三跨异形钢结构连续梁设计分析

三跨异形钢结构连续梁设计分析

徐兰芳

福建龙净环保股份有限公司 福建龙岩  364000

摘要：采用双曲面摩擦摆支座进行减隔震设计，避免下部结构改造。考虑伸缩缝为地震中可破坏构件，避免因伸缩缝宽度不足而挪动主梁。本文对三跨异形钢结构连续梁设计进行分析，以供参考。

关键词：连续钢筋梁；异形结构；数值模拟；匝道

引言

Q460高强度焊接工字型截面双跨连续梁是现阶段连续梁结构施工建设中常见的一种结构类型。针对稳定性进行测试是双跨连续连结构在实践应用中充分发挥作用的重要前提条件。在具体的试验流程组织规划中，主要应用有限元分析方式对连续梁结构的稳定性进行模拟分析，确认影响稳定性的主要因素，进一步采取有效措施提升连续梁结构的稳定性。

1概述

中跨采用梁拱组合的三跨连续梁桥是对连续梁中跨采用拱肋加劲所形成的一种组合结构桥梁，早在西方工业革命时期的下承式桁架拱桥中已有雏形，20世纪30年代年美国已有文献开展连续梁拱组合桥的静力特征研究，但目前国外的梁拱组合桥多为简支系杆拱，连续梁拱组合桥仍不多见。21世纪以来，随着我国交通事业的快速发展，迄今我国已建成数十座公路及铁路梁拱组合桥，从我国已建成的连续梁拱组合桥来看，主梁一般为预应力混凝土（PC）箱梁，拱肋多采用钢管混凝土（CFST）。

2三跨梁拱组合桥的结构特点分析

连续梁拱组合桥除了具有造型美观、行车平顺等特点外，在结构受力方面也有显著优势，由于中跨采用了拱肋加强，主梁高度可以降低；同时，由于中跨跨中的抗弯能力主要由拱肋与系梁轴力矩贡献，从而大大提高了抗弯能力，此外，梁拱组合桥可以取较小的边中跨比而不出现支座负反力，有利于灵活配置接线桥跨。最后，梁拱组合桥的结构刚度大，主跨跨中挠度小，整体跨越能力强。

3桥梁总体设计

桥梁上部采用Q345qD钢结构梁体，下部桥墩采用预制拼装技术，其中桥墩与承台过渡部位采用后浇超高性能混凝土进行连接，桥面上铺设有0.06m的超高性能混凝土铺装层，该层结构参与结构受力，桥梁上设置SA级铝合金防撞栏杆。

4试验装置类型与测量内容分析

4.1试验装置类型分析

针对Q460钢结构的稳定性试验装置主要包括支座装置和加载装置两部分。在做好基础装置准备后，进行测量点的规划和布置，为顺利完成试验过程提供帮助。在支座装置的准备工作中，需结合双跨连续梁的结构特征选用夹支支座。支座的底部用固定角钢结构起到约束作用，以防止截面处竖向移动。支座设计需结合应用专业的设计软件形成初步模型，加载装置的设置过程中，当试件的整体稳定度下降时，加载点的截面会同步出现竖向和侧向位移。失稳时间的延长还会进一步导致试件出现扭曲变形的问题，因此在加载应力时应当注重加载方向加载力度的合理控制。加载方式以重力加载为主导，通过设置环状装置使得试件的荷载补充状态更加稳定。另外，环状加载模式能保证加载方向本身的稳定性。

4.2试验结果简要综述

总结试验结果时，通过形成荷载位移相关曲线图达到数据分析的目标，分别从竖向和横向两方面分析研究实践应用中的梁结构稳定性。加载初期，试件的位移指标与荷载力的增加状态呈现出正比关系；若荷载进一步增加，初始阶段形成的缺陷会使试件的高度出现下降，这时位移速率显著增大，荷载与位移的关系转变为非线性状态；到了加载的最后阶段，位移会迅速出现增大趋势。当加载到最后阶段，表明试件已经出现弯曲失稳的破坏性问题，荷载指标已经达到极限状态。

