连续曲线钢箱钢纤维混凝土结合梁桥空间受力分析.pdf

第1 期 2 0 0 8 年1 月 广东 土木与 建筑 GUANGDONG ARCHI I CTURE CI VI L ENGI NEERI NG N o 1 J A N 2 0 0 8 连续曲线钢箱钢纤维混凝土结合梁桥空间受力分析 杨 秀珍 f 中国恩菲工程技术有限公司广州设计院 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要 ： 对广州科韵路 南延长线新港 东立交 I匝道桥工程 ， 采用空间有限元程序 A N S Y S对钢 箱钢纤维混凝土结 合梁桥的空 间受 力进行 了分析 计算 揭 示 了连续 曲线钢箱钢 纤维混凝 土结合 梁桥 的受力特性 ， 得 出一些 结论 和 建议 对同类型桥 梁设计具有一定的参考价值。 关 键 词 ： 钢 箱 ；钢 纤 维 ；结 合 粱桥 ；空 间应 力 1 前 言 钢箱钢纤维混凝土结合梁桥的结合部分由钢桥 面板与钢纤维混凝土组成 并通过栓钉结合 它 比单 一 材料的结构在力学性能上更优越 ， 结构也更合理。 由于充分利用 了钢和钢纤维混凝土的优点 又弥补 了各 自的不足 使钢在受拉区有 良好的抗拉 强度和 变 形性 能 但 在受 压 区则 易产 生屈 服 故 其抗 压 强度 优于抗拉强度 钢构件重量较钢纤维混凝土构件轻 钢纤维混凝土 比钢价格便宜 另外该形式结合梁桥 结构简单 ， 易于工厂制造 ， 提高了生产和安装质量 ， 可缩短工期和大大减少维修工作量 降低建设和维 修管理成本 目前城市高架桥、 立交枢纽 、 跨越公路和跨越铁 路等梁高受到一定限制的桥梁大部分采用钢箱钢纤 维混凝土结合梁桥 如广州市麓湖立交桥( 跨径 4 5 m + 7 5 m + 4 5 m的三跨连续梁) 、 广州市火车站站前高架桥 ( 跨径 4 0 m+ 6 0 m+ 4 0 m的三跨连续梁) 等 ， 其使用情况 也 较 理想 ， 具 有 广 阔 的发 展 应 用前 景 本 文 以广 州 科韵路与新港东路立交 I匝道桥为例 采用有限元 程序 A N S Y S对其空间受力及变形进行计算分析 I匝道钢箱梁桥梁体中线 由缓和曲线及半径为 3 9 5 m的圆曲线组成 采用 3 5 m+ 5 0 m+ 3 5 m的连续钢 箱梁结构 ， 桥 面宽 8 m， 翼板宽 1 4 m 钢箱 为单 箱双 室 ， 工厂 预制 ， 箱体净高 1 8 m( 腹 板高 ) ， 预制箱宽 5 2 m( 含腹板厚度) 。 钢箱梁桥采用双支点支承形式 支座间距 4 m； 桥面板采用叠合形式 钢箱梁顶面设 置混凝土叠合层 后浇结合层按设计要求采用 C 5 0 钢纤维混凝土 ， 厚 1 5 c m， 比类似的直线桥厚度 f 一般 为 1 3 c m) 有所增大 叠合层 的抗剪连接件采用 圆柱 头栓钉 ， 栓钉沿桥纵横方 向布置间距为 3 0 c m， 钉杆 高度为 1 2 c m。 2 有限元计算分析 根据本工程结构特点 本文对连续续曲线钢箱 钢纤维混凝土结合梁桥进行空间静力离散 ，当不考 虑交 接面相对滑移时f 即建立无滑移模型 ) ， 将箱梁 顶板 、 底板 、 翼板 、 腹板 、 横梁 和横 向强 、 弱加劲肋等 采用空间板壳单元模拟 纵向加劲肋则采用空间梁 单元模拟 横梁之间灌注的混凝土和桥面铺装钢纤维 混凝土采用实体单元模拟 ， 这样建立 由空间梁单元 、 板壳单元及实体单元组成 的空间有限元计算模型 ， 能较 真实 地反 映其结 构特 点 本桥共设 8个支座 ，其中 1 、 3 、 4支承处 曲线外 侧支座均沿竖向约束 即约束 z向位移 曲线内侧支座 沿径向和竖向约束 2支承处 曲线外侧支座沿径向和 竖 向约束 ， 曲线 内侧支座沿径 向、 切向 、 竖 向约束 。 2 1 空间受力分析 对 成桥 阶段该 匝道 桥在 活载 作用 下 的受 力情况 进行分析 ， 根据 C J J 7 7 9 8 城市桥梁设计荷载标准 ， 活载采用城一 A级车道荷载( 均布荷载 1 0 k N m ) ， 横 向布载分为对称两车道和单车道f 荷载偏置在曲线 梁外侧 ) 布置等 2种情况 。 计算时荷载纵 向布置分别 考虑以下工况 ：使中支座截面产生最大负弯矩； 使中跨跨中截面产生最大正弯矩； 使边跨跨中 截面产生最大正弯矩 为了弄清各工况作用下结合梁横截面法向应力 沿桥宽方向的分布及挠度情况 选取一些典型应力 曲线和挠度分布值进行分析。 