彭俊文 周金力 郭亚文 李惠祥 张雪松 四川省交通投资设计咨询院有限公司
摘要：钢板组合梁具有自重轻、施工速度快等显著优点，在桥梁建设中得到越来越广泛的应用。为了进一步分析中小跨度钢板组合梁的受力特性，建立了20结合某公路工程，建立了15m跨度钢板组合梁计算模型，获得了结构基频及应力特性，在此基础上进行了钢板结构形式对比研究，计算结果可为桥梁加固提供参考。类似的结构。
作者简介：彭俊文（1983-），男，本科学历，高级工程师，从事桥梁设计工作。；
0 简介
桥梁是公路、市政交通互联互通的重要基础设施，是构建交通网络、实现国民经济快速发展的重要保障。目前，国内桥梁建设中钢桥、钢混结合桥的比例相对较低，远低于日本、美国、法国等发达国家。钢-混凝土组合桥是在钢桥基础上通过现浇或预制混凝土板形成的，更容易产生充分发挥钢和混凝土各自的优势，结合交通部大力推广钢结构相关政策，未来钢桥特别是钢-混凝土组合桥必将得到快速发展[1,2,3] ]。
国内高校及设计院结合桥梁建设需求，对钢-混凝土组合梁进行了深入研究，对于特大跨度桥梁，一般采用正交异性钢桥面或高性能混凝土（UHPC）或反应顶层桥面加设粉末混凝土（RPC）[4,5]，结构轻便坚固，可减少钢结构的疲劳损伤。对于大跨度桥梁，可采用钢箱组合梁和钢桁架组合梁尤其在常规预制预应力梁桥因桥下净空及交通网络等原因不能满足需要时，钢箱组合梁桥具有突出的优势。同时，钢箱组合梁更适合于曲线桥。对于小型中跨桥梁，当桥墩整体高度较低时，考虑到钢结构自重较轻，桥墩可做成轻型形式。考虑到整体造价和碳排放，钢板组合梁被认为是具有竞争力的上部结构解决方案。目前相关学者对中小跨度钢板组合梁的研究较少，而公路桥梁95%以上都是中小跨度桥梁，研究中小跨度钢板组合梁的结构与受力特性具有重要意义。中跨度钢-混凝土组合桥，本文以某公路工程中跨度20 m钢板组合梁为研究对象，建立有限元模型，对结构整体及局部受力情况进行分析。计算结果可以为钢板组合梁的设计提供重要参考。
1.结构介绍
某公路项目主桥主要采用20m预制预应力小箱梁组成，地势较为平坦，全线平均墩高不足10m，桥梁总宽度16.85m，设计为双向6车道，荷载级别为公路1级，项目所在地地震加速度为0.1g。经过对20m跨度预制预应力小箱梁与20m、25m、30m跨度钢板组合梁经济指标的比较，后两种跨度钢板组合梁每平方米造价分别是1.3倍和1.5倍跨度20m预制预应力小箱梁每平方米造价仅为同跨度预制预应力小箱梁的1.20倍，而20m跨度钢板组合梁每平方米造价仅为同跨度预制预应力小箱梁的1.20倍。因此，本项目计划选择部分施工点推广20m跨度钢板组合梁。结构形式为连续简支桥面，桥面采用25cm厚C50钢筋混凝土。20m跨度钢板组合梁标准截面组合梁如图1所示。
图1 跨度20m钢板组合梁标准截面(mm)下载原图
钢板部分总高度为1 050 mm，上下翼缘板等宽等厚，宽度为475 mm，厚度为24 mm，腹板厚度为13 mm，未设置加劲肋单跨共设置6块钢板梁，梁间距2 880 mm，横梁数量5块，间距约5 000 mm，横梁高度与钢主梁高度平齐钢结构梁计算公式，组成钢结构纵横框架体系。端部横梁高度为700mm，上下翼缘等宽等厚，宽度为300mm，厚度为24毫米，腹板厚度为13毫米。中横梁高度为400mm，上下翼缘等宽等厚，宽度400mm，厚度15mm，腹板厚度10mm。横梁与主梁采用螺栓连接合在一起，钢板材料为Q345qD，主梁上翼缘设有焊钉。
2 有限元模型 2.1 载荷条件
钢结构体积密度为78.5kN/m3，考虑焊缝和螺栓自重，钢结构自重系数为1.06。混凝土桥面配筋率较高，体积密度为26.5kN /m3，沥青路面容重24kN/m3。护栏采用SS级防撞护栏，混凝土体积单边每延米0.459m3，容重26kN /m3。整体分析采用车道荷载，按照4车道荷载分别考虑中等荷载和偏心荷载两种活载工况，活载横向折减系数取0.67。温度荷载按整体温升、降幅达30℃。按简支梁约束方式，对六片梁支撑端底部进行约束，解除梁端转动约束，防止梁体在支撑处产生多余力，避免梁内产生约束扭转应力身体。
2.2 有限元模型
采用ABAQUS有限元软件，钢梁部分采用S4R板单元，混凝土桥面采用C3D8R实体单元，不考虑钢梁上翼缘与混凝土桥面之间的界面滑移效应，采用节点耦合约束，整桥单元网格控制在300 mm以内，建立的有限元模型如图2所示。
图2 钢板组合梁有限元模型原图下载
