小半径管翼缘组合梁桥刚度及动力性能研究

摘要 文章对管翼缘组合梁曲线桥和工字钢-混凝土组合梁曲线桥进行了工程实例的对比，以国内某桥为例，采用（36+48+36） m连续管翼缘组合梁桥和（36+48+36） m连续工字钢混凝土组合梁桥，平面位于半径为100 m的圆曲线上，横向布置为单向三车道，荷载等级为公路-I级。通过Midas Civil软件对两种方案进行了建模分析，并考虑恒载、移动荷载、温度作用和支座沉降等因素，对两种方案的桥型结构刚度及动力性能进行了计算分析。

关键词 管翼缘组合梁；小半径曲线桥；动力性能

中图分类号 U441 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0122-03

0 引言

近年来，在对已有的钢-混组合梁研究基础上，随着材料科学、结构设计理论的发展，钢-混凝土组合梁出现了多种截面形式及多种新材料[1]。其中，由美国Lehigh大学Sause教授[2]提出的新型管翼缘组合梁就是一种新型钢-混组合梁，将工字钢-混凝土组合梁中的平板上翼缘用矩形或圆形代替形成新型的钢-混凝土组合梁，其中管翼缘可以采用内填混凝土或空心截面形式。

国内已建成的管翼缘组合梁桥有陕西省眉县常兴镇魏家堡水电站的常兴二号桥、跨黄延高速的K18+496.141车行天桥。眉县常兴二号桥为一跨54 m矩形管翼缘钢-混凝土简支梁桥[3]，桥宽16 m，主梁采用6片简支的新型管翼缘组合梁，钢主梁间距为2.8 m；跨黄延高速K18+496.141车行天桥采用两跨2×28 m连续梁，桥面宽5.5 m，采用3片焊接矩形管翼缘组合梁，主梁间距为1.8 m，钢梁1.25 m。两座已建成的矩形管翼缘组合梁桥如图1所示：

图1 国内已建成管翼缘钢混组合梁桥照片

对管翼缘组合梁曲线桥和工字钢-混凝土组合梁曲线桥进行工程实例的对比，利用Midas Civil软件对曲线管翼缘组合梁桥及曲线工字钢组合梁桥，在不同荷载组合下的刚度及动力性能进行研究。

1 工程概况

对新型管翼缘组合梁桥和工字型组合梁桥进行深入的对比分析。实例采用（36+48+36） m连续管翼缘组合梁桥和（36+48+36） m连续工字钢混凝土组合梁桥，平面位于半径为100 m的圆曲线上，横向布置为单向三车道，断面横向采用5片焊接组合梁作为主梁，主梁梁高2.2 m，主梁中心间距为2.8 m，悬臂宽度为1.4 m，荷载等级为公路-I级。

通过Midas Civil软件对两种方案进行建模分析，并考虑恒载、移动荷载、温度作用和支座沉降等因素，对两种方案的桥型刚度及动力性能进行分析。

主要材料如下：

（1）混凝土

主梁方管翼缘内填C50收缩自补偿型微膨胀混凝土，桥面板采用C50混凝土，桥面铺装为水泥混凝土。

（2）普通钢筋

采用符合《钢筋混凝土用钢 第1部分：热轧光圆钢筋》（GB 1499.1—2008）和《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》（GB 1499.2—2007）相关规定的HPB300、HRB400钢筋。

（3）钢材

所用钢结构部分的钢材均使用Q345qCNH钢板。

（4）高强螺栓

钢梁连接所用的高强螺栓、螺母、垫圈符合GB/T 1228～1231—2006的要求。

（5）桥面铺装

铺设10 cm厚的水泥混凝土。

2 两种组合梁桥设计方案

2.1 矩形管翼缘钢-混凝土组合梁桥设计方案

主梁由纵梁、横梁和桥面混凝土板组成，钢结构部分含主梁、横梁；钢结构部分均采用Q345qCNH钢材。40 m跨主梁梁高2.2 m，钢结构部分高度为1 920 mm，横向5片钢梁梁高一致。上翼缘方管尺寸为（500×250×14） mm，下翼缘板厚度为30 mm，宽720 mm，腹板厚16 mm。管翼缘组合梁横断面构造如图2所示。

