钢-混组合梁桥不同施工方法恒载作用效应分析.pdf

科学技术创新 2023.22钢-混组合梁桥不同施工方法恒载作用效应分析付娆1，庞聪1，郑泽宇2，丁俊凯2，陈梧烽2（1.深圳市路桥建设集团有限公司，广东 深圳；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州）钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构。同钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重，减小地震作用，减小构件截面尺寸，增加构件和结构的延性等1。钢-混组合结构的工作性能在施工阶段存在差异。根据临时支撑条件的有无，可分为活载组合梁和恒载组合梁两种形式。活载组合梁在施工阶段能有效降低负弯矩区混凝土桥面板的拉应力，改善开裂问题，并提升抗扭性能。2014 年，张通2利用有限元法研究了活载组合梁的受力性能和构造方法，发现其能有效改善极限承载力，提高抗扭刚度。2019 年，张鑫3通过模拟计算研究了组合梁桥施工阶段的力学行为，结果显示活载组合梁能有效改善负弯矩区开裂。2022年，杨永琛4采用有限元法研究了大跨度活载组合梁的受力性能，并发现其能提升抗扭承载力。恒载组合梁结构能保证施工阶段负弯矩区域混凝土在恒载作用下为无应力状态。此外，由于所需承受的荷载较小，钢梁刚度也较小，能减缓支点处混凝土的开裂。2015年，王力波5通过有限元和试验研究了恒载组合梁的受力性能，发现应力远小于钢材设计强度，使用恒载组合梁能提高钢主梁的承载能力。2017 年，刘鹏6通过有限元法研究了施工阶段下恒载组合梁混凝土顶板的受力性能，确定了施工阶段采用恒载组合梁能改进抗拉性能。2018 年，陈硕7利用 Abaqus 有限元软件建立了组合连续梁桥整体杆系模型，并进行了参数化分析，结果显示施工阶段采用恒载组合梁会改变支点处混凝土板的受力状态，减缓混凝土的开裂时间。为了研究上述两种结构形式对组合连续梁截面内力的影响，本文以某 340 m 等截面钢-混凝土组合连续梁桥为例，利用理论与有限元结合的方法研究了两种结构形式的力学性能和受力机理，并对其应力分布情况进行了详细地分析，从而为组合梁的设计方法提供理论支持。1工程概况与有限元模型1.1工程概况以某 340 m 等截面钢-混凝土组合连续梁桥为例，中跨计算跨径为 40 m，边跨计算跨径为 39.5m。桥面全宽 12.8 m，单向 3 车道，主梁间距 3.2 m，两侧桥面板悬挑 1.6 m。组合梁全高为 1.94 m，其中钢板梁梁高为 1.6 m。钢板梁间的混凝土桥面板厚度摘要：为了解恒载组合梁施工与活载组合梁施工两种不同施工方法对混凝土桥面板和钢梁力学性能的影响，分别建立采用不同施工方法的组合梁有限元精细模型，通过对比有限元和试验结果，分析两种不同施工方法下荷载效应的变化规律。结果表明，有限元模拟结果与理论结果所得的钢梁应力值误差在 5%以内，混凝土板应力值误差在 10%以内。相较于活载组合梁，恒载组合梁钢梁上翼缘最大压、拉应力分别降低了 36.2%和12.8%，钢梁下翼缘最大拉、压应力分别降低了 5.9%和 7.7%。综合考虑，采用有限元软件分析结果可以较好地反映组合梁的应力分布情况且采用恒载组合梁施工能够更好利用钢材与混凝土材料性能。关键词：钢-混组合梁桥；恒载组合梁；活载组合梁；数值分析中图分类号院U441文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤22-0174-05科研项目：深圳市技术创新计划技术攻关项目（JSGG20191129113016887）。作者简介：付娆（1990-），女，博士，高级工程师，研究方向：从事道桥相关工作。174-2023.22 科学技术创新为 240 mm，悬臂板端部板厚也为 240 mm，钢板梁上方包括承托的厚度为 340 mm，承托过渡段高宽比为1:1。钢板梁的上翼缘板宽为 600 mm，厚度为 24 mm；下翼缘板宽为 800 mm，厚度为 36 mm；钢梁腹板厚度为 18 mm。腹板仅设置横向加劲肋不设纵向加劲肋，加劲肋间距为 2 000 mm，加劲肋宽 200 mm，厚 20mm。有与横向联结系连接的横向加劲肋双侧布置，其他为单侧布置。梁间横向联结系顺桥向每 4 m 设置一道。