鋼-混凝土組合橋面板計(jì)算分析

鋼-混凝土組合橋面板計(jì)算分析吳駿【摘要】鋼-混凝土組合橋面板是通過剪力連接件將混凝土和鋼梁結(jié)合在一起的一種新型組合結(jié)構(gòu).以某一特大跨度懸索橋鋼-混凝土組合橋面板為例，介紹了鋼-混凝土橋面板設(shè)計(jì)的基本方法，并進(jìn)行了有限元計(jì)算，結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求.【期刊名稱】《交通科技》【年(卷)，期】2012(000)001【總頁數(shù)】3頁(P16-18)【關(guān)鍵詞】組合結(jié)構(gòu);橋面板;剪力連接件【作者】吳駿【作者單位】貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550001【正文語種】中文鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。通過組合既能彌補(bǔ)單一材料的不足之處，又具有強(qiáng)度高、耐久性好、施工方便、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)。近幾年來，組合結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑及橋梁結(jié)構(gòu)中，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益［1］。鋼-混凝土組合橋面板是由帶螺釘?shù)谋′摪搴弯摻罨炷涟褰M合而成。鋼板可作為混凝土澆注的模板，在混凝土硬化后由于組合作用鋼板和鋼筋混凝土板形成很大的剛度，共同承擔(dān)自重和車輛荷載的作用，鋼板還起到支承鋼梁上翼緣的作用。這種組合橋面除保持了普通鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有少模板、加快施工速度、減少臨時(shí)支撐等優(yōu)點(diǎn)［2］。1工程實(shí)例某特大跨度懸索橋擬采用鋼-混凝土組合橋面板的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)路基寬度要求，橋面結(jié)構(gòu)橫橋向布置16道縱梁?？v梁上設(shè)置剪力釘，混凝土橋面板通過剪力釘與鋼梁相連，鋼梁縱向及橫向均設(shè)置加勁板。依據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鋼梁高660mm,腹板厚度10mm，上翼緣為380mmx12mm,下翼緣為300mmx12mm,混凝土橋面板厚度為210mm。鋼梁及加勁板采用Q345-D的鋼材，混凝土預(yù)制板采用C40混凝土，橋面鋪裝為6cm瀝青混凝土。橋面結(jié)構(gòu)布置形式見圖1、圖2。橋面板縱橋向布置為72x7.5m+5.984m+72x7.5m且為簡(jiǎn)支狀態(tài)。為計(jì)算方便取其中一塊縱向7.5m、橫向?yàn)槿珮驅(qū)挾鹊臉蛎姘暹M(jìn)行分析計(jì)算。圖11/2鋼-混凝土組合橋面板平面圖圖2鋼-混凝土組合橋面板橫斷面圖2混凝土橋面板受力分析鋼橋的鋼筋混凝土橋面板是支承于主梁或縱梁上的板結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，由于主梁或者縱梁的變形，橋面板的受力特性為彈性支承的連續(xù)板。要精確分析鋼筋混凝土橋面板的受力比較復(fù)雜，工程中通常采用一些近似的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。目前，鋼筋混凝土橋面板的設(shè)計(jì)主要有以下2種簡(jiǎn)化計(jì)算方法［3］。(1)假設(shè)鋼筋混凝土橋面板為剛性支承于主梁或縱梁上，同時(shí)利用“荷載有效分布寬度的概念”把橋面板進(jìn)一步簡(jiǎn)化為梁的計(jì)算，然后考慮主梁的約束作用對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正的方法。我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)中關(guān)于橋面板的設(shè)計(jì)計(jì)算就是采用這種方法。(2)采用經(jīng)驗(yàn)公式的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。