2.2 工字钢-混凝土组合梁桥设计方案

工字钢-混凝土组合梁桥设计方案的工字钢-混凝土组合梁与管翼缘-钢混凝土组合梁的抗弯刚度相同，梁高、混凝土板尺寸均相同，各部分材料特性也相同，如图3所示：

3 有限元计算分析

3.1 有限元模型

根据结构构造，采用Midas Civil 2015软件建立静力分析的有限元模型，如图4所示：

3.2 荷载施加

计算过程考虑恒载、汽车荷载、温度作用、桥墩基础不均匀沉降、风荷载、活载风、离心力等因素影响[4]。

3.3 荷载组合及计算分析断面

在进行主梁验算时，主要分析不同荷载工况下控制截面的钢梁上下翼缘应力、混凝土顶板应力和组合梁的变形。计算分析断面示意如图5所示，A-A截面为第一跨支点截面，B-B截面为第一跨跨中截面，C-C截面为中支点截面，D-D截面为第二跨跨中截面，E-E截面为中支点截面，F-F截面为第三跨跨中截面，G-G截面为第三跨支点截面。

3.4 刚度分析

管翼缘钢-混凝土组合梁的变形限值参考工字钢-混凝土组合梁桥，结构的竖向活载挠度应不大于L/600；结构在恒载、活载作用下的挠度之和大于L/1600时应设置的预拱度，预拱度为计算得到的恒载位移，再叠加上1/2活载引起的最大位移，恒载、活载及不同荷载组合作用下的跨中最大挠度见表1所示。通过计算可知，在活载作用下两种结构的跨中最大挠度均小于L/600=80 mm，因此结构变形符合规范要求。由于相同主梁片数、等梁高的管翼缘组合梁横截面面积和抗弯刚度与传统工字钢-混凝土组合梁相等，但抗扭刚度较高，因此管翼缘钢-混凝土组合梁桥的竖向挠度小于工字钢-混凝土组合梁，表现出更强的整体刚度。

准永久组合作用及基本组合作用下两种组合梁B-B、D-D截面挠度如图6所示。从图6可看出，准永久组合作用下的两种组合梁挠度沿横截面分布基本一致，管翼缘组合梁与工字钢混凝土组合梁相比，挠度偏小；基本组合作用下的管翼缘组合梁挠度比工字钢混凝土组合梁小10%～15%。

3.5 动力特性分析

桥梁的动力特性，只与结构本身的固有性质有关，频率可以宏观地表征结构的刚度[5]。对两座桥进行动力特性计算，将恒载转化为质量利用Lanczos法进行特征值分析，两座组合梁桥的频率及振型计算结果见表2所示。由计算结果可看出，管翼缘组合梁与工字钢-混凝土组合梁的前三阶振型相同，管翼缘组合梁桥各阶自振频率略高于工字钢-混凝土组合梁桥，表现出更高的抗扭、抗弯刚度。

4 结论

该文在相同的工程背景下，分别设计了曲线管翼缘钢-混凝土组合梁桥和工字钢-混凝土组合梁桥，通过对两种形式组合梁桥的刚度及动力特性分析计算[6]，得到了如下结论：

准永久组合作用下的两种组合梁挠度沿横截面分布基本一致，管翼缘组合梁与工字钢混凝土组合梁相比，挠度偏小；基本组合作用下的管翼缘组合梁挠度比工字钢混凝土组合梁小10%～15%。

对两种截面形式的曲线组合梁桥进行动力特性分析，发现两种方案的前三阶振型一致，分别为扭转、横向弯曲、竖弯与扭转耦合[7]；管翼缘组合梁桥三阶频率均高于工字钢-混凝土组合梁，表现出更高的抗弯、抗扭刚度。

参考文献

[1]胡少伟.组合梁抗扭分析与设计[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]Sauce R.， Abbas H.， Kim B. G.， et al. Innovative High Performance Steel Girders for Highway Bridges [C]. Bridge Materials 2001， 309-318.

[3]翟晓亮.带钢管混凝土上翼缘的钢—高性能混凝土组合梁抗剪性能试验研究[D].西安：长安大学，2009.

[4]尧国皇.钢管混凝土构件在复杂受力状态下的工作机理研究[D].福州：福州大学，2006.

[5]过镇海.钢筋混凝土原理[M].北京：清华大学出版社，1999.

[6]项贻强，程坤，吴强强.钢筋混凝土构件弯剪扭复合受力分析研究与进展[J].中国公路学报，2014（4）：46-54.

[7]江婧.超小半径曲线梁桥受力特点和合理约束方式研究[D].长沙：中南大学，2010.