5桥梁提载加固方案

5.1常规病害整治

钢梁在地震作用下发生瞬时位移，地震后受摇轴支座约束不能恢复，在继续运营近30年后，一部分位移已形成永久塑性变形，不能恢复。加固时，可采用千斤顶在墩顶对主梁进行横向顶推纠偏，纠正弹性范围内的位移。研究发现，垮塌的边跨桥台处，地基土存在轻微液化现象，原设计H型钢桩埋深约16m，地震时桥台基础下沉，在水平撞击力作用下台身破坏并发生水平位移，导致边跨落梁。恢复边跨时仍采用相同的跨径，为避免地基液化的影响，采用钻孔灌注桩，桩长穿透液化层，上部结构采用新钢梁予以恢复。钢结构表面应重做长效型防腐涂装。对其他病害应按规定工艺进行处置。

5.2续跨钢主梁加固

该桥上部结构原设计承载能力富余量极低，现状上部结构不能满足提载至HL-93的要求。新桥面板加宽、加厚及桥面加铺沥青混凝土导致桥面系恒载增加49.0%，上部结构总恒载增加29.9%，在此基础上活载增加约25%。针对连续梁提出了原梁顶增高截面、原梁底增高截面、跨中增设桥墩、新加钢主梁几种方案。原梁顶增高截面方案，是在原钢梁顶面用胶栓连接将一个新的工字形截面固定在梁顶，以增加钢梁高度，再重做剪力键和桥面板。原钢梁腹板在跨中和中间支点处高度分别为2286mm和2896mm，由于原钢梁应力是多次叠加而来，经计算，新钢梁加高500mm时，对原钢梁应力的改善效果不明显，继续增加梁高意义不大，而桥头引道改造的工程量显著增加。

6有限元模型计算分析

6.1有限元模型分析

利用空间软件对桥梁进行了建模分析，其中支座按照减隔震支座进行模拟，主梁及小横梁均采用实际截面数据进行修正，其中钢梁重量按照实际用钢量进行荷载模拟。对全联进行划分，采用梁格模式进行分析。

6.2 Y连续梁受力规律分析

Y连续梁受力不同点在于分叉口位置，此处受力明显增大。对比有横向联系和无横向联系的分析结果，没有横向联系的工况下，在分叉口位置，钢梁应力接近规范上限，具有很大的安全隐患。分叉口位置受力复杂，为了减小该区域受力的复杂性，在加强此处构造的同时，也要将A匝道和B匝道的刚度提高，使得传力路径更多，梁体整体刚度更大。对比恒荷载及活载下反力值，PS9处设置了4个支座，4个支座反力差别较大，为了防止脱空或者受力不均匀，需要额外填充混凝土。

7结果

（1）综合考虑边中跨比对结构内力和刚度的影响，建议三跨连续梁拱组合桥的合理边中跨比取值为0.4~0.6，若边中跨比取值小于0.25，边支座可能出现负反力；（2）矢跨比与拱肋弯矩、轴力成反比，考虑拱肋轴力对中跨抗弯贡献最大，建议三跨连续梁拱组合桥的矢跨比取值为1/5~1/6.5；（3）对于采用整体钢箱作为系梁的下承式系杆拱桥，无论从拱肋构造空间或是从经济性考虑，拱梁刚度比一般都远小于1，故此时拱肋刚度的选取，可不考虑拱梁刚度比的限制；（4）刚性吊杆法可用于确定三跨连续梁拱组合桥的吊杆内力，但应注意结构的整体受力状态，可采用“一期恒载+0.5×中跨活载”工况计算吊杆内力，并基于边中跨弯矩均衡的原则来调整吊杆内力。

结束语

对三跨异形钢梁进行受力分析、构造布置以及工况对比，可以得出以下结论：（1）三跨异形钢梁结构，分叉处受力较大，主要是由于两个匝道分离之后整体刚度较弱造成的；（2）连接两个匝道的横向联系受力较大，匝道不同情况下的受力不同，进而影响横向联系出现复杂的受力情况；（3）为了主梁受力良好，需要将横梁刚度增大，以保证不利情况下力能够很好地传递；（4）对于三跨类似结构，梁端不建议多支座设计，如有需要，应考虑调整相应位置使之受力尽量平衡。

参考文献

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