钢板梁与桥面混凝土通过焊钉连接件组合，钢板梁上翼缘共布置 4 列焊钉，焊钉连接件直径为 22，焊钉熔后长度 180 mm。汽车荷载等级为公路-级，见图 1。1.2有限元模型选取中梁作为示例，混凝土板选用 C3D8R 单元，钢梁采用选用 S4R 单元，栓钉选用弹簧单元，如图 2所示。依据弹性设计方法分析各种作用效应，将各模型梁相关材料弹性模量代入即可。约束、接触关系及边界条件依据连续梁约束原则，分别对支座耦合点进行设置。2活载组合梁分析活载组合梁所采用的具体施工方法如下：架设钢梁浇筑正弯矩混凝土板浇筑负弯矩混凝土板施加二期恒载。其中负弯矩区段取中支座范围 0.15 L 长度即 12 m，二期恒载包括桥面铺装与混凝土防撞护栏。2.1纵向应力理论解通过建立 340 m 活载组合梁模型，并基于结构的对称性，中跨跨中处以及支点处共 2 个控制截面，依次命名为 1、2 号截面。以中梁为例，通过施加自重以及均布荷载的方式，得到施工阶段不同步骤的累计弯矩值。依 据 公 路 钢 结 构 桥 梁 设 计 规 范（JTGD64-2015）8中 5.1.8 及 11.2.1 第三条的要求，采用计算有效宽度的方法来考虑组合梁产生的剪力滞效应，并结合规范对抗弯计算的要求，对各阶段控制截面的钢梁以及混凝土板进行应力计算。得到对应控制截面在不同阶段的应力解即所需理论解，将其汇总于表 1中。2.2纵向应力数值解为验证数值解与理论解的拟合情况，在 ABAQUS中对沿跨径方向的关键截面进行应力提取，即选取纵向应力 S11，分别对钢梁及混凝土板取最大值作为数（b）横断面图（未显示横联）图 1连续组合梁布置及尺寸图（单位：mm）（a）连续组合梁立面图图 2组合连续单梁有限元模型175-科学技术创新 2023.22阶段步骤（累加值）架设钢梁 正弯矩混凝土板浇筑 负弯矩混凝土板浇筑 二期恒载 应力提取 位置 控制 截面 理论 数值 误差比 理论 数值 误差比 理论 数值 误差比 理论 数值 误差比 1 25.3 24.3 0.04 111 110.7 0.003 119 118.3 0.60%121 120 0.80%钢梁上翼缘 2-6.9-6.7 0.026-31.4-30.8 0.019-31.5-31 1.60%-31.9-31 2.80%1-17.7-16.9 0.046-77.9-74.1 0.049-83.6-80.2 4.10%-101-96.3 4.70%钢梁下翼缘 2 4.8 4.6 0.046 22 21.8 0.009 23.2 22.1 4.70%27.9 27.2 2.50%混凝土板 1/1.08 1.02 5.60%上表面 2/-0.4-0.4 8.70%混凝土板 1/0.57 0.52 8.50%下表面 2/-0.2-0.1 8.00%表 1活载组合梁控制截面应力值汇总（单位：MPa）值解，将其汇总于表 1 中。2.3纵向应力对比分析将上述阶段所得理论解与数值解的累加值汇总于表 1 中。由表 1 对比分析可知，有限元模型模拟的弯曲正应力沿跨径方向的分布曲线与理论曲线分布规律基本相同，且两者数值吻合程度较高，钢梁应力值误差在 5%以内，混凝土板应力值误差在 10%以内。但上述造成的误差在合理范围内且混凝土板基数较小，故可以认为该结果可以较好地反映组合连续梁的应力分布情况。可以看出，钢梁与混凝土板应力均处于容许应力范围内。3恒载组合梁分析恒载组合梁所采用的具体施工方法如下：架设钢梁浇筑正弯矩混凝土板拆除临时支撑浇筑负弯矩混凝土板施加二期恒载。其中负弯矩区段同样取中支座范围 0.15 L 长度即 12 m，二期恒载同活载组合梁。3.1纵向应力理论解建立 340 m 恒载组合梁模型，相比活载组合梁，每跨间等间距增加了 2 个临时支撑。同时，对于控制截面的选取，与活载组合梁设置点位保持一致。得到对应控制截面在不同阶段的应力解即所需理论解，将其汇总于表 2 中，计算方法与上述公式相同，不再赘述。