钢混叠合梁加劲板形式研究

2021-12-23张树清魏庆庆

工程与建设 2021年5期

张树清,魏庆庆

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽合肥 230088)

1 工程概况

望东长江大桥主跨638 m，跨径布置为78 m+228 m+638 m+228 m+78 m双塔双索面半漂浮体系PK箱型钢-混组合梁斜拉桥，如图1所示。按双向六车道高速公路标准建设，设计速度100 km/h，路基标准横断面宽度33.5 m，桥梁标准宽度33.0 m。主塔结构为钻石型，主梁采用PK型分离双箱组合形式，组合梁全宽35.2 m，不设风嘴，梁高3.5 m(组合梁中心线处)，其中钢梁中心线处梁高3.106～3.226 m。钢箱底板包括平底板、斜底板、外侧工字钢底板以及PK箱外横隔板下翼缘四部分，平底板全宽3 500 mm，设置支座区域局部加宽，根据受力需要在顺桥向不同区段采用16 mm、20 mm、24 mm和28 mm四种板厚，其中标准梁段采用16 mm。平底板与斜底板纵向采用板式加劲肋加劲，平底板加劲基本间距450 mm，斜底板基本间距400 mm，根据底板厚度不同分别取不同加劲尺寸。主梁标准横断面如图2所示。

图1 主梁桥型布置图(单位：m)

图2 主梁标准横断面图(单位：m)

2 计算模型

2.1 有限元模型

由于钢板结构轻质薄柔，稳定破坏与强度破坏有着同等的重要意义[1,2]。为了防止失稳带来的结构刚度降低而引起的破坏，常用的方法是增加板厚和设置加劲肋，通常在实际工程中又以更加经济、有效、轻质的后者为主。但是同时，加劲的受压板件的应力分布和破坏机制相对于无加劲板件要复杂得多：受压加劲板件破坏形式和极限承载力受板件本身的长度、宽度、厚度，加劲肋的相对刚度、面积，板件间相互约束等的影响[3]；再加上组装、架设中存在的初始变形和焊接加工引起的残余应力对受压加劲板件的破坏也有着不小的影响，并且这些影响因素又是相互关联，共同作用于加劲构件，这使得受压加劲板件的稳定与承载力的计算较为复杂。为研究加劲板形式对该桥的影响，采用三种不同加劲板形式进行比较分析，加劲板形式分别为“I”形、“T”形、“U”形，加劲板形式如图3所示。

图3 加劲板型式

采用ANSYS分别建立三种加劲板形式的有限元模型，建模中桥面板混凝土采用体单元模拟，钢箱采用壳单元模拟，如图4所示。模型具有对称性，选取1/2模型进行分析计算。材料采用理想弹塑性的本构模型[2]，钢材弹性模量2.1×105MPa，泊松比vs=0.3；混凝土弹性模量3.45×104MPa，泊松比。vs=0.2

图4 有限元模型

2.2 边界条件

钢箱和混凝土板相同位置(剪力钉位置)节点采用共节点处理，节段模型一端固结约束所有自由度，一端自由释放所有自由度。按照整体模型计算结果施加均布轴力、弯矩、剪力等内力组合。各断面上的内力(轴力和剪力)都通过截面均布力施加到模型自由端，弯矩则通过延伸一段钢臂施加力偶实现[4]。模型中顺桥向为z向，高度方向为y向，x向为横桥向由右手定则确定。

3 静力分析

3.1 计算工况

结构在计算工况内力时按照整体计算的最不利工况进行分析[5]，轴力以下缘受压为正，上缘受压为负；弯矩以下缘受拉为正，上缘受拉为负。剪力正负如图5所示。

图5 剪力正负示意图

分别确定了结合处5种工况，见表1。

表1 结构工况-荷载

工况一：自重+二期横载；

工况二：自重+桥面铺装+活载最大(活载产生的主梁弯矩最大)；

工况三：自重+桥面铺装+活载最小(活载产生的主梁弯矩最小)；

工况四：自重+桥面铺装+支座沉降(沉降产生的弯矩最大)；

工况五：自重+桥面铺装+支座沉降(沉降产生的弯矩最小)。

3.2 计算结果

分析计算得到钢混组合梁段处应力结果，见表2～表4。

表2 “I”形加劲板组合梁段最大应力

表3 “T”形加劲板组合梁段最大应力

表4 “U”形加劲板组合梁段最大应力

限于文章篇幅，本文仅列出工况一作用下钢混结合段应力云图，如图6、图7所示。

图6 混凝土板应力(单位：MPa)

图7 钢箱Von Mises应力(单位：MPa)

(1)桥面板的受力和变形以轴向受压为主，由于荷载对称布置，桥面板的应力分布及变形基本呈对称关系。

(2)桥面板的主应力分布如图6所示。由图6可知，桥面板的主压应力主要分布在钢混叠合横隔板布置范围处，最大主压应力为-8.81 MPa，位于桥面板顶面，应力极值相对于材料的许可值还有一定余量。桥面板最大主拉应力为3.70 MPa，位于混凝土顶面和钢塔柱结合处，主要由顺桥向剪切力造成，剪切力在剪力钉处使混凝土顶面节点和钢塔柱底面节点产生滑移。

(3)钢箱的Von Mises应力分布如图7所示。由图7可知,钢箱最大Von Mises应力为256.14Pa，Von Mises应力极值主要分布在钢箱底板处。

(4)从表2～表4可以看出，工况三作用下，钢箱Von Mises应力最大，结构在工况三作用下受力最为不利，结构响应最为明显；“T”形加劲板对改善箱梁底板应力较“I”形加劲板好，“U”形加劲板在三种模型分析中对改善箱梁底板应力状况最好。钢箱局部最大应力显示，三种加劲板形式都能很好地起到加劲作用，降低底板应力。鉴于钢箱加工方便性，降低工程造价，该项目设计采用“I”形加劲板。