大應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行記錄，并與實際應(yīng)力大小進(jìn)行比較。得出的數(shù)據(jù)結(jié)果越接近實際數(shù)值，則說明該分析方法的分析結(jié)果越準(zhǔn)確，反之得出的數(shù)據(jù)結(jié)果與實際數(shù)值相差越大，則說明該分析方法的分析結(jié)果越不準(zhǔn)確。結(jié)合上述內(nèi)容，完成此次對比實驗，并將2 種受力特性分析方法得出的結(jié)果記錄見表2。

從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，該文方法得出的分析結(jié)果與傳統(tǒng)方法得出的分析結(jié)果更接近實際各個位置上的應(yīng)力大小。因此，通過對比實驗證明，該文提出的大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋主橋受力特性分析方法在實際應(yīng)用中能夠針對主橋相關(guān)參數(shù)對受力特性進(jìn)行更加準(zhǔn)確地分析，為后續(xù)橋梁施工和維護(hù)提供更加可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

表2 2 種受力特性分析方法實驗結(jié)果對比表

4 結(jié)語

該文通過結(jié)合實際大跨徑鋼-混合梁連續(xù)剛構(gòu)橋項目，將其作為依托，針對其主橋的受力特性提出了一種全新的分析方法。通過對比實驗進(jìn)一步證明，該文提出的分析方法能夠有效解決傳統(tǒng)分析方法在應(yīng)用中存在的問題，并針對各個受力特性參數(shù)給出其相應(yīng)的數(shù)值和變化曲線，對主橋受力特性更加直觀地分析。在后續(xù)的研究中，還將針對其他不同類型的橋梁建筑，對其受力特征進(jìn)行分析，以此提高該文分析方法的適用性范圍。