3.2纵向应力数值解同样对沿跨径方向的关键截面进行应力提取，即选取纵向应力 S11，分别对钢梁及混凝土板取最大值阶段步骤（累加值）架设钢梁 正弯矩混凝土板浇筑 拆除临时支撑 负弯矩混凝土板浇筑 二期恒载 应力提取 位置 控制 截面 理论 数值 误差比 理论 数值 误差比 理论 数值 误差比 理论 数值 误差比 理论 数值 误差比 1 1.9 1.8 3.70%4.4 4.3 0.021 78 77.2 1.00%86.2 83.2 3.50%87.7 85.2 2.90%钢梁上翼缘 2-1.5-1.5 1.30%-8.1-7.7 0.048-10.7-10.4 3.10%-10.8-10.6 2.20%-11.2-11.1 0.90%1-1.3-1.3 1.80%-3.1-3.1 0.006-54.6-52.9 3.10%-60.4-58.2 3.60%-77.4-75.5 2.50%钢梁下翼缘 2 1 1 0.05 5.7 5.6 0.011 34.1 33.9 0.60%35.3 35.1 0.60%40 39.9 0.30%1/0 0 0.00%-0.02-0.02 5.20%1.07 0.99 7.50%混凝土板 上表面 2/-1.9-1.8 4.30%-1.9-1.8 8.80%-2.3-2.1 6.20%1/0 0 0.00%0.02 0.02 4.20%0.57 0.53 6.70%混凝土板 下表面 2/-1.9-1.8 4.30%-0.9-0.9 4.20%-1.1-1 7.50%表 2恒载组合梁控制截面应力值汇总（单位：MPa）176-2023.22 科学技术创新作为数值解，将其汇总于表 2 中，各阶段实现方法参照活载组合梁即可。3.3纵向应力对比分析将上述阶段所得理论解与数值解的累加值汇于表 2 中，如下所示。由表 2 的对比分析可知，有限元模型模拟沿跨径方向的分布曲线与理论曲线分布规律基本相同，且两者数值吻合程度较高，钢梁应力值误差在 5%以内，混凝土板应力值误差在 10%以内，误差原因在活载组合梁中提及，这里不再赘述，故认为该结果处于可接受范围内。可以看出，钢梁与混凝土板应力均处于容许应力范围内。同时，虽然设置临时支撑对混凝土板表面产生了较大的压应力，但拉应力的控制与不设置基本相同。4两种不同施工方法组合梁对比为了更直观看到不同施工方法对应力影响的水平，将两者施工阶段应力累加值放入图 3 中对比分析。图 3 中，整个施工阶段，恒载组合梁相较于活载组合梁，钢梁上翼缘最大压应力可从 37.5%降低至1.3%，最大拉应力可从44.4%降低至 31.6%；下翼缘最大拉应力可从 32.4%降低至 26.5%，最大压应力从35.7%减小至 28.0%。而混凝土板上表面最大压应力从 4.5%增至 20.5%，拉应力基本保持不变在 54.6%左右；下翼缘最大压应力从 1.8%增至 9.8%，拉应力也维持同一水平28.4%。可以看出，对于上翼缘边跨最大弯矩处改善效果明显，钢梁整体应力幅的降低也能够使得钢梁更好地满足弹性设计要求。而对于混凝土板来说，该施工方法虽然增大了翼缘的压应力水平，但拉应力控制效果与活载组合梁相同。综上，恒载组合梁能够把梁体承担的一期恒载转由临时支撑承担，很好地改善钢梁的受力状态，特别是对钢梁上翼缘边跨最大压应力的限制，从而减小施工阶段钢梁截面的应力值，以达到降低钢梁应力水平的效果。5结论（1）有限元模型模拟的弯曲正应力沿跨径方向的分布曲线与理论曲线分布规律基本相同，且两者数值吻合程度较高，钢梁应力值误差在 5%以内，混凝土板应力值误差在 10%以内。但上述造成的误差在合理范围内且混凝土板基数较小，故认为该结果可以较好地反映组合连续梁的应力分布情况。（2）施工阶段中采用临时支撑相较于不采用临时支撑，钢梁上翼缘最大压、拉应力分别降低了 36.2%和 12.8%，钢梁下翼缘最大拉、压应力分别降低了5.9%和 7.7%。采用临时支撑对钢梁应力改善程度较大，且对钢梁上翼缘的影响要大于下翼缘。（3）施工阶段中采用临时支撑相较于不采用临时支撑，混凝土板上表面最大压应力增加了 16.0%，（a）混凝土板表面应力比对（b）钢梁翼缘应力比对图 3两种施工方法纵向弯曲正应力分布比对图（施工阶段应力累加）177-科学技术创新 2023.22拉应力基本保持 54.6%左右不变，混凝土板下表面最大压应力增加了 8.0%，拉应力基本保持 28.4%左右不变。采用临时支撑并不会增加混凝土板开裂的风险，同时在一定程度上能够更好地利用混凝土板的抗压性能。参考文献1聂建国,余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用J.土木工程学报,1999(2):3-8.2张通.简支钢板组合梁桥合理截面构造研究D.西安：长安大学,2014.3张鑫.钢板-混凝土组合梁桥模拟方法与负弯矩区桥面板应力改善方法探究D.西安：长安大学,2019.4杨永琛.