周游

【摘要：】曲线钢-混凝土组合箱梁桥充分利用了钢梁桥和混凝土梁桥等桥型的优点，能适应复杂地表结构，可解决城市交通堵塞、空间利用不足等问题。文章采用组合箱梁桥有限元分析模型，在保持跨高比不变的条件下，建立组合箱梁桥三维有限元分析模型，研究在不同组合工况下跨度和曲率半径对组合箱梁桥反力、弯曲应力、剪应力和跨中挠度的影响，使之更好适用于工程应用。

【關键词：】曲线钢-混凝土组合箱梁桥;有限元分析;反力;弯曲反力;剪应力;力学性能

U448.21+3A461533

0 引言

曲线钢-混凝土组合箱梁桥由于具有自重轻、稳定性好、施工经济、美观等优点，被广泛应用于公路立交桥和现代轻轨高架结构中。组合箱梁桥的梁体由钢梁和混凝土板组成，由于其抗扭刚度较高，使箱梁桥能够有效抵抗弯曲薄壁梁的扭转变形，可应用于曲线桥梁体系中[1-3]。组合箱梁桥的桥面板多为现浇构件，可根据设计需要的线形进行施工，因此组合箱梁桥的几何形状和结构形式多变，各种形状的直桥、斜桥和曲线桥在公路桥梁体系中十分常见[4]。

由于组合箱梁桥在纵向和横向上具有扭转、变形和弯曲的三维特性，其分析和设计比较复杂[5-6]。为充分了解曲线组合箱梁桥的结构特性和受力情况，本文对曲线组合箱梁桥进行有限元分析。

1 曲线组合箱梁平面结构分析

1.1 桥梁基本结构

本次研究的曲线组合箱梁桥总宽为8 500 mm，箱梁宽4 500 mm，边跨宽为2 000 mm，分布如图1所示。组合箱梁的上部结构为变高截面的单室矩形箱梁，箱梁顶板和底板的宽度分别为12 m和4 m，底板的厚度为32 cm。单室矩形箱梁宽7.5 m，桥面总宽8.5 m。上承板中部厚度为240 mm，腹板厚度为300 mm，端部厚度为200 mm。拱腹板和腹板的厚度均为240 mm。总跨长分别为20 m、30 m、40 m，曲率半径分别为75 m、90 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m。跨高比都采用16时，不同跨度所对应的高度如表1所示。

如表2所示给出了本次研究的曲线组合箱梁桥相关材料的性能参数。

1.2 荷载

典型箱梁桥上部结构所考虑的荷载主要包括三类荷载：（1）恒载（DL），结构自重作为恒载施加在结构上;（2）附加荷载（SIDL），假定磨耗层厚度80 mm，单位重量22 kN/m 施加在结构上的附加荷载为1 760 N/m2;（3）活载（LL），按《桥梁设计荷载规范》考虑，活荷载的影响系数如表3所示。

本次研究在有限元分析时对典型箱梁桥的加载采用两种工况：（1）恒荷载+附加荷载（DL+SIDL）;（2）恒荷载+活荷载+附加荷载（DL+SIDL+LL）。

2 曲线组合箱梁桥的有限元分析

2.1 模拟方法

本文采用改变跨径和曲率半径的参数化研究方法，通过有限元模型，对曲线组合箱梁桥的反作用力、弯曲应力、剪应力和跨中挠度进行分析，以便利用有限元软件更好地了解曲线组合箱梁桥的受力情况和变形能力。

有限元研究主要包括两部分内容：（1）利用有限元计算程序“ABAQUS”对曲线组合箱梁桥由于曲率半径和跨度改变引起的反作用力、弯曲应力、剪应力和跨中挠度的变化进行分析;（2）根据曲线组合箱梁桥在不同跨度处的挠度分布，找出最合适的曲率半径。

2.2 组合箱梁桥三维模型有限元分析

ABAQUS是一个高度复杂的通用有限元程序，主要用于模拟固体和结构在外荷载作用下的力学行为。本次研究分析了平面上水平弯曲的部分组合箱梁桥，梁为单室箱梁，截面为矩形，桥面板采用混凝土箱梁整体施工。根据城市桥梁设计荷载规范，组合箱梁桥在设计时固定端力的作用范围是杆从固定端开始的两个横向尺寸。本文根据平面单元模型所采用的实际几何尺寸和材料参数建立有限元分析模型，考虑恒荷载和预应力的影响，模拟组合箱梁桥在实际工程中的应力情况。使用ABAQUS创建的模型如图2～4所示。

