斜拉桥PK断面钢混组合梁混凝土桥面板受力性能分析

张铁虎, 张　云

(1. 西安公路研究院, 陕西 西安　710065; 2. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安　710075)



斜拉桥PK断面钢混组合梁混凝土桥面板受力性能分析

张铁虎1, 张云2

(1. 西安公路研究院, 陕西 西安710065; 2. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安710075)

针对选择PK断面组合梁时,必须面对阻碍其在斜拉桥中大量应用的主要因素----混凝土桥面板开裂问题,通过工程实例,运用ANSYS软件仿真模拟,分析了PK断面组合梁中桥面板的应力大小及分布特点.认为PK断面组合梁混凝土桥面板横向受力,可通过配置适当横向受力钢筋以满足抗裂要求.

PK断面; 钢混组合梁; 桥面板; 受力性能

PK断面因在美国Pasco-Kennewick桥上的成功应用而得名.这种采用双三角形边箱形式的主梁横向刚度大、抗风性能好,在风速较大的区域、宽度较大的主梁中应用较多[1].而钢混组合梁是在钢主梁上用预制混凝土桥面板代替常用的正交异性钢桥面板,桥面板通过剪力钉与钢梁结合[2].用混凝土板比钢板能够更好地承受斜拉桥的轴向压力[3],发挥材料优势,不存在压屈问题.同时,在混凝土板上做桥面铺装远比在钢桥面上容易、简单,技术成熟,且后期温度变形小,更稳定[4].混凝土桥面板厚度较大,刚度较大,因而可适当减小梁高.PK断面钢混组合梁同时兼容了PK断面和钢混组合梁的优点,在风速较大的区域、宽度较大的桥梁中应用前景巨大.目前国内外建成的组合梁斜拉桥中大多采用了钢梁格体系与混凝土桥面板组合的形式[5].不可回避的是PK断面钢混组合梁也存在着同其他类型钢混组合梁同样的问题,即混凝土桥面板的开裂问题.本文通过对一实桥中的PK断面钢混组合梁建立ANSYS分析模型,来分析PK断面钢混组合梁中混凝土桥面板的应力大小及分布特点.

1　工程概况

某斜拉桥跨径为(218+535+218)=971 m,主梁采用抗风性能好、造型美观的PK式流线形扁平钢混结合梁,除索塔处主梁外,两侧均设置风嘴.两幅梁全宽56.49 m(含风嘴),单幅梁含风嘴宽27.41 m、不含风嘴顶板宽23.85 m,梁高3.5 m(单幅箱梁中心线处),其中钢梁中心线处梁高3.1 m.

全桥顺桥向钢梁顶板厚均为24 mm,中腹板上翼缘宽为800 mm,边腹板上翼缘宽为600 mm,横隔板上翼缘厚为24 mm,顺桥向宽度为600 mm.底板包括PK箱内平底板、斜底板以及PK箱外横隔板下翼缘三部分,平底板在标准梁段采用16 mm,斜底板采用16 mm,箱外横隔板下翼缘厚20 mm.内外侧边腹板厚20 mm,中腹板板厚均为16 mm.

中跨和辅助跨横隔板标准间距3.5 m,边跨标准间距3.3 m,非拉索处横隔板厚10 mm,拉索处横隔板厚12 mm,支座处横隔板20 mm.

混凝土桥面板按照梁段制作,在钢梁节段上放置预制板,直接在钢梁上浇筑现浇缝,形成钢混组合梁节段[6].桥面板全宽20.918 m,标准厚度28 cm,在箱梁纵腹板及横隔板上翼缘处加厚至40 cm,单幅梁横桥向设三块预制板.桥面板主要通过钢梁顶板上的剪力钉与钢梁结合.

2　仿真模拟分析

2.1组合梁桥面板横向分析

(1) 计算模型.取5个斜拉索间的梁段(共52.5 m长)进行分析.采用ANSYS程序计算,钢梁及横隔板采用shell63单元模拟,混凝土顶板采用solid45单元模拟,斜拉索采用link8单元模拟,其中斜拉索的实常数根据拉索实际刚度换算[7].

