大跨径工字钢组合梁桥受力分析研究

刘梦伟

珠海市六正工程咨询有限公司 广东珠海 519000

摘要：近些年来，工字钢-混凝土组合梁结构发展很快，并以显著的经济效益和社会效益在桥梁领域得到越来越多的关注及应用。本文以新建桥梁为背景展开研究，将工字钢组合梁应用于大跨径连续梁桥，运用有限元软件进行设计计算分析，以期为同类大跨径桥梁的设计提供参考。

关键词：工字钢组合梁；大跨径连续梁；受力性能

1.工程概况

某市政桥梁为新建辅道桥引桥，跨越水道，桥位处交通条件较好。小桩号斜交角度为63°，大桩号斜交角度为90°。平面处于直线段上。

主要技术指标：

1. 1. 1. 公路等级：城市次干路；

      2. 设计车速：50km/h；

      3. 桥梁设计荷载：公路—I级；

      4. 桥梁宽度：15.75m；

      5. 跨径布置：60+60+60m；

      6. 桥梁设计使用年限：100 年；

      7. 桥梁安全等级：一级；

      8. 桥面横坡：2.0%。

2.结构设计及参数

主梁采用多片等高工字梁+混凝土桥面板的组合结构，截面中心处组合梁高2.9m，其中钢主梁高2.6m，混凝土板厚0.25m，垫条厚0.05m。桥面板采用C55预制桥面板，宽15.75m，混凝土板悬臂长1.275m。钢主梁中心间距4.4m。在墩顶、跨间位置设置横向联结系，在墩顶支撑处及跨中采用实腹式构造，跨间其他位置采用K形断面横梁；相邻两片主梁中间设置一道小纵梁。

本桥设置2%双向横坡，横坡的取得通过支座垫石高度及垫条高度调整。

钢主梁材料Q500qD，工字形断面，梁高2.6m，由上翼缘、下翼缘及腹板焊接组成。

（1）上翼缘板

钢主梁上翼缘板宽700mm，厚度为35/45/60mm。

（2）下翼缘板

钢主梁下翼缘板宽800mm，厚度为40/45/50/60mm。

（3）腹板

钢主梁腹板厚度为20mm，腹板高度随着翼缘板厚度发生相应变化。

（4）横向联结系

以全桥中心线为对称中心，向主梁两侧每5m设置一道横向联结系，其中墩台顶及跨中采用实腹式构造，其他位置采用”K”形桁架构造。

实腹式横向联结系采用工字形断面横梁，横梁与主梁间采用高强螺栓连接。过渡墩支座顶端横梁高2000mm，上、下翼缘尺寸分别为1060mm×28mm和300mm×20mm，腹板厚16mm，上翼缘板上设置剪力钉；跨中及中间墩支座顶端横梁高1800mm，上、下翼缘尺寸均为450mm×25mm，腹板厚16mm。

“K”形桁架式横向联结系由上、下横梁以及斜撑组成，其中上下横梁采用H型钢，斜撑采用方钢管。

（5）小纵梁

小纵梁采用HW300×300×10×15型热轧H型钢。

（6）剪力钉

在钢主梁上翼缘板、小纵梁上翼缘板及端支点横隔板上翼缘板均布有剪力钉。

图1 墩顶横断面

图2 中间横断面

3.计算模型

根据设计文件建立（60+60+60）m桥宽15.75m连续组合梁有限元计算模型。对成桥阶段受力状态进行分析计算，根据计算得到的截面内力和位移变形等对结构体系进行验算。

采用Midas Civil 2019建立空间几何模型，混凝土桥面板采用板单元模拟，钢主梁、横联、小纵梁和平联采用梁单元模拟，板单元与梁之间采用弹性连接，如图3所示。

