鋼-混凝土組合橋面系受力分析

鋼-混凝土組合橋面系受力分析

近年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的逐年增加，橋梁建設(shè)中的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛。拱橋結(jié)構(gòu)中的主梁過去多采用混凝土結(jié)構(gòu),近幾年在一些下承式拱橋的主梁中開始采用鋼結(jié)構(gòu),且經(jīng)常采用工字形鋼梁和箱形鋼梁的結(jié)構(gòu)形式[1―4]。在下承式拱橋中鋼主梁通常設(shè)置在橋梁橫橋向的兩邊,通過吊桿與拱肋相連,形成梁拱組合受力體系。此外兩道鋼主梁在橫橋向還通過適當(dāng)數(shù)量的橫梁相連,在靠近拱腳處通過剛度較大的端橫梁把主梁和拱肋連結(jié)為一體以增加結(jié)構(gòu)的整體性[5―7]。目前,拱橋中大多采用由混凝土橋面板與鋼主梁和鋼橫梁形成的組合結(jié)構(gòu)體系。在這種結(jié)構(gòu)體系中,橋面板首先需要與橫梁相連,使得橋面板能夠支承在橫梁上,從而能夠明確橋面板的受力特征。對于混凝土橋面板與鋼主梁是否相連工程界有兩種觀點(diǎn),主張二者相連的認(rèn)為混凝土橋面板與鋼主梁形成的組合結(jié)構(gòu)的受力性能要優(yōu)于純鋼梁,主張二者分離的認(rèn)為這樣鋼梁和混凝土的受力明確。有關(guān)混凝土橋面板與鋼主梁相連與否對橋面系以及整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響還未見報道。過去在地質(zhì)條件較差的地區(qū)修建拱橋時往往需在拱腳張拉水平系桿,這一方面是為了減少拱腳的水平推力,另一方面這些拱橋的主梁大多為混凝土結(jié)構(gòu),混凝土主梁不能承擔(dān)拱肋帶來的巨大拉力。然而對于鋼主梁的拱橋結(jié)構(gòu)而言,當(dāng)拱梁固結(jié)后鋼主梁能夠承擔(dān)一定的拱腳水平推力,是否可以減少甚至取消水平系桿是工程界爭論的焦點(diǎn),這種結(jié)構(gòu)中水平系桿對橋面系產(chǎn)生何種影響值得研究。另外,在組合橋面系中混凝土的重量較大,而且其參與受力的時間隨澆注順序的不同而不同,混凝土澆注順序?qū)皹蛑薪M合橋面系受力的影響需仔細(xì)研究。本文結(jié)合一鋼主梁拱橋具體工程,進(jìn)行了鋼主梁與混凝土橋面板是否連接對橋面系受力產(chǎn)生的影響、水平系桿是否設(shè)置對橋面系產(chǎn)生的影響以及鋼主梁拱橋的橋面系混凝土合理施工順序的研究。1主梁梁間連接設(shè)計方案復(fù)興島運(yùn)河橋全長206.1m,主橋跨徑為73.7m,主橋采用下承式簡支鋼箱梁拱組合體系。主橋拱肋軸線采用二次拋物線,矢高為14.740m,矢跨比為1/5,整體布置見圖1。主梁為箱形梁,共2道,高1.8m,寬1.5m,頂板厚18mm,底板厚18mm,腹板厚14mm。主梁間通過中橫梁連接,中橫梁采用工字梁,其高度為0.9m。主梁兩端均設(shè)端橫梁,端橫梁采用1.80m×1.76m的箱形截面。與主梁連接處的端橫梁下放置支座,共設(shè)4個。主橋肋拱為主副拱結(jié)構(gòu),主拱肋采用鋼箱截面,箱梁高1.6m,寬1.44m,副拱肋截面亦為鋼箱截面,高1.2m,寬0.8m,副拱肋拱軸線為空間曲線,副拱拱平面與主拱形成10.46°的夾角。