钢-混组合梁桥力学性能分析

唐 娟

(西藏自治区公路局日喀则公路分局 日喀则市 850000)

钢-混凝土组合梁通过设置专门的剪力连接构件(又称剪力连接键)将钢梁和混凝土板连接成整体实现共同作用，作为一种组合结构，钢-混凝土组合梁在力学行为上与纯混凝土结构、钢筋混凝土结构以及钢结构不同。依托某跨径55m的钢混组合梁桥，开展钢-混组合梁桥力学性能分析。在此基础上，对剪力键类型和设置间距进行研究。

1 工程概况

某大桥主桥采用跨径55m的钢-混组合梁桥设计，单幅桥梁宽度为13.75m，主梁由3片钢板组合梁构成，各片主梁中心线之间相距490cm，跨中断面梁高300cm。钢梁为Q345D工字形直腹板设计，剪力连接键选用剪力钉。各片主梁间设置横梁实现横向联系的加强，小横梁和大横梁设置间距分别为4m和12m，同时，于支点位置布置支点横梁。主梁下翼缘采用变厚度设计，跨中位置和支点位置分别设计为1600mm×60mm和1200mm×46mm钢板。腹板也采用变厚度设计，跨中位置和支点位置分别设计为20mm和24mm钢板，上翼缘全部设计为700mm×24mm钢板。主梁跨中段腹板横向加劲设置间距为2m，支点段腹板横向加劲设置间距为1.33m。桥面板厚度也随跨径发生变化，跨中位置和支点位置厚度分别为26cm和36cm。预制桥面板和湿接缝分别采用C50混凝土和C50补偿收缩混凝土。大桥立面图见图1，跨中断面和支点断面图见图2、图3。

图1 大桥立面布置图(单位：cm)

图2 大桥跨中断面图(单位：mm)

图3 大桥支点断面图(单位：mm)

2 分析方法与计算参数

2.1 分析方法

该桥钢-混组合梁为多主梁简支结构。采用大型有限元通用软件midas Civil建立有限元模型，对结构运营阶段力学性能进行分析，有限元模型中，以最大程度地考虑钢-混组合梁特点为原则划分结构单元。结构分析采用梁格法，考虑桥面板分次浇注，并考虑徐变引起的桥面板应力重分布[1]。

2.2 设计参数

大桥主要材料计算参数见表1。

表1 主要材料计算参数

3 主梁力学性能分析

3.1 有限元模型建立

依据文献[2]，支点位置和跨中位置梁的有效宽度计算值为4.425m，使用大型有限元软件midas Civil建立的梁格计算模型如图4所示。

图4 边孔主梁(单梁)midas Civil有限元模型

3.2 计算结果分析

3.2.1组合梁变形分析

规范规定，静活载作用下梁的变形不能超过跨径的1/600。对于本桥，有：

L/600=53320mm/600=88.8mm

为节约篇幅，未给出组合梁变形有限元计算结果云图。分析表明静活载作用下，梁的最大变形为30.7mm，满足要求。

该桥在自重及静活载作用下发生的总位移为：

ω=ωg+ωQ=61.6+30.7=92.4mm>53320/1600=33.3mm

显然，跨中应该设置预拱度。

(ⅱ) 对任意F∈CIrr(X),若Fδ∩f-1(U)≠Ø,f(Fδ)∩U≠Ø,由f(Fδ)⊆(f(F))δ,(f(F))δ∩U≠Ø。注意到U∈σCSI及f(F)∈CIrr(Y),于是f(F)∩U≠Ø,F∩f-1(U)≠Ø,从而f-1(U)∈τCSI。

跨中预拱度设置大小为：

δ=ωg+1/2ωQ=61.6+30.7/2=77.0mm

3.2.2抗剪强度分析

经过分析比较，边梁主梁成桥运营阶段产生的剪力最大，剪力图如图5所示。

图5 成桥运营阶段边梁主梁剪力图(单位：kN)