3 结果分析
钢板组合梁主要施工步骤为：先架设钢梁，再考虑混凝土湿重，再考虑钢板与混凝土的共同作用，施加二次荷载和成桥活载。混凝土的有限元模拟，采用生死单元法，按上述顺序设置混凝土。
3.1 特征值分析
在整体计算中，冲击系数的选取对活载的影响至关重要。通过分析钢板组合梁的特征值，可以得到结构的基本振动模态。结构的基频为5.43 Hz，以竖向弯曲变形为主，结构基本振型如图3所示，在此振型下，钢梁与桥面混凝土未发生分离，说明结构仿真良好，一致性较好与实际的压力状况相吻合。
3.2 受力分析
本文主要研究钢梁的受力状态，通过活载计算，考虑应急车道后，偏载作用下第4车道钢梁受力最为不利，下部纵桥应力分别提取钢板梁的翼缘和上翼缘如图4、图5所示。
计算结果表明:基本组合下,钢板梁下翼缘的最大拉应力和压应力均位于边梁跨中处,最大拉应力为174.6 MPa,最大压应力为6.5MPa。钢纵梁上翼缘和横梁上翼缘的应力值较小，最大应力为13.4MPa（拉应力）。上翼缘的应力不受进行设计控制，钢板梁整体应力满足规范[6]的要求。
图3 钢板组合梁基本形成示意图下载原图
图4 钢板梁下翼缘纵桥应力（MPa）下载原图
图5 钢板梁上翼缘纵桥应力（MPa）下载原图
3.3 蜂窝钢板组合梁实践
将常规钢板组合梁腹板优化加工成蜂窝梁钢结构梁计算公式，可以减轻结构自重，节省钢材。蜂窝梁一般用于建筑结构，在桥梁中应用较少。蜂窝梁在桥梁设计中仍需进一步研究。该结构的受力状态见[7]。本结构蜂窝选取六边形，高1400mm，宽700mm，主梁设置16个孔，如图6所示。
基于ABAQUS软件建立蜂窝钢板组合梁有限元模型，整体模型中钢梁部分采用S4R板单元，通过试算发现，靠近中间开孔处的应力边梁跨度较大，在整体模型基础上建立局部开洞子模型，子模型共包含3个开洞，单元类型为C3D8R实体单元，网格尺寸控制为保证计算精度，将支座的承载能力和刚度控制在150 mm以内，建立的有限元模型如图7所示。
图6 蜂窝梁尺寸（mm）下载原图
图7 蜂窝钢板组合梁有限元模型原图下载
在偏心荷载作用下，以子模型为关注对象，对开孔处应力进行详细分析，通过计算确定结构基频为4.92 Hz，偏心荷载作用下开孔处应力基本组合如图8所示。
计算结果：基本组合下，蜂窝钢板组合梁在跨中附近开洞对角位置横向应力较大，最大拉应力为111.0 MPa；纵向最大拉应力下翼缘纵向最大拉应力为220.5 MPa，腹板开孔处纵向最大拉应力高达329.5 MPa，位于开孔底部交汇处，该处Mises应力为330.7 MPa ，接近钢材屈服强度345MPa。因此，对于钢板组合梁，腹板开孔势必会引起明显的应力集中效应。虽然可以大大节省钢材成本，但不建议采用蜂窝钢板组合梁。根据应力条件划分梁。
4 结论
结合某高速公路工程，基于ABAQUS有限元软件对20 m跨度钢板组合梁的受力情况进行了分析，并在此基础上探讨了蜂窝钢板组合梁的可行性，主要结论如下：
（1）本文采用的钢板组合梁尺寸满足规范要求，基本组合下，下翼缘纵向应力为174.6 MPa，上翼缘应力值较小，因此，建议在满足剪力栓布置要求的条件下，尽量减小上翼缘尺寸，下翼缘尺寸及厚度应根据计算结果选择。
（2）蜂窝钢板组合梁虽然节省钢材，但其力学性能较差，由于腹板开孔，应力集中严重，局部应力接近材料屈服强度，因此建议钢桥设计时，建议避免在主要承重构件上设置过多的大尺寸开孔，并优化各板构件的设计。
图8 蜂窝钢板组合梁开口处应力（MPa）下载原图
参考
[1]范立初.桥梁工程（上册）[M].北京:人民交通出版社,2017.
[2]赵秋.钢桥:钢结构与组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2017.
[3] 张凯.中小跨度钢板组合梁桥快速建造技术及应用研究[D].西安:长安大学,2016.
[4]肖莉,常程,王涛,等.钢-超高性能混凝土组合桥面铺装研究现状[J].公路交通技术,2022(4):1-5.
[5]吴相芳,杨美良,刘东.双波形钢-RPC组合正交异性桥面受力性能分析[J].湖南交通科技,2018(2):138-142.
[6]公路钢桥设计规范:JTGD64—2015[S].北京:人民交通出版社有限公司,2015.
[7]贾连光,杜明侃,惠锋,等.六边形蜂窝梁及蜂窝复合材料梁剪切性能分析[J].工程力学,2016(1):81-87+132.