图3 Midas桥梁边梁三维静力计算模型

4.计算结果

4.1主梁纵向计算

4.1.1钢主梁承载能力验算

1）组合梁内力包络图

图4 基本组合弯矩包络图（单位:kN*m）

图5 基本组合剪力包络图（单位:kN）

2）钢梁抗弯承载力验算

根据规范要求，组合梁截面抗弯承载力应采用线弹性方法进行计算。钢梁持久状况承载能力状态下应力计算点如下。

图6 钢梁应力计算点示意

钢梁持久状况承载能力状态下应力包络图如下，取应力最大的边梁计算结果。

图7 钢梁应力点1正应力包络（单位:MPa）

图8 钢梁应力点2正应力包络（单位:MPa）

图9 钢梁应力点3正应力包络（单位:MPa）

图10 钢梁应力点4正应力包络（单位:MPa）

根据计算结果，钢梁第一体系最大应力为 ，小于Q500钢材抗弯强度设计值370MPa，安全系数为370/326.2=1.13，满足规范要求。

3）钢梁抗剪承载力验算

组合梁运营阶段承载能力极限状态基本组合下剪力包络图如下。

图11 基本组合剪力包络图（单位:kN）

（1）竖向抗剪

根据规范要求，受弯构件的剪力假定全部由钢梁腹板承受。

剪应力

竖向抗剪安全系数210/70.1=3满足规范要求。

（2）腹板最大折算应力

组合梁承受弯矩和剪力共同作用时，腹板最大折算应力如下：

腹板最大折算应力安全系数407/348.1=1.17满足规范要求。

4.1.2组合梁刚度验算

按照规范要求，计算挠度值不超过l/500。

表1 活载挠度一览表

图12 组合梁活载上挠（单位:mm）

图13 组合梁活载下挠（单位:mm）

4.2混凝土板验算

4.2.1混凝土板纵向应力

作用基本组合下，混凝土板应力如下。

图14 基本组合下混凝土板应力包络（单位:MPa）

由结果可知，混凝土板在作用基本组合下跨中附近区域压应力最大值为14.26MPa，小于C55混凝土抗压强度设计值24.4MPa。

4.2.2混凝土板纵向裂缝宽度

1. 裂缝宽度取值

根据规范^[2]，对于组合梁钢筋混凝土桥面板，裂缝宽度按限值0.20mm控制。

2. 混凝土板纵向受拉钢筋应力计算

由作用（或荷载）频遇组合效应引起的开裂截面纵向受拉钢筋的应力^[1]应满足^[1]要求。按照单梁模型墩顶组合截面弯矩最大，Ms=29987kN·m（考虑墩顶弯矩折减）。墩顶设置两排各28根直径22mm的束筋，计算的应力为：

3. 混凝土板裂缝宽度验算

最大裂缝宽度^[2]按下式计算：

, ， ， ，其中混凝土板纵向钢筋间距为0.125m，钢筋直径22mm，型号HRB400。

根据上式计算， ，满足要求。

4.2.3桥面板纵向抗剪验算

根据规范规定，作用（或荷载引起的单位长度）内纵向抗剪界面上的纵向剪力应符合下列规定：

单位长度上b-b纵向抗剪界面纵向剪力 按下式计算：

单位长度上a-a纵向抗剪界面的纵向剪力 按下式计算：

单位长度内混凝土板纵向抗剪承载力应按下式计算：

具体参数如下图所示。

根据计算结果，对于a-a界面:

因此 ，满足要求。

对于b-b界面:

因此 ，满足要求。

5.结论及建议

根据某3×60m的工字钢钢混组合梁桥，对大跨径连续组合工字钢梁和桥面板进行了成桥状态的设计计算研究，得到了以下结论：

（1）通过对多主梁连续组合梁桥进行有限元分析，发现第一体系最大应力、竖向剪应力、腹板最大折算应力及混凝土压应力等各项强度应力均满足规范要求。

（2）与钢箱梁相比，在满足受力安全前提下，工字钢组合梁经济指标低，有明显的竞争力。

（3）将工字钢组合梁应用于大跨径连续梁桥，能够达到较高的承载能力，具有较高的安全储备。

参考文献：

[1] 中华人民共和国交通运输部.公路钢混组合桥梁设计与施工规范：JTG/T D 64-01-2015.北京：人民交通出版社，2015

[2] 中华人民共和国交通运输部.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362-2018.北京：人民交通出版社，2018