截面分别选取 中支座、 中跨跨中( 以下简称“ 跨中” ) 、 边跨跨中等 ， 沿纵向截 5 3 维普资讯 http:/ 2 00 8 年1 月 第1 期 杨 秀珍： 连 续曲 线钢 箱钢纤 维混凝土 结合梁 桥空间受 力分 析 J A N 2 0 0 8 N o 1 J u u u u u L U U U I U U j d c b l l l I l I I I l I 图 1纵 向 截面 在 桥 宽 方 向上 的 分 布 示 意 图 面在桥宽方 向的分布如图 1 所示 综合以上 3种荷载工况 的计算结果 可得出 以 下规 律 ： ( 1 )曲线梁桥即使在对称荷载作用下 截面内外 侧的剪力滞 系数也不 同， 且 内侧较大 主要是因为该 匝道桥平面上位于 曲线段且半径较小 故在翘曲扭 转作用下内外侧的剪力滞后现象表现不 同 ( 2 )当不考虑钢箱顶板和钢纤维混凝土桥面板 的相对滑移时 钢箱顶板和混凝土板下缘共用节点 的应变相同， 两者材料不同， 应力不同但其分布规律 则 相 同 ( 3 )在对称和非对称荷载作用下 箱梁顶和底板 内外侧的法 向应力不同， 只不过在对称荷载作用下 箱梁顶 、 底板的内外侧法向应力较均匀 内外侧法向 应力差值 比非对称荷载作用下要大 2 2 空间有限元模型计算值与理论值的比较 以工况 2单车道加载为例 根据本文建立 的空 间模型 ， 可计算出各控制截面的法向平均应力值 再 采用以换算截面法为基础的弹性分析法 计算 出截 面法 向应力值 见表 1 表 1 法向应力的空间模型计算值与理论值 的比较 ( MP a ) 却 边跨跨中截面 中支座截面 中跨跨中截面 计算值 理论值 计算值 理论值 计算值 理论值 钢箱顶板 1 0 1 1 - 3 7 1 4 6 2 - 3 5 1 5 3 2 4 2 钢箱底板 一 0 9 4 1 9 2 1 9 1 3 2 9 3 6 1 3 4 0 混凝土上缘 0 2 0 0 2 7 0 - 3 0 0 4 7 0 _ 3 2 0 4 8 混凝土下缘 0 1 7 0 2 3 0 2 4 0 3 9 0 2 5 0 4 0 注)应 力值以拉应力为正 。 ( 1 )一般情况下 ， 模型计算值小于理论值 ， 这是 由于理论计算时将 匝道桥简化为等截面的曲线梁 未考虑纵 向加劲肋及横隔板 的作用 ： 而空间有 限元 模型计算时 则根据截面的实际形状 考虑纵向加劲 肋及横隔板的作用 由此产生计算结果的差异 ( 2 )理论计算采用弹性截面换算法 即将钢纤维 混凝土截面换算为钢截面 将两种材料等效为一种 材料 ； 建立空间计算模型时 则分别采用两种不同的 材料和单元来模拟钢箱和钢纤维混凝土板 较真实 5 4 地 反 映实 际结构 形式 。 在实 际工 程 中 采 用弹性 换 算 截面法进行结构分析的结果偏于保守 2 3 考虑滑移效应的挠度计算结果及比较分析 为了考察交接面相对滑移对连续组合梁变形 的 影 响， 建立 了有相对滑移 的计算模型 在无滑移模型 的基础上 ， 采用弹簧单元 c o m b i n 3 9模拟栓钉连接件 在设有栓钉处设置 2根弹簧 ， 各 自代表一个方 向， 、 Y 分别代表横向和纵向， z方向进行节点耦合 钢与 钢纤维混凝土交接面的其它节点 、 y 、 z三个方 向全 部进行耦合 仍以工况 1单车道加载为例 无滑移模型及有 滑移模型的挠度计算结果( 图略) 表 明 考虑滑移效 应后挠度 明显增大 a a跨 中截面挠 度值 由 7 0 ra m 增大至 9 4 mm ( 增幅 2 6 ) e e跨中截 面挠度值 由 1 1 0 m m增大至 1 3 8 m m( 增幅 2 0 ) 。由此可见， 钢与 混凝土结合梁交接面的滑移效 应对变形的影 响很 大 ， 在组合梁设计时应引起注意 3结论 与建 议 3 1 建立空间有限元计算模型时 分别采用两种不 同材料和单元来模拟钢箱和钢纤维混凝土板 能较 精确地模拟钢箱钢纤维混凝土结合梁桥在汽车荷载 作用下的受力性能 3 2 钢箱顶 、 底板横截面应力分布存在着显著的剪 力滞现象 且曲线梁 的内外侧剪力滞系数不 同 3 3 法 向应力的空间模型计算值较理论值偏小 3 4 横桥 向偏载作用使箱梁发生了明显的扭转 连 续曲线钢箱梁的挠度 由内侧到外侧逐渐增大外侧 截面挠度达到最大 3 5考虑钢与混凝土结合梁交接面的滑移时 滑移 效应引起的附加挠度使连续结合梁的变形增大 下 挠最大截面处 的挠度值增幅约 2 0 因此在结合梁 设 计 时应 引起 注意 3 6 钢箱顶板与钢纤维混凝土桥面板通过抗剪栓 钉结合 当栓钉数量足够多时， 如本工程栓钉间距为 3 0 0 x 3 0 0 则其滑移量很小 且 中间支座截面的滑移 量最大 横桥向外侧偏载时外侧的滑移量较大。 3 7 本文建立的有滑移模型由于栓钉较多 工作量 较大 实际运用中较不方便 且在内力计算时可以忽 略交接面滑移的影响因此计算结合梁挠度时可参 考有关试验资料乘以系数增大挠度 维普资讯 http:/