主拱間不設(shè)風(fēng)撐,主拱與副拱間采用工字梁橫撐連接以加強(qiáng)側(cè)向穩(wěn)定,橫撐間距為4.8m。橋面板采用200mm厚混凝土板,橋?qū)挒?4m,主橋橋面系采用鋼-混凝土結(jié)合梁橋面系,橋面系布置見圖2。2有限模型2.1有限元模型建立采用通用有限元軟件ANSYS建立該橋的有限元模型以進(jìn)行整體受力分析,其中拱肋、鋼主梁、橫梁和小縱梁采用梁單元模擬,橋面板采用殼單元模擬,吊桿采用桿單元模擬,有限元模型如圖3所示。模型中鋼材彈性模量取2.05×105MPa,泊松比取0.3,密度取7850kg/m3,混凝土彈性模量取3.45×104MPa,泊松比取0.2,密度取2600kg/m3,吊桿彈性模量取1.95×105MPa,泊松比取0.3。2.2汽車荷載及人群荷載對主橋運(yùn)營階段進(jìn)行分析時,考慮施工過程的影響。該橋的施工過程如下:拼裝主拱、副拱,拼裝主梁,安裝并張拉吊桿,吊裝混凝土橋面板并澆筑濕接縫,進(jìn)行鋪裝并安裝附屬結(jié)構(gòu)。施工完畢之后是考慮汽車荷載及人群荷載的運(yùn)營階段。計算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、公路-I級汽車荷載、人群荷載以及吊桿的預(yù)應(yīng)力。本文模型對端橫梁兩端和主梁結(jié)合的位置進(jìn)行約束,共約束4點(diǎn),如圖4所示A、B、C、D這4點(diǎn)。其中,對A點(diǎn)三向約束,B約束豎向及縱橋向,C點(diǎn)約束豎向及橫橋向,D點(diǎn)只約束豎向。在計算中利用ANSYS軟件的單元生死功能,模擬了拱橋的實(shí)際施工過程,所有的計算結(jié)果均以成橋通車運(yùn)營情況下的工況進(jìn)行比較。3混凝土橋面板對鋼主梁應(yīng)力的影響對橋面系受力產(chǎn)生的影響為了對橋面系結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行描述,采用如圖4中所示的3條線位置上橋面板的板中心節(jié)點(diǎn)間應(yīng)力進(jìn)行分析。縱橋向3個位置如下:位置1是橋面板邊緣,位置2是主梁與縱梁的中心線,位置3是道路中心線,由于結(jié)構(gòu)對稱,這里只給出右半跨的計算結(jié)果,坐標(biāo)系中x軸表示縱橋向,原點(diǎn)位于跨中位置。為描述方便,下文以截面1、截面2、截面3代替位置1、位置2、位置3。圖5給出了主梁與混凝土橋面板結(jié)合與否情況下的混凝土橋面板的應(yīng)力分布。從圖5可知,橋面板和主梁連接與否對不同部位的混凝土橋面板影響程度不同,其中對截面3即橫橋向中心位置的影響較小,而對另外兩個截面的影響大一些,此外在同一個截面上對跨中部位的影響要比對拱腳部位的影響小一些。組合橋面系中,橋面板與中間鋼橫梁通過連接件連接起來(相當(dāng)于固結(jié)),沒有與端橫梁相連(僅是豎向簡支)。當(dāng)橋面板與鋼主梁相連(即組合)時,拱橋的主梁整體上受拉(無水平系桿作用),在端橫梁所在的橫截面處混凝土橋面板在外側(cè)受到的拉力最大而在中間部位為0;當(dāng)橋面板與鋼主梁沒有相連時,混凝土橋面板在靠近端橫梁最近的一道中橫梁處拉力最大,但仍小于混凝土與主梁連接時的應(yīng)力。當(dāng)混凝土橋面板不與主梁相連時的拉應(yīng)力要低于二者相連,由于混凝土的抗拉強(qiáng)度較低,因此混凝土橋面板與鋼主梁不連接對混凝土有利。圖6給出了主梁與混凝土橋面板結(jié)合與否情況下鋼主梁的應(yīng)力分布。