多梁式工字钢-混凝土组合梁设计要点分析_李泽霖.pdf

摘要：以 40 m 跨径的多梁式工字钢-混凝土组合梁为研究对象，利用 ANSYS 通用有限元软件建立三维数值分析模型。分析焊钉的集束式布置与均布式布置、组合梁的滑移效应及跨间横梁的设置情况等条件对结构横向分布系数、剪力滞效应、桥面板横向弯曲及成桥过程稳定等方面的影响。总结并提出建议，以期为类似结构的设计提供参考。关键词：钢-混凝土组合梁；工字钢；横向分布系数；剪力滞；桥面板横向弯曲；屈曲稳定中图分类号：U442.5文献标志码：B文章编号：1009-7716（2023）01-0091-06多梁式工字钢-混凝土组合梁设计要点分析收稿日期：2022-03-16作者简介：李泽霖（1988），男，硕士，工程师，从事桥梁设计与研究工作。李泽霖上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0230引言随着交通基建行业的迅猛发展，公路水路交通运输主要技术政策 及 交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见 等相关政策的推动，工字钢-混凝土组合梁因其较强的跨越能力的特点，大量地应用于跨越中等河流及立交路口。钢-混凝土组合结构桥梁在我国的应用实践表明，它兼有钢桥和混凝土桥的优点，具有显著的技术经济效益和社会效益，适合我国基本建设的国情，将成为桥梁结构体系的重要发展方向之一1，是实现标准化、工业化桥梁的理想结构形式。而桥梁装配化施工是实现桥梁工程工业化、产业化生产的核心。焊接工字钢梁因材料指标低，施工快速、简单，质量易控等优点切合桥梁工程的装配化理念，故研究工字钢-混凝土组合梁的受力性能、对比不同构造的影响有利于为后续的设计工作提供一定参考。1工程概况现以 40 m 跨径的多梁式工字钢-混凝土组合梁为研究对象，结构总体布置如图 1 所示。单幅桥面宽度 16.5m，C55 混凝土桥面板，桥面板厚度 250 mm，混凝土桥面板与钢梁之间通过焊钉连接，焊钉采用22200 圆柱头焊钉，焊钉顺桥向分别采用集束式与均布式进行对比，焊钉布置形式如图 2 所示，焊钉顺桥向设置 142 排，每排 4 列，列间距 125 mm。主纵梁为 Q345 工字钢梁，横向共布置 4 片，梁间距4 125 mm。主纵梁所采用的工字梁上翼缘宽 600 mm，板厚 28 mm，下翼缘宽 700 mm，板厚 45 mm，钢梁梁高 1 900 mm，腹板厚度 20 mm。端部设端横梁，端横梁上翼缘宽 1 060 mm，板厚 28 mm，下翼缘宽 300 mm，板厚 20 mm，端横梁梁高 1 500 mm，腹板厚度 16 mm，端横梁上翼缘采用焊钉与混凝土桥面板连接。跨间纵向设置七组横向联系梁，横向联系间距 5 m，采用小横梁形式，与桥面板间设置 300 mm 间隙，小横梁为工字形截面，上下翼缘板宽度 300 mm，翼缘厚度 15 mm，梁高 700 mm，腹板厚度 10 mm。2数值模型以通用有限元软件 ANSYS 为平台，将研究对象抽象为实体单元与板壳单元组合的三维有限元分析模型进行研究。为研究组合梁滑移效应及焊钉布置形式对结构的影响，共建立三种对比模型。其中，模型一混凝土桥面板采用 SOLID65 单元模拟，钢梁采用URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月图 2焊钉布置示意图图 1多梁式工字钢-混凝土组合梁总体布置图示桥梁结构91SHELL181 单元模拟，混凝土与钢梁间不考虑滑移，两种类型的单元在交界面处节点相互耦合；模型二混凝土桥面板与钢梁模拟同上，混凝土与钢梁间考虑滑移，分别以三个方向的 COMBIN14 弹簧单元为一组模拟焊钉的力学性能，其中焊钉的水平刚度为：kss=13.0dssEcfck（1）式中：dss为焊钉直径；Ec为混凝土弹性模量；fck为混凝土抗压强度标准值2。焊钉的布置形式如前文所述的集束式布置。