钢-混凝土组合箱梁桥负弯矩区受力性能分析

钢-混凝土组合箱梁桥负弯矩区受力性能分析

石强

陕西路桥集团有限公司  西安  710065  身份证：610113197104130452

摘要：为研究墩顶横梁内充填混凝土对钢箱组合梁桥负弯矩区受力性能的影响，论文建立有限元数值分析模型，以填充混凝土的强度等级作为变量进行敏感性参数分析。结果表明：墩顶填充混凝土可显著降低负弯矩区钢箱下翼缘压应力，但对钢箱组合梁桥内力及变形的变化幅度影响不大，最大变化幅度不超过4%。

关键词：桥梁工程；力学性能；钢-混凝土组合箱梁；负弯矩区；有限元分析

中图分类号：U441.5                 文献标志码：A       

0 引言

钢-混凝土组合梁因其材料的优点即混凝土受压性能好，钢材可以承受较大拉力，并且结构轻巧，厂内可实现快速预制和装配，施工便捷，缩短工期，在桥梁工程领域得以广泛使用。组合梁桥按照受力通常可以分为简支组合梁桥和连续组合梁桥。与简支组合梁桥相比，连续组合梁桥正负弯矩分配合理，使跨中正弯矩大幅减少，结构跨越能力增强、提高了其刚度和结构整体性能[1]。连续梁在中间支点位置附近不可避免的会产生负弯矩使这部分桥面板受拉多发生混凝土开裂，中性轴以下钢箱梁下翼缘受到压力会发生局部失稳现象，减少结构的使用年限，限制了钢-混凝土组合箱梁桥的发展，也使得研究组合梁桥负弯矩区力学性能成为一种趋势。

针对负弯矩附近截面中性轴以上桥面板多发生混凝土开裂问题，近些年来国内外学者投入了大量的试验与理论研究。刘永健等[2]提出了在负弯矩区的混凝土桥面板里面布置预应力钢筋并使用抗拔不抗剪的连接件形成组合桁梁结构，通过在跨中位置施加反向的集中荷载来模拟连续梁中间支点的受力，对2榀矩形钢管混凝土组合桁梁结构进行试验加载，表明采用在混凝土桥面板内置预应力钢筋与局部释放剪切作用的连接件形成的组合桁梁结构可以显著降低桥面板混凝土的开裂，但对结构抗弯承载力影响不明显。欧阳政[3]分析了正负弯矩区不同的混凝土强度等级、不同抗剪连接程度、不同混凝土翼板处横向配筋率对连续组合梁结构承载能力、界面粘结滑移、挠度、负弯矩开裂荷载的影响。桥面板采取钢纤维混凝土的方法[4-5]、合理变换施工阶段、改进施工工艺[6-8]或分析对比不同连接件力学性能[9]等改善结构负弯矩区桥面板混凝土开裂。目前，钢-混凝土组合结构桥面板混凝土防开裂的方法总体可以归纳为: 纵向配置预应力钢筋、群钉技术、梁底填筑混凝土形成双层组合梁、改进施工方法等[2]。周安等[10]在负弯矩下对5根简支梁进行承载能力试验，钢箱梁发生局部屈曲。刘洋等[11]对钢-混凝土组合梁结构在负弯矩区易发生畸变屈曲现象进行参数分析。

既有文献在解决钢-混凝土组合箱梁结构负弯矩区桥面板混凝土易开裂和钢梁易屈曲问题方面虽取得了一定的效果，但仍然存在一些不足，目前尚未形成优势突出的解决方案。本文某钢箱混凝土组合梁为依托建立有限元全桥模型，以墩顶填充混凝土的常用强度等级为变量进行参数分析，探讨墩顶横梁内充填混凝土对组合梁负弯矩区力学性能的影响。

1工程概况

K146+177.763阜城村G211分离立交桥位于甘肃省庆城县马岭镇下午旗与卅铺镇阜城村交界处，桥跨设计是30+40+30m，不含桥台侧墙在内，桥梁全长100m，三跨一联等截面钢-混凝土组合梁桥。主梁采用多箱单室等高连续组合梁，截面中心处组合梁高2m，全桥混凝土板厚25/40cm，钢箱梁采用斜腹式开口截面，钢箱梁之间设小纵梁，增加混凝土板刚度，结构体系是连续体系。钢箱梁横隔板分为支点横隔板和跨中横隔板，均采用实腹式横隔板形式，横隔板间距按照3.5m或者4m一道布置，局部位置稍作调整，横隔板间腹板每隔1m设置一道竖向加劲肋，箱梁上翼缘宽度是60cm，厚度是2.5cm，斜腹板厚度是1.6cm，底板厚为2cm。桥面板与钢箱梁通过焊钉形成组合结构，共同受力。桥墩台均设置GPZ（Ⅱ）支座，所有DX型支座均应顺桥向放置，桥墩墩顶横梁内填充C50无收缩混凝土，C50无收缩混凝土应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》的规定。无收缩混凝土水胶比不宜大于0.5，最小胶凝材料用量360kg/m3，混凝土膨胀剂用量30-50kg/m3，桥面板限制膨胀率设计值不小于0.02%，无收缩混凝土的配合比设计，应该满足设计所需要的强度、膨胀性能、抗渗性、耐久性等技术指标和施工工作性能要求。施工方法简便、快捷，填充的混凝土与横隔梁、箱梁底板形成组合形式，参与结构受力。

2 有限元数值分析

2.1 有限元模型建立

采用有限元软件ABAQUS建立实桥模型，保证满足计算精度的前提下，简化模型仅对单片主梁进行模拟，如图1所示。为探讨墩顶填充混凝土的作用，按照横梁内是否考虑填充混凝土作为主要变量分别建立模型，钢-混凝土组合梁桥有限元仿真模型共有8部分组成，即混凝土桥面板、钢筋网、钢梁、底板加劲肋、腹板加劲肋、填充混凝土块、横隔板、支座。钢材与混凝土的力学性能如表1、表2所示。