3 结果分析

本文对跨度为20～40 m、曲率半径为75 m、90 m、100 m、150 m、200 m、250 m、300 m的组合箱梁桥的受力情况进行有限元分析。通过对有限元分析结果的整合，比较了在不同跨度和曲率半径下以及两种荷载工况下（DL+SIDL;DL+SIDL+LL），组合箱梁桥的反作用力、弯曲应力、剪应力和跨中挠度的变化情况，如图5～8所示。

两种组合工况下，组合箱梁桥的反作用力变化趋势基本一致，但在恒荷载、活荷载和附加荷载组合作用下的反作用力明显高于恒荷载和附加荷载的组合作用。由图5可知，曲率半径从75 m到150 m时，对于跨度为20 m和跨度为30 m的组合箱梁桥，反作用力随曲率半径的增大而减小，随跨度的减小而减小;曲率半径从150 m到300 m，曲线坡度平缓，反作用力基本保持不变。对跨度为40 m的组合箱梁，曲率半径在75 m到300 m的范围内反作用力变化幅度较小，说明对于跨度为40 m的组合箱梁桥，曲率半径几乎对组合箱梁桥的反作用力不产生影响。

由图6、图7可知，随组合工况的增加，组合箱梁桥的弯曲应力、剪应力增大。对跨度为20 m和30 m的组合箱梁桥，弯曲应力与曲率半径成反比例关系，与跨度成正比例关系。随着跨度的增加，曲线斜率增大，当组合箱桥曲率半径最大时对应最小的弯曲应力。而对跨度为40 m的组合箱梁桥，弯曲应力几乎不受曲率半径的影响。从图7中可以看出，曲率半径在75～150 m的范围内，剪切应力随着曲率半径的增加而减小并随跨度的减小而减小;曲率半径>150 m后，随曲率半径的增加，剪切应力的几乎保持不变。

由图8可知，对于跨度为40 m的组合箱梁，曲率半径在75～200 m的范围内，跨中挠度随曲率半径的增大而减小，曲率半径为200 m时跨中挠度最小。但对于跨度为30 m和20 m的组合箱梁，其最小挠度值分别出现在曲率半径为150 m和100 m时。随组合工况的增加，附加荷载对组合箱梁桥的曲率半径无明显影响。

4 结语

本文采用组合箱梁桥有限元分析模型，在保持组合箱梁桥跨高比不变的情况下，改变跨度和曲率半径，建立单室矩形组合箱梁桥的三维有限元分析模型，研究跨度和曲率半径对组合箱梁桥反力、弯曲应力、剪应力和跨中挠度的影响。主要结论如下：

（1）对跨度为20 m和30 m的组合箱梁桥，反作用力与曲率半径成反比例关系，与跨度成正比例关系，通过增大曲率半径可获得最小反作用力。

（2）对于跨度为40 m的组合箱梁桥，在曲率半径等于200 m时跨中挠度最小，但是对于跨度为30 m和20 m的组合箱梁桥则分别在曲率半径为150 m和100 m时出现最小挠度值。

（3）对跨度为20 m和30 m的组合箱梁桥，弯曲应力随曲率半径的增大而减小。对于跨度为40 m的组合箱梁桥，曲率半径发生变化时，弯曲应力基本保持不变。当跨度增大时，建议曲率半径选取200 m以下，以确保获得最大抗弯强度。

（4）曲率半径减小会使对应的剪切应力增加，同时剪应力也随跨度的增加而增大。对不同跨度的组合箱梁桥，当曲率半径在150 m以上时，剪切应力分布均匀，不同曲率半径处基本保持不变。

参考文献：

[1]阮 静.混凝土箱梁温度场有限元分析[J].公路，2001（9）：54-58.

[2]刘文燕，耿耀明.热工参数对混凝土结构温度场影响研究[J].混凝土与水泥制品，2005（2）：11-15.

[3]姬子田，张之恒，程 高，等.中等跨径钢-混凝土组合箱梁桥负弯矩区力学性能研究[C].世界交通运输工程技术论坛（WTC2021）论文集（上），2021.

[4]刘建行，张 曙.无粘结部分预应力混凝土梁的极限强度、裂缝和变形的试验研究[J].湖南大学学报（自然科学版），1987，14（3）：2-11.

[5]刘 丰，陈晓宝.无粘结部分预应力混凝土连续梁单跨加载试验研究[J].建筑结构，200 33（2）：46-47.

[6]卫俊岭，王 浩，茅建校，等.混凝土连续箱梁桥温度场数值模拟及实测验证[J].东南大学学报（自然科学版），202 51（3）：378-383.D8E706D6-35AA-429A-B769-FECA50A4EAD6