如美國AASHTO和日本《道路橋示方書》中有關(guān)鋼筋混凝土橋面板的設(shè)計(jì)計(jì)算方法的規(guī)定就是采用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法。依據(jù)上述2種方法，設(shè)計(jì)人員可方便地對(duì)混凝土橋面板進(jìn)行受力分析或配筋設(shè)計(jì)。3鋼梁的受力分析組合梁截面分析方法有彈性理論方法和考慮截面塑性變形發(fā)展的塑性理論計(jì)算方法?！悴捎盟苄栽O(shè)計(jì)方法對(duì)組合梁的承載力進(jìn)行極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，但對(duì)承受直接動(dòng)力荷載的組合梁及其鋼梁截面受壓板件不符合塑性條件要求的組合梁，仍然采用彈性設(shè)計(jì)方法。對(duì)于該橋，鋼梁翼緣和腹板的板件寬厚比為b/t=（380-10）x0.5/12=15.42＞不符合塑性條件設(shè)計(jì)［4］。3.1模型的建立鋼-混凝土組合橋面板空間有限元模型采用大型通用有限元軟件ANSYS建立，見圖3。模型全部采用shell91殼單元，整個(gè)模型共47591個(gè)單元，147160個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型中包含了橫橋向16道工字鋼梁、縱橫向加勁板及其相關(guān)的混凝土橋面板。橋面板縱向7.5m,橫向26.65m。由于實(shí)際中通過剪力釘使鋼梁和混凝土板共同受力，模型中采用共用節(jié)點(diǎn)的方式使其達(dá)到這種效果。圖3鋼-混凝土組合橋面板空間有限元模型根據(jù)結(jié)構(gòu)不同部位的受力狀況，分析如下幾種車輛加載情況（鋼梁編號(hào)按從左至右順序）：①工況一，中間8、9號(hào)工字鋼梁受力最不利加載；②工況二，4號(hào)以及13號(hào)工字鋼梁受力最不利加載；③工況三，5號(hào)以及12號(hào)工字鋼梁受力最不利加載；④工況四，6號(hào)、11號(hào)工字鋼梁受力最不利加載。依據(jù)JTGD60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》將車輛荷載按不同工況施加到橋面板的不同位置。由于車輛荷載中后輪軸重最重，每個(gè)軸重為70kN，對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響最大。結(jié)合橋面板的縱向長度及車輛荷載的軸距要求，將車輛荷載按各個(gè)工況進(jìn)行最不利布置。車輛荷載的布置情況見圖4~7。圖4工況一，加載平面圖（單位：cm）圖5工況二，加載平面圖（單位：cm）圖6工況三，加載平面圖(單位：cm)圖7工況四，加載平面圖(單位：cm)3.2計(jì)算結(jié)果因4種工況加載情況類似，圖8、9僅示出了工況一作用下的鋼梁的計(jì)算結(jié)果，主要反映鋼梁的應(yīng)力分布及變形狀況，圖中拉應(yīng)力為正。4種工況作用下鋼梁的應(yīng)力及變形結(jié)果見表1。圖8鋼梁的豎向變形圖圖9鋼梁vonMises應(yīng)力云圖表1各工況下鋼梁計(jì)算結(jié)果匯總表工況一工況二工況三工況四撓度/mmvonMises應(yīng)力/MPa撓度/mmvonMises應(yīng)力/MPa撓度/mmvonMises應(yīng)力/MPa撓度/mmvonMises應(yīng)力/MPa7.8811827.8641827.8771827.8731824結(jié)論(1)要精確分析鋼筋混凝土橋面板的受力比較復(fù)雜，在工程中通常采用一些近似的簡(jiǎn)化計(jì)算方法對(duì)鋼筋混凝土橋面進(jìn)行受力或配筋設(shè)計(jì)。(2)鋼梁的最大位移為7.881mm，小于規(guī)范規(guī)定的計(jì)算跨徑的1/600,即7500/600=12.5mm。(3)鋼梁的最大vonMises應(yīng)力為182MPa，小于《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ025-86)規(guī)定的強(qiáng)度值，這說明鋼梁在各種不利工況下均能夠正常工作，滿足規(guī)范要求。參考文獻(xiàn)[1]黃瓊，葉梅新，韓衍群.鋼-混凝土疊合板組合橋面的徐變和應(yīng)力重分布研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006,3(3):1