考虑施工过程的大跨度钢-混凝土组合梁桥力学性能研究D.沈阳：沈阳建筑大学,2022.5王力波.钢-混凝土组合梁桥施工阶段力学性能和温度场研究D.北京：北京工业大学,2015.6 刘鹏.简支钢-混凝土组合梁施工与控制技术研究D.石家庄：石家庄铁道大学,2017.7陈硕.钢-混组合连续梁桥施工过程受力性能及影响因素分析D.石家庄：石家庄铁道大学,2018.8 中华人民共和国国家标准.GB50010-2010 混凝土结构设计规范S.北京:中国建筑工业出版社,2015.Analysis of THR Effect of Constant Loadon Steel-Concrete Composite GirderBridges with Different ConstructionMethondsFu Rao1,Pang Cong1,Zheng Zeyu2,Ding Junkai2,Chen Wufeng2（1.Shenzhen Road&Bridge Group,Shenzhen,China;2.School of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,China）Abstract:In order to understand the effects of two different construction methods,constant load and liveload,on the mechanical properties of concrete deck slabs and steel girders,finite element finite elementmodels of the girders with different construction methods were established,and the changes of load effectsunder the two different construction methods were analyzed by comparing the finite element and experimentalresults.The results show that the errors of the stress values obtained from the finite element simulationresults and the theoretical results are within 5%for the steel beam and within 10%for the concrete slab.Compared with the live load combination beam,the maximum compressive and tensile stresses at the upperflange of the steel beam of the constant load combination beam are reduced by 36.2%and 12.8%,respectively,and the maximum tensile and compressive stresses at the lower flange of the steel beam arereduced by 5.9%and 7.7%,respectively.In consideration,the analysis results of finite element softwarecan better reflect the stress distribution of the combination beam and the construction of constant loadcombination beam can better utilize the properties of steel and concrete materials.Key words:steel-concrete composite girder bridge;constant load combination beam;live load combinat-ion beam;numerical analysis178-