边界条件:斜拉索上端均约束三向线位移;斜拉索吊点位置横向仅约束一侧的横向线位移,纵向仅约束一排纵向线位移[8].具体边界及ANSYS模型如图1所示.

图1　ANSYS模型Fig.1　ANSYS model

(2) 计算载荷及组合

① 一期和二期恒载.

自重按钢材7 850 kg/m3,混凝土2 500 kg/m3程序自动考虑,二期恒载取59.7 kN/m,按均布的面载荷施加在混凝土桥面板上,取3 291 Pa.

② 车辆载荷.

A. 载荷

局部车轮载荷采用《公路桥涵设计通用规范》(JTJ D60—2004)中的车辆载荷,同时参考2015规范中汽-超20级的纵向排列,纵向选取200 kN+550 kN+200 kN的车辆载荷.车辆载荷主要技术指标参考规范表4.3.1-2[9].车辆载荷按着地面积以面载荷形式加载,其中着地面积考虑10 cm铺装层的扩散作用.

B. 布载方式

纵向:重车后轴中心作用于两吊点中央;

横向:五辆车居中布载.

纵、横向加载布置图如图2～图4所示.

③ 温度载荷.混凝土板降温15 ℃.

图2　纵向加载布载形式(d m)Fig.2　Load form in the longitudinal direction(d m)

图3　横向加载布载形式(d m)Fig.3　Load form in the transverse direction(d m)

图4　ANSYS加载模型Fig.4　ANSYS loading model

④ 收缩徐变.收缩徐变的影响按照降温20 ℃考虑,同时对混凝土弹模进行折减,取0.5Ec[10].

⑤ 作用组合.组合1:恒载+车辆载荷+混凝土板降温15 ℃;组合2:收缩徐变.

(3) 有限元分析结果.

① 组合1:

恒载+车辆载荷+混凝土板降温15 ℃,叠合梁各构件在组合1下应力结果见表1,应力云图见图5～图8(限于篇幅论文仅提供混凝土板应力云图).

表1　组合1下叠合梁局部应力表

图5　组合1下桥面板顶面横桥向正应力云图(MPa)Fig.5　Stress nephogram of transverse normal stress at the top of the deck under Cross 1(Unit:MPa)

图6　组合1下桥面板顶面横桥向正应力小于1 MPa区域Fig.6　The area where transverse normal stress at the top of the deck is less than 1 MPa under Cross 1

图7　组合1下桥面板底面横桥向正应力云图(MPa)Fig.7　Stress nephogram transverse normal stress at the bottom of the deck under Cross 1 (Unit:MPa)

图8　组合1下桥面板底面横桥向正应力 小于1 MPa区域Fig.8　The area where transverse normal stress at the bottom of the deck is less than 1 MPa under Cross 1

从图5～图8中可以看出,在组合1作用下,桥面板顶面绝大部分区域均处于压应力区,且大部分区域压应力在-3.4～-0.5 MPa范围内;仅在斜拉索吊点附近的局部区域出现拉应力,这是由于边界模拟简化造成的,而最大拉应力在0.5 MPa以内.桥面板底面除了钢混接触面拉应力较大外,其余位置拉应力在1 MPa以内.

② 组合2:收缩徐变

叠合梁各构件在组合2下应力结果见表2,应力云图见图9～图12(限于篇幅论文仅提供混凝土板应力云图).

图9　组合2下桥面板顶面横桥向正应力云图(MPa)Fig.9　Stress nephogram of transverse normal stress at the top of the deck under Cross 2(Unit:MPa) 表2　组合2下叠合梁局部应力表 Table 2　Local stress of composite beams under Cross 2

构件位置横向正应力SX/MPa备 注钢梁上翼缘-38.3/-4.6最大压应力出现在中间顶板与横隔板相交处底板 -5.5/8.4—横隔板-35.9/17.7最大压应力出现在横隔板上缘,最大拉应力出现在横隔板跨中下缘混凝土板-1.0/4.1除钢混结合面拉应力较大,其余位置拉应力小于1MPa

图10　组合2下桥面板顶面横桥向正应力小于1 MPa区Fig.10　The area where transverse normal stress at the top of the deck is less than 1 MPa under Cross 2

图11　组合2下桥面板底面横桥向正应力云图(MPa)Fig.11　Stress nephogram　transverse normal stress at the bottom of the deck under Cross 2(Unit:MPa)

图12　组合2下桥面板底面横桥向正应力 小于1 MPa区域Fig.12　The area where transverse normal stress at the bottom of the deck is less than 1 MPa under Cross 2

从图11～图12中可以看出,在组合2作用下,桥面板全截面受拉,其中顶面的拉应力在0.3～1 MPa范围内.桥面板底板除了钢混接触面拉应力较大外,其余位置拉应力在1 MPa以内.

