宽幅钢混组合箱梁桥精细化分析

李井辉

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

沈阳市东一环高架桥位于辽宁省沈阳市境内，属城市主动脉的一段，是沈阳市东部地区快速路系统的重要组成部分。高架桥设计速度60 km/h，标准段桥宽23.5 m，双向六车道。桥梁上部结构主要采用标准跨径40 m的连续钢混组合箱梁，下部桥墩采用花瓶墩，桥台采用一字型台，墩台基础采用群桩基础。

1 高架桥上部结构简介

高架桥在标准路段采用孔径3 m×40 m一联的连续钢-混组合箱梁。箱梁宽23.5 m，为单箱六室的斜腹板结构，设计线处梁高2.2 m，跨径分界线处的支座间距为5.5 m，箱梁底板水平，桥面横坡通过调整腹板高度形成。

1.1 组合梁构造简介

钢混组合箱梁主要由槽形钢主梁、钢筋混凝土桥面板、剪力钉组成。槽形钢主梁纵向受力构件主要分为：上翼缘板、腹板、下翼缘板。上翼缘板共5道，每道宽度为70 cm；腹板共7道，包括5道竖直腹板、2道外包斜腹板；下翼缘板共1道，通长设置。槽形梁横向受力构件主要为跨中隔板、支点横梁；跨中隔板间距4 m一道布置，支点横梁对应桥梁支座设置，边支点横梁布置为单箱单室、中支点横梁布置为单箱双室。桥面板采用钢筋混凝土桥面板，横桥向跨中部分板厚25 cm，钢梁腹板处板厚40 cm，悬臂端部厚15 cm。

1.2 组合梁计算方法简介

钢混组合箱梁桥采用强配筋(仅配置普通钢筋)控制负弯矩区桥面板裂缝的模式进行设计，为有效控制裂缝宽度，设计时桥面板自重、钢梁自重仅由钢主梁承担，铺装等二期恒载、活载等由钢梁与混凝土桥面板形成的组合结构承担。本桥组合梁宽23.5 m、双支座间距仅为5.5 m、横梁悬臂长度达9，受力具有显著的空间特性，计算采用精细化分析与整体分析相结合的方式，计算方案见图1。

图1 组合梁设计计算流程图

2 组合梁精细化分析简介

2.1 组合梁负弯矩区开裂范围分析

为了更贴切的反映出负弯矩区桥面板开裂对结构受力的影响，设计时运用纤维截面单元建立组合梁的非线性分析模型，模拟组合梁在逐级加载状况下的开裂过程，并与普通梁单元模型进行结果对比分析。纤维截面模型中纤维单元的钢筋、混凝土本构关系模型见图2、图3；考虑开裂的梁单元模型中，负弯矩区开裂范围取支座两侧各0.15倍跨径，此范围内组合梁截面取开裂刚度。对比结果列于表1。

图2 钢筋应力-应变关系模型

图3 混凝土应力-应变关系模型

表1 纤维截面模型与普通梁 单元模型计算结果对比表

表1中考虑开裂的梁单元模型结果与纤维截面模型分析结果一致，二者最大差别仅为2%；不考虑开裂的梁单元模型正弯矩区结果与纤维截面模型分析结果相差达26%，偏于不安全。

2.2 组合梁剪力滞效应分析

本桥箱梁受力具有显著的空间特性，能否按规范方法计算有效分布宽度，设计计算时将精细化模型的应力结果与按规范方法进行有效分布宽度折减后的应力计算结果进行了对比分析，结果见表2。

图4 中支点附近1 m处截面正应力图/MPa

表2 有限元结果与规范有效分布 宽度方法计算结果对比表

表2中规范方法计算的应力结果比精细化分析模型应力结果大6%，说明按规范方法进行有效分布宽度计算是适合本桥的。

2.3 组合梁腹板剪力不均匀性分析

直观上分析本桥箱梁受力特性可知：靠近支座的腹板承担的剪力要大与远离支座的腹板，采用整体截面的梁单元分析模型无法反应此问题，设计计算通过精细化模型恒载加载分析来得到各腹板的剪力分配情况，从而确定出各腹板厚度，分析过程见表3。

图5 中支点附近截面剪应力分布图/MPa

表3 组合梁纵腹板恒载剪力 分配结果及采用的板厚

表3中各腹板剪力分配比值为0.2∶1∶1.5∶1.6，可见，整体计算确定的腹板总厚度，需按照精细化分析模型的结果对各个腹板进行厚度调整，否则结构存在安全风险。

2.4 组合梁活载偏载效应分析

组合梁约束扭转效应显著，为了分析汽车偏载系数，将精细化分析模型的“车道偏载加载正应力结果”与“车道均布加载正应力结果”进行对比，得到活载偏载系数；车辆偏载加载正应力分布图见图8，分析过程见表4。

表4 活载偏载效应分析表(竖直边腹板)

图6 车辆偏载加载正应力计算结果示意图/MPa

表4中精细化分析模型得到的汽车偏载系数平均为1.45，设计时若直接取用规则箱梁的汽车偏载系数1.15～1.2，对结构来说是不安全的。

2.5 组合梁中支点横梁受力分析

组合箱梁中支点横梁采用三道隔板，支座支撑在中隔板上，导致三道隔板受力不均，整体截面梁单元模型无法反应出此问题，设计时需借助精细化分析模型得出每道隔板的剪力分配比例，进而确定出每道隔板的厚度；分析过程见表5。

表5 中支点横梁恒载剪力分配结果及采用的板厚

表5中各隔板剪力分配比值为0.59∶1∶0.59，可见，整体计算确定的隔板总厚度，需按照精细化分析模型的结果对各个隔板进行厚度调整，否则结构存在安全风险。

3 结 论

东一环高架桥上部连续钢混组合箱梁计算采用了精细化分析与整体分析相结合的方式，通过精细化计算结果来修正整体截面梁单元模型的计算参数，主要结论如下。

(1)设计计算时应考虑桥面板开裂对纵向模型的影响，否则对结构正弯矩区计算是不安全的；

(2)可按规范公式计算本桥组合箱梁的剪力滞效应，无需修正；

(3)精细化分析结果换算的活载偏载系数为1.45，按常规方法取1.15～1.2对本桥箱梁偏于不安全；

(4)整体计算确定的腹板总厚度，需按精细化分析结果对各个腹板进行厚度调整，否则结构存在安全风险。