從圖6知,鋼主梁整體上是全部受拉的,由于主梁在跨中部位下?lián)?使得跨中部位的鋼梁上緣拉應(yīng)力小于拱腳部位、跨中部位的鋼梁下緣拉應(yīng)力大于拱腳部位?；炷翗蛎姘迮c鋼主梁結(jié)合與否對鋼主梁受力產(chǎn)生的影響沿縱橋向不同,其中在距離跨中左右各25m的范圍影響較小,而對拱腳部位的影響較大,在距離拱腳5m范圍內(nèi)主梁上緣和下緣的應(yīng)力當(dāng)鋼梁與橋面板組合時要比不組合時的小,上緣最大相差11.6MPa,下緣相差6.6MPa。這主要是由于混凝土橋面板與主梁結(jié)合形成的組合截面要強(qiáng)于純鋼梁截面,同時組合梁中的混凝土參與了結(jié)構(gòu)受拉。由于鋼材的強(qiáng)度較高,盡管橋面板與鋼梁組合后使鋼梁的應(yīng)力降低,但降低的值與其強(qiáng)度相比較小,而對混凝土而言,拉應(yīng)力增加后與其抗拉強(qiáng)度十分接近。綜上所述對于鋼主梁的拱橋結(jié)構(gòu)采用混凝土橋面板不與主梁組合的形式能夠避免混凝土過早開裂。4系桿張拉力對混凝土與鋼主梁應(yīng)力的影響首先計算拱橋在沒有水平系桿情況下拱腳產(chǎn)生的水平推力,經(jīng)計算得到在成橋狀態(tài)拱腳推力F=81t。為了比較水平系桿張拉力對橋面系產(chǎn)生的影響,在拱橋中設(shè)置水平系桿,水平系桿的張拉力取3種不同的值和不設(shè)置系桿進(jìn)行對比,分別為0.4F、0.8F和1.2F。仍按照圖4中3個截面的位置查看橋面板應(yīng)力以及鋼主梁的受力。圖7給出了不同的水平系桿張拉力情況下的混凝土橋面板的應(yīng)力分布。由圖7看出拱橋中水平系桿張拉力的變化對混凝土橋面板的應(yīng)力影響十分明顯。隨著水平系桿張拉力的增加,混凝土橋面板的壓應(yīng)力逐步增加,不同位置的橋面板的應(yīng)力變化隨著橋面板位置的不同呈現(xiàn)不同的影響程度。距離跨中左右各約20m范圍的橋面板在整個截面上的應(yīng)力變化比較均勻,但拱腳附近的混凝土橋面板的應(yīng)力變化差異較大。隨著系桿張拉力的增大,拱腳部位混凝土中的應(yīng)力由拉應(yīng)力快速轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力,而在端橫梁中部位置混凝土橋面板沒有與其相連,故在該部位的混凝土應(yīng)力始終為0。從整體混凝土受力的角度看張拉0.8倍拱腳水平推力基本可以保證混凝土不受拉。圖8給出了水平系桿張拉力變化時的鋼主梁應(yīng)力分布情況。由圖8看出拱橋中水平系桿張拉力對鋼主梁的應(yīng)力影響十分明顯。隨著水平系桿張拉力的增加,鋼主梁的拉應(yīng)力逐步降低。鋼主梁上緣的拉應(yīng)力和下緣的拉應(yīng)力沿橋梁縱橋向的變化比較均勻,在靠近拱腳附近鋼梁應(yīng)力變化比主梁其他部位的大,主要是受拱腳局部節(jié)點(diǎn)效應(yīng)的影響所致。根據(jù)鋼主梁的應(yīng)力隨不同系桿張拉力的變化情況來看,鋼主梁的應(yīng)力在系桿張拉力增加時逐步減少,但是鋼主梁的應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼材的設(shè)計強(qiáng)度了,在這種情況下可以適當(dāng)減小鋼主梁的截面尺寸,使得鋼材的材料強(qiáng)度得以充分發(fā)揮。