钢-混组合梁桥支座横向间距对横梁受力性能的影响分析

2021-01-25孟淼

工程建设与设计 2021年1期

孟淼

（中铁七局集团有限公司第二工程有限公司，沈阳 110000）

1 工程概况

钢-混凝土组合结构桥梁通过2 种材料的共同工作，充分发挥了混凝土抗压和钢材抗拉性能上的优势，避免了混凝土受拉开裂和钢材受压失稳的问题。组合结构具有结构自重轻、施工性能好等方面的优点，得到广泛运用【1~5】。本文依托某42m+2×70m+42m 钢-混组合梁结构跨越绕城高速桥梁。钢混组合梁中支点直线段长度4m，梁高4.2m；边支点直线段长度10m，梁高2.6m。本文针对2 支座间距较小的外伸横梁及2 支座间距布置在横梁两端的一般横梁分别用ANSYS 软件进行精细化建模计算【6，7】，分析了各自在最不利荷载工况作用下的受力性能，并进行了对比，为类似工程设计提供了参考。

2 横梁的计算图式

为方便建模计算，本案例将纵向桥面板在计算单元范围内的恒载、活载传递到横梁上，按照公路-Ⅰ级荷载标准值取值，在各个可能出现的工况中选取了最不利荷载组合工况进行计算。

1）横梁的简化模型：桥面板的纵向长度l 取值2 780mm；横梁可看作简支梁，考虑间距为2.85m 与7.0m 2 种情况。

2）荷载取值：依据相关规范【8~11】，承载能力极限状态恒载乘以1.2 倍系数，活载乘以1.4 倍系数。

3 有限元建模

钢-混组合箱梁横梁局部模型采用大型空间有限元程序ANSYS 进行精细化的实体有限元分析，利用桥梁结构整体最不利荷载工况及对应的力边界条件，将钢-混组合箱梁横梁看作简支梁，根据计算简图考虑支座大小间距影响，对局部有限元模型进行加载，即可得到钢-混组合箱梁局部模型局部应力水平和应力分布状态。

4 有限元结果分析

4.1 承载力极限状态计算

4.1.1 第一主应力计算（最大拉应力）

承载能力极限状态下，大小间距对钢结构最大应力云图分布形式影响不大，图1 为大间距情况下钢结构最大拉力分布云图。由图1 看出，支座间距不同情况下钢结构绝大部分区域处于底板全截面受拉、两边腹板大部分截面受拉、整个钢箱受拉应力区域呈凹槽状。结果显示，大间距支座布置最大主拉应力为50.507 2MPa，小间距支座布置最大主拉应力为34.639 9MPa，均小于钢结构极限承载能力。比较二者可以看出，小间距最大拉应力受力状况优于大间距受力状况。

图1 钢结构最大拉应力分布云图

承载能力极限状态下，大小间距对混凝土部分最大应力云图分布形式影响不大，图2 为大间距情况下混凝土桥面板最大拉力分布云图。由图2 看出，支座间距不同情况下预应力混凝土板绝大部分区域处于理想受压状态。支座间距不同对预应力混凝土板受力影响不大。预应力混凝土板两端出现较大拉应力原因为预应力钢绞线两端锚固引起的应力集中所致，该区域结果失真可以忽略。

4.1.2 第三主应力计算（最大压应力）

承载能力极限状态下，支座间距不同情况下钢结构绝大部分区域处于顶板全截面受压、整个钢箱受压应力区域向下凸起，大间距支座布置情况下钢结构压应力从顶板传递至箱梁中部位置时向两边腹板底角传递，形成平扁“X”形分布状，而小间距情况下呈下凹状，未向两边腹板底角传递。大间距支座布置最大主压应力为60.000 1MPa，小间距支座布置最大主压应力为46.421 5MPa，均小于钢结构极限承载能力。比较二者可以看出，小间距最大拉应力受力状况优于大间距受力状况。

图2 混凝土板最大拉应力分布云图

4.1.3 钢束内力计算

承载能力极限状态下，大、小间距支座布置情况下预应力钢束内力分布相差不大，钢束受力均处于设计允许范围内，满足规范要求。

4.1.4 剪力计算

承载能力极限状态下，大、小间距支座布置情况下钢结构与预应力混凝土板剪力分布相差不大，大间距支座布置情况下横梁结构中钢结构与混凝土桥面板结构剪力分布均呈现均匀对称分布，由于建模原因，钢绞线端部锚固与支座位置出现应力集中可以忽略。

4.2 正常使用极限状态变形计算

正常使用极限状态下，大间距支座布置钢-混组合箱梁横梁结构最大挠度为-2.665 43mm，悬臂端混凝土板上挠10.733 1mm；小间距支座布置最大挠度为-0.438 954mm，悬臂端混凝土板上挠11.780 1mm；比较二者可以看出，钢-混组合箱梁横梁结构小间距支座布置变形状况优于大间距支座布置情况下变形状况。