中小跨径钢—混凝土组合梁横向力学行为分析★

赵艺程 范碧琨 李 胜 牟廷敏, 孙才志

(1.四川交通职业技术学院，四川 成都 611130； 2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041)

1 概述

混凝土桥梁和钢结构桥梁是现代桥梁的两种基本形式。混凝土结构具有就地取材、造价相对较低、施工工艺成熟等优点，长期以来在公路桥梁建设中被广泛应用；钢结构具有结构轻、材质均匀、质量稳定、装配化施工、可回炉炼制重新利用等优点，为世界桥梁界所推崇。近年来，随着我国钢铁产能的提升，工业化水平的提高以及桥梁施工技术的进步，我国已经具备推广钢—混组合结构桥梁的物质基础和技术条件，加之国家和交通运输部政策的大力支持，推进钢—混组合结构桥梁建设、提升公路桥梁建设品质的良好契机已经到来。

中小跨度钢—混凝土组合梁在日本、美国和欧洲等国家得到了广泛的应用，而我国的组合结构桥梁技术刚刚起步，主要以引进为主。我国西部山区地形条件复杂、桥梁曲线半径小、交通量大且重载货车多，导致桥梁受力复杂，特别是横向受力问题突出，国外的钢—混凝土组合梁结构技术尚需进一步验证。本文以两种主流形式的中小跨度钢—混凝土组合梁—钢箱组合梁和钢板组合梁为例，开展理论分析研究，探讨其腹板的横向受力行为，为我国西部山区复杂服役环境桥梁的建设提供参考。

2 中小跨度钢—混凝土组合梁的结构形式

中小跨度钢—混凝土组合梁普遍采用钢箱组合梁和钢板组合梁两种结构形式。本文以九寨沟(川甘界)至绵阳高速公路平通互通E匝道大桥为工程依托，该桥方案比选对比了钢箱组合梁和钢板组合梁两种方案，其结构形式如图1所示。

3 计算模型

3.1 有限元模型

利用通用有限元软件Midas/FEA，根据两种钢—混凝土组合梁方案，分别建立其直线和曲线(R=60 m)的有限元实体模型，为保证模型的仿真性，网格划分按5 cm控制。选用实体单元模拟桥面混凝土，板壳单元模拟顶板、腹板、底板、加劲肋、横联等钢板构件，二期恒载以均布荷载形式施加于桥面板单元上。

3.2 截面、材料

钢箱组合梁的顶板采用8 mm厚的钢板，腹板采用12 mm厚钢板，底板采用18 mm厚钢板，在底板、腹板沿纵向设置纵向加劲肋，加劲肋分别采用16 mm厚、12 mm厚钢板；钢板组合梁的顶板采用28 mm厚的钢板，腹板采用14 mm厚钢板，底板采用32 mm厚钢板，在腹板沿纵向设置纵向加劲肋，加劲肋采用12 mm厚钢板。

3.3 荷载作用

二期恒载包括防撞护栏、桥面铺装，其中桥面铺装均采用18 cm厚钢纤维混凝土，单侧防撞栏杆取10 kN/m。

汽车荷载按公路—Ⅰ标准取值，采用车道荷载进行计算，不考虑纵向折减系数，车辆荷载横向布置按JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范的规定执行，汽车荷载(偏载)布置作用如图2所示。

4 力学性能分析

为了便于分析，将车辆偏载侧或者曲线外侧的腹板编号为1号腹板，车辆空载侧或者曲线内侧的腹板编号为4号腹板，钢箱组合梁的跨中两块腹板编号为2号腹板和3号腹板，腹板编号如图3所示。

4.1 横向力学行为

通过对比恒载和偏载作用下，不同线形条件的钢箱组合梁和钢板组合梁的腹板应力，评价其横向力学性能。由于跨中腹板的弯曲应力最大，而剪应力的占比又较小，故选取跨中腹板的等效应力进行横向受力对比。两种钢—混凝土组合梁方案在不同荷载情况下的横向应力对比如图4所示。

从图4可以看出：

1)在恒载作用下，直线状态下的钢箱组合梁和钢板组合梁横向受力对称，曲线状态下的钢箱组合梁和钢板组合梁横向受力表现为外侧大、内侧小，表明直线钢—混凝土组合梁在偏心荷载作用下会产生扭矩，曲线钢—混凝土组合梁桥不论荷载偏心与否，都有较大扭矩产生；

2)通过应力横向分布的均匀程度，还可以得出扭矩的大小：直线钢箱组合梁—恒载<曲线钢箱组合梁—恒载<直线钢箱组合梁—偏载<曲线钢箱—偏载，直线钢板组合梁—恒载<直线钢箱组合梁—偏载<曲线钢板组合梁—恒载<曲线钢箱—偏载，表明抗扭惯性矩更大的钢箱组合梁更加适用于曲线桥梁；

3)通过对比应力指标可知，在相同荷载条件下，钢箱组合梁的应力指标低于钢板组合梁，表明钢箱组合梁的应力冗余度更高。

通过对比钢箱组合梁和钢板组合梁的局部应力情况可知，曲线钢板组合梁在恒载作用下，其腹板与横联连接处出现应力高度集中现象，如图5所示。这是由于钢板组合梁在曲线状态下产生的扭矩较大，而钢板组合梁的抗扭惯性矩较小，力不能通过横联有效传递到另一侧的主梁，导致在腹板与横联连接处出现应力高度集中。若将该钢板组合梁应用于小半径曲线桥梁，则需设置更为密集的横向联系，提高主梁整体截面的抗扭惯性矩。

4.2 挠度对比

在不考虑结构自重，仅考虑外侧车辆作用下，对比分析两种钢—混凝土组合梁方案的挠度(见图6)：直线状态下的主梁挠度远小于其曲线状态，直线状态腹板内外侧的挠度差更小，即梁体的扭转角小，组合梁在直线状态下的横向扭矩远小于其曲线状态，这与应力所反映的规律相同。同理可知，在相同荷载、线形条件下，钢板组合梁的扭矩远高于钢箱组合梁。

5 结语

1)直线钢—混凝土组合梁桥只有在偏心荷载作用是才会产生扭矩，曲线钢—混凝土组合梁桥不论荷载偏心与否，都有较大扭矩产生；弯扭耦合作用使得曲线钢—混凝土组合梁发生“外梁超载，内梁卸载”现象，设计时须注意外侧主梁支座是否存在拉力的问题，特别是在钢梁节段的施工吊装阶段。

2)钢板组合梁的经济性优势明显，而钢箱组合梁的应力冗余度高，承灾性好。

3)曲线半径小、重载货车多、高地震烈度的山区复杂服役环境，宜采用钢箱组合梁，若采用钢板组合梁，则需设计强大的横联体系，这样一来增加了用钢量，使得结构复杂化。