双工字钢板-混凝土组合梁桥承托必要性探究

谷莉薇

（山西省交通开发投资集团有限公司，山西 太原 030006）

当双工字钢板组合梁桥采用非支撑横梁时，一般需要设计承托构造，此构造不仅可以方便剪力件的布置，更能提升结构的刚度，从而优化结构的力学性能。本文主要从刚度与强度方面，定量研究承托对钢板组合梁桥的影响，完善双工字钢板组合梁桥的理论体系，促进其更为广泛地推广应用。

一、有限元模型

（一）承托构造

对于双工字钢板组合梁，简单的截面形式使结构具有较弱的抗弯刚度及抗扭刚度，当采用非支承横梁时，往往采用设计承托的方式来提升结构的刚度，承托主要是为了提高组合梁的高度及加强混凝土与钢梁连接处的强度。

承托是钢板组合梁的重要构件，对调节截面刚度具有重要作用，本文对双工字钢板组合梁桥的承托进行了影响性研究。

由《钢-混凝土组合桥梁设计规范》可知，承托高度不宜大于混凝土桥面板厚度的1.5倍；承托顶的宽度不宜小于钢梁上翼缘宽度和1.5倍承托高度之和；承托边至抗剪连接件外侧的距离不得小于40mm；承托外形轮廓应在连接件根部起45°角线的界限以外。

图1 截面图

（二）研究对象

对于常规的钢板组合梁桥，混凝土桥面板厚度一般呈非等厚设计，除了承托处存在高度差之外，悬臂及跨中区段的混凝土板厚也不一致，但为了建模方便，忽略此板厚的变化，将混凝土板厚定为220mm，承托处的高度为250mm，伸出宽度250mm。

研究跨径为30m简支梁桥，钢材为Q345，混凝土为C50，混凝土板厚度均采用220mm，桥宽为8m，钢主梁间距为4m，两侧悬臂为2m。上下翼缘板采用等尺寸，均为800mm×34mm，翼缘板宽厚比为11.8，翼缘板满足板件的局部稳定构造要求，腹板厚度为20mm，采用7片非支承横梁，横梁间距为5m，布置在腹板中心位置上，截面如图1所示，截面相关参数如表1所示。

表1 截面参数表

为了探究承托在不同梁高下的影响性，分别分析钢梁腹板高度为1200mm、1400mm、1600mm、1800mm的结构在有无承托下的结构差异性。

（三）有限元建模

本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS分析，ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

1.单元选择

混凝土为C50，抗压强度设计值为23.1MPa，峰值压应变为0.002，极限压应变为0.0033，混凝土板用SOLID65单元，SOLID65单元为3D加筋混凝土实体单元，用于模拟无筋或加筋的3D实体单元，具有受拉开裂（拉裂）和受压破坏（压碎）性能。钢梁为Q345，强度设计值为270MPa，钢梁采用SHELL181单元，SHELL181为4节点有限应变壳单元，适用于模拟薄壳至中等厚度壳单元。

2.本构关系

本文中混凝土材料模型采用hognestad规定的混凝土单轴应力应变关系，此关系也是研究混凝土时采用较多的本构模型，利用五参数破坏准则定义混凝土材料的基本参数。钢梁应力应变关系采用理想弹塑性模型，采用双线性等向强化模型，弹性模量为2.06e5MPa。

3.约束及加载

此模拟中不考虑混凝土与钢梁之间的滑移，采用节点耦合的方式处理模型，模型中不考虑混凝土板内钢筋及剪力连接件，网格尺寸为200，采用简支梁的约束形式，有限元模型图如图2所示，模型中施加的荷载为自重、二期、公路Ⅰ级车道荷载。

钢板容重为78.5kN/m3，混凝土容重为25kN/m3，重力加速度定为9.8N/kg。

图2 有限元模型图

二期荷载为考虑5cm沥青铺装层，沥青容重采用25kN/m3，车道荷载以偏载的方式施加，车道荷载施加到ANSYS的方式为施加车道面荷载及集中荷载的形式。

二、结果分析

在后处理结果中，提取的结果主要有跨中挠度及跨中位置处结构的应力值，挠度是在荷载的标准组合下查看，应力是在基本组合下查看。

标准组合=1×车道荷载+1×二期荷载+1×自重

基本组合=1.4×车道荷载+1.2×二期荷载+1.2×自重

（一）跨中挠度

在标准组合下提取跨中偏载一侧底部节点的竖向位移值，如图3所示。

图4 应力变化图

从图3可以看出，有承托虽然相较无承托时结构自重增加，但是由于截面高度的增加，使其截面刚度增加，因此结构在自重下的挠度反而是较小的，因此由于承托部分而增加的自重不会对结构造成不利影响。由标准组合下变形曲线可知，承托对结构的跨中挠度有较大影响，若将结构钢梁的高跨比定为1/20，则钢梁高度为1500mm时，结构的跨中挠度可以降低6mm左右，由图中趋势可以看出，随着钢梁腹板高度的增加，有承托与无承托时的挠度差异逐渐减小，主要原因是梁高越高，截面刚度越大，承托的影响性较弱。

（二）纵向正应力

在基本组合下提取出钢梁与混凝土板的纵向正应力如图4所示。

从图4-(a)可以看出，混凝土板均是承受压应力作用，承托能降低混凝土板顶的压应力，提高混凝土板底的压应力，但承托对混凝土板底部应力的影响程度明显大于混凝土板顶部应力，除了看出承托的影响之外，还发现随着钢梁腹板高度的增加，混凝土底部应力无明显变化，混凝土底部压应力减小。

从图4-(b)可以看出，承托对钢梁顶部应力的影响程度大于钢梁底部应力，有承托时的钢梁顶部应力降低20MPa～30MPa，钢梁底部应力降低10MPa左右。当钢梁腹板越高时，承托的影响性也逐渐变弱，当腹板高度采用1500mm时，承托能减小约10MPa的应力值，针对钢梁应力而言，钢梁底部应力是控制钢梁强度设计的关键，此时布置承托对于提升结构刚度、改善结构应力是有必要的。

三、结语

结果表明，有承托的双工字钢板组合梁较无承托结构的跨中挠度降低约6mm，且随着钢梁腹板高度的增大，有承托与无承托时的挠度差异在减小。承托能降低混凝土板顶的压应力，提高混凝土板底的压应力，有承托时的钢梁顶部应力降低20MPa～30MPa，钢梁底部应力降低10MPa左右，承托对钢梁应力的影响性随着梁高增加而减弱。有限的梁高范围内，承托能显著降低钢梁应力，减小跨中挠度，具有优异的力学功能，且承托的存在对混凝土底部与钢梁的应力影响性较高，但是当截面高度过大时，承托的影响性减弱，但是双工字钢板组合梁的钢板高度一般取跨径的1/20，即1500mm，在此高度下板托的布置是有必要的。