则腹板最大剪应力为：

腹板最小剪应力为：

综上，钢梁最大剪应力和最小剪应力均小于规范规定的限值155MPa，抗剪强度满足要求。

3.2.3组合梁应力分析

(1)中梁结果

计算表明：荷载组合下，该桥运营阶段钢梁上缘无拉应力，最大压应力大小为143.2MPa，钢梁下缘无压应力，最大拉应力大小为160.1MPa，混凝土板上缘最大压应力和最大拉应力分别为14.5MPa和1.38MPa，混凝土板下缘最大压应力和最大拉应力分别为12.4MPa和1.65MPa，均满足要求。

(2)边梁结果

计算表明：荷载组合下，该桥运营阶段钢梁上缘无拉应力，最大压应力大小为138.1MPa，钢梁下缘无压应力，最大拉应力大小为137.4MPa，混凝土板上缘最大压应力和最大拉应力分别为11.6MPa和0.57MPa，混凝土板下缘最大压应力和最大拉应力分别为9.15MPa和0.93MPa，均满足要求。

3.2.4组合梁抗剪连接件(剪力钉)分析

(1)抗剪连接件抗剪承载力分析

文献[2]给出了单个栓钉抗剪承载力计算公式。根据规范[2]，计算可得：

(2)抗剪连接件疲劳分析

文献[2]给出了抗剪连接件疲劳验算计算公式。

疲劳荷载剪力幅代表疲劳荷载模型按最不利情况加载于影响线得出的最大剪力和最小剪力之差。由计算可知：该桥按疲劳荷载模型最不利情况加载于影响线得出的最大剪力-1.23×103kN，该桥按疲劳荷载模型最不利情况加载于影响线得出的最小剪力-7.05×103kN。则抗剪连接件(剪力钉)疲劳荷载剪力幅为5.02×103kN。

该桥截面上一共布置了2024根剪力钉，则单个剪力钉承担的剪力为：

综上，抗剪连接件(剪力钉)疲劳验算满足规范要求。

(3)支座分析

表2为支座的反力计算结果。荷载组合下，该桥支座最大反力为2.87×103kN，小于支座的最大承载力设计值5×103kN，满足规范要求。

表2 支座反力表 kN

综上，按照规范要求进行验算，相应荷载组合作用下，该桥抗弯、抗剪承载力、变形、剪力连接件受力、支座承载力均能满足规范要求。

4 剪应力布置对钢-混凝土组合梁长期效应影响分析

4.1 设计方案

钢梁和混凝土板凭借剪力连接键构成整体而实现共同工作。剪力连接键的类型及设置间距对结构抗剪刚度和极限抗剪承载力有所影响。剪力钉按排设计，在该桥组合梁设计基础上，改变剪力键的类型和剪力钉排间距，建立不同剪力钉布置方式的模型来进行对比计算分析。设计方案见表3。各方案剪力键布置示意见图6。

表3 设计方案

图6 设计方案剪力键布置示意

4.2 分析结果

钢-混凝土组合梁方案一、方案二、方案三的计算结果见表4。

表4 各方案力学性能对比

研究表明：在长期荷载作用下，运营阶段，钢-混组合梁桥剪力键类型及设置间距对组合梁界面滑移具有较大影响，设置柔性剪力键的设计方案产生的滑移量较刚性剪力键方案大，剪力键类型及设置间距对结构变形也具有一定影响，但对钢梁和混凝土板应力影响不明显。剪力键刚度越小，布置间距越大，钢-混组合梁运营阶段的变形越大。

5 结语

首先对某钢-混组合梁设计方案进行介绍，依据相关规范，借用有限元软件，开展钢-混组合梁桥力学性能分析，结果表明桥梁设计方案满足要求。在此基础上，对剪力键类型及设置间距开展研究，进行参数影响性分析。研究表明：剪力键类型及设置间距对组合梁界面滑移具有较大影响，设置柔性剪力键的设计方案产生的滑移量较刚性剪力键方案大，剪力键类型及设置间距对结构变形也具有一定影响，但对钢梁和混凝土板应力影响不明显。剪力键刚度越小，布置间距越大，钢-混组合梁运营阶段的变形越大。研究结果可供类似工程设计参考。