模型三在模型二的基础上，调整焊钉的布置形式如前文所述的均布式布置。在划分混凝土桥面单元时，为合理地反映其力学状态，将其在厚度方向上划分为 4层单元3。以模型二为例，其数值分析模型如图 3 所示，材料的力学性能指标如表 1 所列。3横向分布系数虽然近年随着计算机辅助设计能力的提升，工程项目中更多地开始采用空间结构分析，但由于横向分布的概念将结构空间问题转化为平面问题，理论概念清晰，有效地简化了结构计算，仍多用于结构匡算及成果校核。分析多梁式混凝土桥内力的常用的计算方法有杠杆法、刚接板（梁）法、G-M 法、偏心压力法及修正偏心压力法等4。对于多梁式钢-混凝土组合梁，其横向分布特点既有与多梁式混凝土桥的相似之处，又由于因其横向联系的形式及焊钉的滑移影响而具有特殊性。荷载横向分布影响线采用横向移动集中荷载逐梁加载，获取各梁位于跨中处的竖向位移，根据下式计算影响线竖标值。ij=fijni，j=1fij（2）式中：ij代表荷载作用于 j#梁时对应 i#梁的影响线竖标；fij代表移动荷载作用于 j#梁引起的 i#梁的竖向位移。为便于对比不同条件下的各数值模型，对边梁、中梁分别绘制了在七组跨间横梁及无跨间横梁两种构造类型下的影响线，如图 4、图 5 所示。由图 4、图 5 可知，常规剪力件布置条件下，组合梁的滑移效应对荷载的横向分布有一定的影响，但影响相对较小，对于采用横向分布的简化计算可以忽略；不同的焊钉布置形式，即集束式与均布式布置对荷载的横向分布影响较小；对于少横梁或无横梁的工字钢-混凝土组合梁其横向分布形式与刚接板（梁）法拟合得较好，随着跨间横梁的增加，其横向分布形式趋向于修正偏心压力法。4剪力滞效应分析因初等梁理论的平截面假定条件，在采用梁模型计算截面应力时，同一纤维高度处的应力值相同。但由于剪力流作用的存在，往往腹板边缘处的翼板应力与梁间翼板的应力不同，当靠近腹板的翼板弯曲应力大于远离腹板的翼板的弯曲应力时，称为正剪力滞，反之为负剪力滞。工字钢-混凝土组合梁主纵梁间距相较装配式混凝土梁，主梁间距更大，其应李泽霖：多梁式工字钢-混凝土组合梁设计要点分析表 1材料力学性能表图 3数值分析模型材料容重/（kgm-3）弹性模量/MPa泊松比热膨胀系数/（1/）混凝土 C552 8003.551040.21.010-5钢材 Q3457 8502.061050.311.210-5图 4边梁影响线曲线图2023 年第 1 期92图 6跨中处混凝土纵向应力曲线图（单位：MPa）（b）下缘（a）上缘力不均分布的情况将会更为突出。通常采用剪力滞系数 5来解析剪力滞效应的影响。=考虑剪力滞效应的翼板正应力初等梁理论的翼板正应力为分析不同荷载类型产生的剪力滞效应，在前节所述的模型基础上，分别研究各梁位 200 kN/m 均布线荷载和各梁位跨中 70 kN 集中轮载两种工况下的剪力滞效应分布形式（见表 2、表 3 所列及图 6图 8 所示）。由表 2、表 3 及图 6 图 8 分析可知，在均布线荷载与集中荷载作用下结构存在剪力滞效应，对于均布线荷载剪力滞效应于梁端部表现明显，对于集中荷载剪力滞效应取决于荷载作用位置，近荷载作用处剪力滞效应明显。考虑常规工程焊钉的布置的数量及刚度，组合梁的滑移效应对剪力滞有微弱影响，可简化不计。焊钉布置形式对桥面板顺桥向正应力的整体分布趋势影响较小，但由于集束式焊钉相较于均布式焊钉顺桥向刚度局部突变，因而对局部剪力滞系数分布存在较大影响。5桥面板横向弯曲对少横梁或小横梁的工字钢-混凝土组合梁，主纵梁范围内的混凝土桥面板顺桥向支撑跨径远大于 2.5 倍的横桥向支撑跨径，因此一般可按单向板设李泽霖：多梁式工字钢-混凝土组合梁设计要点分析图 5中梁影响线曲线图表 2混凝土顶板上缘纵向应力表单位：MPa注：A 模型为实体-壳模型（钢-混凝土间无滑移），B 模型为实体-壳模型（集束式焊钉），C 模型为实体-壳模型（均布式焊钉）。