③ 组合1+组合2.综合组合1和组合2的结果可知,当考虑“恒载+车辆载荷+桥面板降温15 ℃+收缩徐变”组合时,混凝土桥面板横向受力基本处于顶面受压、底面受拉状态,底面除钢混结合面拉应力偏大外,其余位置拉应力在2 MPa以内.则在设计阶段桥面板未配置横向预应力钢束,可通过配置适当横向受力钢筋以满足抗裂要求.

2.2叠合梁桥面板纵向第二体系分析

(1) 计算模型.模型模拟同上横向计算.

约束条件:斜拉索上端均约束三向线位移;中纵隔板底部节点一侧约束竖向线位移和横向线位移,一侧仅约束竖向位移,端部约束纵向位移.具体边界及ANSYS模型如图13所示.

图13　ANSYS模型Fig.13　ANSYS model

(2) 计算载荷及组合.

①一期和二期恒载.同横向分析.

②车辆载荷.载荷及布载方式同横向分析.

③作用组合.恒载+车辆载荷.

(3) 有限元分析结果.在恒载+车辆载荷组合下组合梁桥面板第二体系应力云图见14～图15.

从图14～图15可知,在恒载+车辆载荷作用下,桥面板顶面第二体系最大压应力为-1.03 MPa,出现在重轴作用处的桥面板中部,最大拉应力在0.5 MPa左右.桥面板底面第二体系最大拉应力为1.01 MPa,出现在重轴作用处的桥面板中部.满足规范的要求,安全度适中.

图14　恒载+汽车作用下桥面板顶面 纵桥向正应力云图(MPa)Fig.14　Stress nephogram of longitudinal normal stress at the top of the deck under the dead load and the vehicles loading(Unit:MPa)

图15　恒载+汽车作用下桥面板底面 纵桥向正应力云图(MPa)Fig.15　Stress nephogram of longitudinal normal stress at the bottom of the deck under the dead load and the vehicles loading(Unit:MPa)

3　结　　论

采用ANSYS有限元软件建立PK断面组合梁段模型,通过仿真模拟分析得出如下结论:

(1) PK断面组合梁混凝土桥面板横向受力基本处于顶面受压、底面受拉状态,底面除钢混结合面拉应力偏大外,其余位置拉应力在2 MPa以内,可通过配置适当横向受力钢筋以满足抗裂要求.

(2) PK断面组合梁混凝土桥面板顶面纵向第二体系最大压应力为-1.03 MPa,出现在重轴作用处的桥面板中部,最大拉应力在0.5 MPa左右.桥面板底面第二体系最大拉应力为1.01 MPa,出现在重轴作用处的桥面板中部,最大拉应力满足规范要求.

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【责任编辑: 祝颖】

Stress Performance of PK Section Steel-Concrete Compositing Girder’s Concrete Bridge Deck of Cable Stayed Bridge

ZhangTiehu1,ZhangYun2

(1. Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710065, China; 2. The First Highway Survey and Design Research Institute Co.,Ltd., Xi’an 710075, China)

For choosing PK section of composite beams, the problem of concrete bridge deck crack is the main factors in impeding PK section widely used in the cable-stayed bridge. Through project example, the stress magnitude and its distribution characteristics of deck slab in PK section of composite beams are analyzed by using ANSYS simulation software. The result realizes that PK section of composite beams show characteristics by applying a transverse force, transverse reinforcement can be configured properly to meet the requirement of crack resistance.

PK section; steel-concrete composite beams; concrete bridge deck; stress performance

2016-05-03

张铁虎(1983-),男,陕西西安人,西安公路研究院工程师.

2095-5456(2016)04-0331-06

U 441.05

A