双主梁钢板组合梁桥面板安装过程受力分析

双主梁钢板组合梁桥面板安装过程受力分析

作者：谢克修

来源：《砖瓦世界·下半月》2019年第06期

摘 要：钢板组合梁桥是一种较为新颖的钢混组合结构，这种结构的钢主梁为工字型钢梁，桥面板多采用预制混凝土桥面板。这种钢主梁构造简单，加工方便，吊装重量小，尤其是双主梁钢板组合梁，更是具有良好的经济性，是一种值得推广的结构形式。本文针对这种结构形式在形成组合截面前抗扭刚度较小的特点，分析了其在施工过程中的抗扭特性和偏载受力性能，可为类似结构的应用提供借鉴。

关键词：钢板组合梁桥;偏载效应;抗扭特性;结构性能

钢混组合结构能够很好的发挥钢材的抗拉性能和混凝土的抗压性能，因此在今年来了得到了充分的发展。在组合梁应用前期，我国应用较多的组合结构多为钢槽梁与混凝土桥面板组合使用。近年来随着钢结构桥梁的发展，逐步开始研究钢板组合梁，并且有了一定的工程实践[1～2]。 钢板组合梁桥按照主梁数量分为多主梁体系和双主梁体系，钢板梁应用的早期以多主梁居多。多主梁体系主要在钢板梁桥应用早期使用较多，但加工、施工、维护等较繁琐，不利于机械化施工。少主梁体系相对于多主梁，有构件数量少、焊接量小、建造成本低、易于维护等优势，逐渐成为应用的主流[3]。

按照横梁的支撑方式，可以分为支撑体系钢板组合梁桥和非支撑体系钢板组合梁桥两种形式。目前我国在双主梁钢板组合梁上的应用相对较少，无论是支撑横梁体系钢板组合梁桥还是非支撑体系钢板组合梁的实际工程和相关技术研究较少。在支撑体系钢板组合梁的结构体系下，桥面板的受力模式和性能并不明确，对支撑横梁体系桥面板的受力性能和设计方法仍是目前研究的重点[4～5]。

本文以某高速公路淮河特大桥引桥钢板组合梁为依托，该项目桥梁在设计上遵循“安全、耐久、经济、美观”的原则，以工厂化生产、标准化施工为主要建设理念与目标，将桥梁全长10.6km全部分为三跨或四跨一联为标准桥型布置，标准跨分别为30m和35m，其上部结构和下部结构均大量采用预制化的标准构件。桥梁的标准断面如图1所示，桥面总宽度为12.05m，主梁间距为6.75m，主梁高度为2.16m。

预制桥面板采用C40无收缩混凝土板，主梁间桥面板厚度为0.27m，翼缘板厚度伟0.24m。桥面板分为B型和Z型两种类型，每种类型分为4种型号。桥面板预制分块如图2所示，30m梁每跨均匀布置24块桥面板，35m每跨均匀布置28块桥面板，桥面板安装采用吊装法施工，钢板梁桥吊装到位后，吊装预制桥面板并浇筑湿接缝混凝土完成共同受力，考虑到钢板组合连续梁桥的受力特点，正弯矩区域采用普通钢筋混凝土桥面板，负弯矩区域采用PVA纤维加强混凝土桥面板。

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一、计算模型与分析工况选取

为了准确掌握桥跨结构在吊装施工、施加预制桥面板、施加使用阶段荷载等工况作用下，钢板梁及混凝土桥面板的应力分布状况及应力水平，采用大型空间有限元程序ANSYS对钢板梁、混凝土桥面板等进行数值模拟。混凝土部分采用solide45单元模拟，钢构件全部采用shell43单元模拟。

模型的主要材料参数選取如下：本桥的桥面板及支座处底横梁混凝土均采用C40混凝土，混凝土容重取26kN/m3，线膨胀系数为1.0×10-5，弹性模量为3.45×104MPa。钢板梁桥中所有的钢构件均采用Q345D钢材，钢材容重为78.5kN/m3，线膨胀系数为1.2×10-5，弹性模量为2.1×105MPa。

在组合钢板梁桥的施工过程中，桥面板是分块吊装的。由于桥面板的中心不通过工字钢梁截面的剪力中心，所以除了竖向力外，工字钢梁还会承受一定的扭矩。此时钢梁不仅会发生弯曲，而且还会绕剪切中心发生扭转。在实际的吊装施工中，如果吊装顺序选择不当，沿跨长单侧吊装桥面板，会对结构产生偏载作用。