根據(jù)以上分析可得出增加水平系桿對于保證混凝土和鋼主梁的受力而言是有益的,通過本文的研究對象來看,對于采用鋼主梁的拱梁固結(jié)體系的拱橋,即使不設(shè)置水平系桿,主梁的受力也是安全的。但如果設(shè)置了水平系桿,可增加結(jié)構(gòu)的安全儲備,同時,可以適當(dāng)減少主梁的截面尺寸,但另一方面,設(shè)置了水平系桿也增加了結(jié)構(gòu)和施工的復(fù)雜性。5混凝土橋面板應(yīng)力分布在組合梁橋中混凝土澆筑順序?qū)M合梁各個部分的受力產(chǎn)生較大的影響,在組合橋面系的拱橋結(jié)構(gòu)中,混凝土澆筑順序?qū)M合梁產(chǎn)生何種影響在此進(jìn)行了分析。這里共比較了5種混凝土澆筑方案,方案A為整體現(xiàn)澆,方案B為混凝土從跨中開始向兩邊共3次澆注,方案C為從兩邊開始向跨中共3次澆注,方案D為從跨中開始向兩邊按照吊桿間距逐段澆注,方案E為從兩邊開始向跨中按照吊桿間距逐段澆注。仍按照圖4中3個截面的位置查看橋面板應(yīng)力以及鋼主梁的受力,以比較橋面板施工順序?qū)蛎嫦凳芰Φ挠绊?。圖9給出了不同混凝土澆筑順序下混凝土橋面板的應(yīng)力分布情況。由圖9看出不同的混凝土橋面板澆筑順序?qū)炷翗蛎姘迨芰Φ挠绊戄^大,總體上,三類混凝土澆筑順序在每個截面上產(chǎn)生了3種不同的應(yīng)力分布規(guī)律。以橋梁中心截面為例,當(dāng)混凝土從跨中向兩邊澆筑時(方案B和方案D)橋面板混凝土應(yīng)力從跨中向拱腳部位逐步減小,當(dāng)混凝土從兩邊向中間澆筑時(方案C和方案E)橋面板混凝土應(yīng)力從跨中向拱腳先增大然后減少,應(yīng)力最大部位在距離跨中20m處,當(dāng)混凝土一次全部澆筑(方案A),橋面板混凝土的應(yīng)力從跨中向拱腳部位逐步減小,在距離跨中左右各20m范圍的混凝土應(yīng)力分布相對均勻。在同一種澆筑順序中,采用逐段澆筑的混凝土應(yīng)力變化比采用三次澆筑的混凝土應(yīng)力變化平緩一些。當(dāng)混凝土從跨中向兩邊澆筑以及從兩邊向中間澆筑時,混凝土最大應(yīng)力在縱橋向交替變換,但是當(dāng)一次全部澆筑時橋面板混凝土的應(yīng)力始終小于其他兩種混凝土澆筑順序的應(yīng)力。這表明對于組合橋面系的拱橋采用混凝土一次澆筑的施工方法明顯優(yōu)于其他的混凝土澆筑方式。圖10給出了不同混凝土澆筑順序下的鋼主梁應(yīng)力分布情況。由圖10看出不同的混凝土橋面板澆筑順序會對鋼主梁的受力產(chǎn)生一定的影響,總體上一次澆筑混凝土方案的鋼梁應(yīng)力均高于其他澆筑順序的。這主要是對于組合橋面系中混凝土的自重占恒載比重較大,采用一次澆筑方法鋼主梁需首先承擔(dān)全部的混凝土自重,采用分段澆筑方法會有部分組合截面參與承受后澆筑的混凝土自重,從而使得一次澆筑混凝土?xí)r鋼梁的應(yīng)力大于分段澆筑混凝土?xí)r組合梁中鋼梁的應(yīng)力。相對而言,采用一次澆筑混凝土造成鋼梁應(yīng)力增量與鋼材的強(qiáng)度相比較小,而混凝土中的應(yīng)力明顯要比其他分段澆筑混凝土的施工順序時的小,因此對于組合橋面系的拱橋應(yīng)采用一次澆筑混凝土的施工方法。6組合橋面系的連接方式本文采用有限元方法,根據(jù)組合橋面系施工的實(shí)際可能的情況和拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對組合橋面系的受力進(jìn)行了計算分析,得到以下結(jié)論:(1)在組合橋面系中混凝土橋面板與鋼主梁是否連接對