表1 有限元分析模型采用的钢材力学性能

注:为屈服强度;为抗拉强度;为弹性模量; 为泊松比; 为质量密度。

表2 有限元分析模型采用的混凝土力学性能

注:为混凝土轴心抗压强度;为混凝土抗拉强度;为弹性模量; 为泊松比; 为质量密度。

图1 有限元模型

混凝土桥面板、支座、填充混凝土块用实体单元C3D8R；钢筋选用桁架单元T3D2；钢箱梁、加劲肋、横隔板采用减缩积分壳单元S4R。满足计算精度的要求下，忽略混凝土板内钢筋及钢梁翼缘与混凝土板的剪切-滑移作用，钢筋网与混凝土板之间用Embedded方式，将钢筋嵌入混凝土中，两者协同工作。混凝土填充块体与钢梁、钢梁底板与临时支架之间用面面接触；支座与钢梁底板，加劲肋、横隔板与钢梁之间采用Tie命令，使它们相互绑定在一起。

2.2 结果验证与分析

三跨连续钢-混组合箱梁桥，依照结构力学的力法方法，通过简化结构形式，求解支座反力得出的理论结果与有限元计算结果对比如表3所示。Z1-Z4表示从左至右的支座编号，工况一表示浇筑负弯矩区混凝土施工阶段，工况二表示桥面二期铺装施工阶段。

表3 支座反力理论计算与有限元计算的比较

注：RT1为支座反力理论结果；RT2为支座反力有限元计算结果。

表3是理论解与数值解获得的支反力大小比较，可见，两者吻合较好，相差在10%以内。

图2依次为工况一和工况二两个施工阶段主梁实测挠度与有限元计算结果对比，计算值1代表考虑墩顶填充混凝土作用的有限元计算结果，计算值2代表未考虑墩顶填充混凝土的有限元计算结果。

由桥长-变形值折线图可见，两种工况下主桥的刚度实测值与有限元计算结果图形变化趋势相同，大小也基本一致。随着结构恒载加大，主梁的实测变形与有限元变形值逐渐增加。其中，从计算值1与计算值2结果可以看出，墩顶考虑填充混凝土效应可以提高桥梁的结构刚度，降低了负弯矩区内结构的向上挠曲变形，但对主梁刚度的贡献并不明显。

（a）工况一

（b）工况二

图2 不同工况作用下全桥变形对比

图3和图4依次是截面Ⅰ-Ⅰ及截面Ⅱ-Ⅱ钢箱梁底板有限元计算结果所得应变对比情况，横坐标分别表示现场拼装钢箱梁、绑扎桥面板钢筋并浇筑正弯矩区混凝土、预压堆载、拆除临时支架、浇筑负弯矩区混凝土、卸除预压堆载、施工桥面二期铺装7个施工阶段。从图中不难看出，箱梁底板应变随施工阶段的不同呈现不断累积的过程，拆除临时支架后应变会有很大增加，施工过程中应该注意该阶段结构产生不合理变形；考虑墩顶填充混凝土时，中跨跨中截面底板应变略有减小，但是影响不大；截面Ⅱ-Ⅱ箱梁底板应变由有限元计算结果对比可知，两个计算值相差较大，桥面二期铺装等附属设施完成时，2种模型计算得到的钢箱梁底板应变相差47%。表明在墩顶箱内填充混凝土后，可以显著限制钢箱截面的变形，混凝土代替钢梁参与受压，有效的降低钢箱梁下翼缘的应力，提高其局部稳定性，在实际设计过程中不用在负弯矩区专门设计厚钢板，减少了用钢量，为现场施工带来方便。

图3 截面Ⅰ-Ⅰ钢箱梁底板应变

图4 截面Ⅱ-Ⅱ钢箱梁底板应变

3 参数分析

为考察墩顶充填混凝土对钢-混凝土组合箱梁桥整体力学行为的影响，对K146+177.763阜城村G211分离立交桥建立有限元全桥模型，以填充混凝土的强度等级为变量进行参数分析。依据已建成的桥梁实例，常用混凝土的强度等级范围是C30～C60，图5给出钢-混凝土组合连续梁桥内力及变形随混凝土强度等级的变化情况。图中S0和U0表示未考虑填充混凝土作用时对应截面的应变与变形；从图5可以看出，考虑填充混凝土作用后，连续梁支点底板应变明显减少，中跨挠度略有减小。混凝土强度等级由C30加大到C60，上述作用有所提高，但是变化幅度不大，并呈逐渐放缓趋势，最大变化幅度不超过4%。综合墩顶填充混凝土对钢箱组合连续梁桥的影响，考虑到施工便捷性，墩顶填充混凝土宜与混凝土桥面板强度等级保持一致。

图5 钢箱组合梁桥内力及变形随混凝土强度等级变化

4 结论

（1）中等跨径钢-混凝土组合箱梁桥中支点处充填混凝土，可以参与结构受力，提高桥梁的整体刚度，降低了负弯矩区内结构的向上挠曲变形，但对主梁刚度的贡献并不明显。

（2）考虑墩顶填充混凝土效应对负弯矩区钢梁受力影响较大，可以有效的降低钢箱梁下翼缘的应力，提高钢箱梁的结构稳定性。

（3）改变墩顶横梁内混凝土强度等级，对钢箱组合梁桥内力及变形的影响幅度不大，考虑到施工的便捷性，墩顶填充混凝土宜与混凝土桥面板强度等级保持一致。

参考文献

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