在施工吊装的过程中，考虑到边板偏载产生的不利效应，以及边板与中板一起产生的弯扭耦合效应，三个最可能的最不利工况如下：工况1，在全跨长范围内，仅在一侧钢梁上吊装边板B1～B4;工况2，在全跨长范围内，在一侧钢梁上吊装中板Z1～Z4;工况3，在全跨长范围内，在另一根钢梁上吊装边板B1～B4和中板Z1～Z4。各工况示意如图3所示。 二、桥面板过程钢梁受力分析 （一）吊装过程的扭转变形分析

在桥面板安装过程中钢梁处于裸梁状态，钢板主梁为非闭口断面，抗扭刚度较小，因此有必要对桥面板安装过程中可能出现的偏载工况进行分析，研究在偏载状态下结构的扭转特性。在扭转变形分析过程中重点考察图4所示个点的变形情况。

在三种不同施工工况下，分别以工字梁中心点4和11为代表点，加载侧和非加载侧钢梁的位移变化情况如图5～图7所示。

由上图所示的数据，可以得出以下结论：1、在钢梁单侧加载最不利工况（工况1）的作用下，加载侧钢梁出现明显的扭转，下翼缘最大位移30mm，下翼缘两端位移相差21mm（8点位置为9mm）。非加载侧梁下翼缘最大位移为4.2mm;2、钢梁在工况2的荷载作用下，加载侧钢梁出现扭转，扭转效应比较小;3、在两片梁同时加载的作用下，两主梁也会出现扭转，扭转效应比较小;4、为了减少和避免施工过程中扭转引起比较大的变形，在桥面板吊装时，单侧吊装应避免。

（二）吊装过程的扭转变形分析

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为了保证桥面板吊装过程中的安全性，验证预制板的偏载效应对钢梁的实际影响，对如下两个桥面板吊装过程中可能的最不利工况进行实体有限元分析。

在工况1状态下，钢梁的mises应力分布情况如图8所示，可以看出两侧钢梁的应力水平有明显差异。加载侧钢梁的平均应力在50MPa左右，其中上下翼缘部分区域的最大应力达到70～80MPa。在小横梁竖向加劲肋与钢梁腹板相交处由于扭转约束会产生应力集中情况，最大达到120MPa，但集中区域很小。总的来说，钢梁在边板加载的情况下会出现不利的扭转受力情况，但处于安全范围内。

在工况2状态下，钢梁的mises应力分布情况如图9所示，可以看出钢梁整体的应力水平很小，加载侧钢梁的平均应力约为40MPa，非加载侧钢梁的平均应力约为15MPa。加载侧钢梁的应力集中于墩顶附近，最高达到90MPa左右。其中中跨的最大应力约为28MPa，边跨的最大应力约为37MPa，均处于安全范围之内。说明此时的受力情况主要为受弯，钢梁的整体抗扭能力良好。对比桥面整体搁置预制板的施工工况，其受力分析结果与单侧吊装受力情况相比很接近，从而也说明此工况下钢梁整体以受弯为主。 三、结语

针对双主梁钢板组合梁桥在桥面与钢梁连接前结构体系的扭转刚度较弱的问题，本文以某支撑体系双主梁钢板组合梁为例，分析了双主梁钢板组合梁桥在桥面板安放过程中可能出现的偏载效应，研究了在偏载状态下钢梁的扭转特性与应力分布情况。研究结果表明，在非对称安装状态下钢板梁的扭转变形效应明显，在施工过程中应尽量保持横向对称状态安放，避免出现过大的偏载效应。本文的依托项目结构设计合理，在偏载状态下钢梁的两片主梁应力偏差较大，但主梁的应力基本处于可控状态，满足施工过程安全性的要求。 参考文献：

[1]王诗青，魏民.钢板-混凝土组合梁桥主要截面参数影响分析[J].工程与建设，2019，33（1）：61-63.

[2]张大伟.中、小跨径钢板组合梁桥设计难点研究[J].城市道桥与防洪，2019，（4）：65-66，74.

[3]许大晴，郭庆超.双主梁钢板组合梁桥抗震性能分析[J].工程与建设，2018，32（6）：869-871.

[4]孙一鸣.大横梁组合钢板梁桥设计与计算研究[J].城市道桥与防洪，2018，（8）：75-79，110.

[5]时炜.钢板组合梁桥在跨线桥中的应用[J].建筑工程技术与设计，2018，（25）：2044-2045.

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