表 3混凝土顶板上缘剪力滞系数表类型工况一：均布线荷载工况二：集中荷载ABC类型工况一：均布线荷载工况二：集中荷载跨中0.2L0.075L跨中0.2L0.075LA1.011.081.081.781.001.03B1.021.011.081.281.051.18C1.001.031.081.511.011.052023 年第 1 期93图 70.2L 处混凝土纵向应力曲线图（单位：MPa）图 80.075L 处混凝土纵向应力曲线图（单位：MPa）（a）上缘（b）下缘计，对于混凝土板的端自由边，实际为三边支撑板，可按端边嵌固的悬臂板考虑。为探究在轮载作用下横梁的设置情况及桥面焊钉布置形式对桥面板横向受力性能的影响，于跨中处及悬臂端 0.8 m 处对三组模型各加载 70 kN 的单车轮荷载，对照所用的横梁设置于加载点位平面投影下方。桥面板各工况下横向应力状态如图 9 图 11 所示。验算截面处横向应力所积分内力见表 4 所列。由图 9 图 11 及表 4 分析可知，跨间横梁的设置对跨中桥面板上缘峰值应力影响较小，对其他位置处的峰值应力有较弱的影响。焊钉的布置形式对跨中处桥面板上下缘峰值应力无影响，对承托处桥面板，均布式焊钉的峰值应力绝对值高于集束式。跨间横梁的设置可减少跨中加载工况下桥面板跨中位置及承托位置的横向弯距。桥面板悬臂端加载时，外承托处桥面板横向弯矩与 公预规 设计值一致；跨中加载时，内承托处桥面板横向弯矩小于 公预规设计值，采用 公预规 验算偏安全，对于跨中桥面板横向弯矩大于 公预规 设计值，采用 公预规 验算存在风险。6成桥过程稳定性分析稳定问题是钢结构不容忽视的设计要素，对于李泽霖：多梁式工字钢-混凝土组合梁设计要点分析（b）下缘（a）上缘图 9跨中处单车轮荷载跨中位置曲线图（单位：MPa）2023 年第 1 期94（a）仅端横梁，=1.511（b）一道中横梁，=2.423（c）三道中横梁，=4.528（d）七道中横梁，=4.533（a）三道中横梁H=650=4.528工字钢-混凝土组合梁，因成桥后混凝土翼缘板的约束作用一般不会发生钢梁整体失稳问题，但以钢梁为施工支架，架设或浇筑混凝土桥面板时，钢梁的整体稳定性能不能忽视，尤其对工字钢梁，其面外稳定性能更应予以重视。本节将桥面板自重等效为每片纵梁顶面的面荷载加载于前节所述的钢结构模型上翼缘。采用弹性稳定方法分析不同横向联系布置情况对钢梁稳定性的影响（见图 12 图 14 所示）。李泽霖：多梁式工字钢-混凝土组合梁设计要点分析图 10跨中处单车轮荷载承托位置曲线图（单位：MPa）图 11悬臂端 0.8 m 处单车轮荷载承托位置曲线图（单位：MPa）表 4混凝土横向弯矩表单位：kNm注：验算位置承托指横向最外排焊钉对应位置。类别加载位置验算位置设置跨间横梁情况设置未设置集群式焊钉跨中加载跨中66.4672.76承托2.918.53悬臂加载承托75.2575.25均布式焊钉跨中加载跨中64.3770.82承托0.836.67悬臂加载承托75.2575.25公预规6跨中加载跨中0.7 M0=45.94承托0.7 M0=45.94悬臂加载承托75.25图 12跨间横梁数量对稳定的影响图示（b）三道中横梁H=950=4.530（c）三道中横梁H=1250=4.524（d）一道中横梁H=650=2.423（e）一道中横梁H=950=2.420（f）一道中横梁H=1250=2.419图 13跨间横梁位置对稳定的影响图示2023 年第 1 期95图 14跨间横梁刚度对稳定的影响图示（a）三道中横梁横梁=4.528（b）三道中横梁横梁=4.499（c）三道中横梁横梁=3.374由图 12 分析可知，增设横梁的道数，可有效地提高工字钢梁的稳定性能，钢梁的失稳模态由整体的面外弯扭失稳模态转变为腹板的局部失稳模态。对腹板局部失稳的结构，增设横梁不再提高稳定系数。在图 13 中，为横梁中心距主纵梁顶面距离，由分析可知，对腹板局部失稳的结构，横梁位于纵梁中心轴附近，稳定性能最好；对面外弯扭失稳的结构，横梁位于纵梁受压部，稳定性能最好，但横梁沿纵梁