某高速公路25 m 跨钢板组合梁设计与数值模拟研究

黄宇辰

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

桥梁往往是交通体系中的控制性结构物，也是高速公路勘察设计中的重中之重。在新的时代背景下，高速公路在满足承载能力、正常使用的同时，对耐久性和品质化要求越来越高。就路基、路面和隧道等构造物而言，桥梁作为实体工程，沿线占比较大，是打造工业化、智能化的关键。目前的桥梁建造中，混凝土桥仍然占据较大比例，不利于高速公路绿色转型升级。混凝土桥自重大、施工现场质量不易控制、预应力压浆工艺复杂，已经不能满足高速公路降耗增效、绿色环保的需要。为此，钢桥尤其是受力更优的钢混组合梁桥在工业化建造中脱颖而出，是实现桥梁结构轻质高强、缩短工期、减少砂石料自然资源浪费的不二之选[1-4]。钢混组合梁中，钢板梁受力明确、用钢量较省，在实际工程中应用较多。在高速公路桥梁建设中，受墩高限制，桥型基本以20 m 至40 m 跨径为主，因此研究中等跨径的钢板组合梁具有重要意义。本文结合实际工程案例，阐述了25 m跨径的钢板组合梁结构设计情况，并对受力情况进行有限元数值模拟分析，以确定较为合理的结构尺寸。

1 工程概况

某高速公路位于平原微丘路段，路线长度约30 km 内的桥梁高度均不超过30 m。桥梁设计主要技术标准如下：（1）桥面总宽17.1 m；（2）设计安全等级一级；（3）设计荷载为公路-I 级；（4）设计行车速度100 km/h；（4）左右幅按双向6 车道设计，考虑应急车道，单幅按4 车道进行加载；（5）地震动峰值加速度为0.05g。经结构跨度比选后，拟采用25 m 跨径钢板组合梁上部结构方案，下部结构采用常规混凝土柱式墩方案。参考交通部钢板组合梁通用图结构设计情况，按6 片钢板梁设计，钢梁高度为1350 mm；混凝土桥面板为预制形式，板厚为250 mm，钢梁与预制板之间设置厚50 mm 橡胶密封条。25 m 跨径钢板组合梁标准横断面图见图1。

图1 25 m 跨径钢板组合梁标准横断面图（单位：mm）

钢板梁结构形式均为结构简支桥面连续形式，每跨横隔板共设置5 道，其中端横隔板高度为1100 mm，中横隔板高度为900 mm，横隔板上翼缘均与钢板梁上翼缘齐平，以保证钢结构作为预制板现浇连接缝底模的可靠性。钢板梁上翼缘和下翼缘厚度分别为22 mm 和24 mm，宽度分别为600 mm 和700 mm，腹板厚度为14 mm，翼缘与腹板采用焊接形式。桥面铺装设置防水层和厚100 mm 的沥青混凝土形式，横隔板与钢板梁竖向加劲肋采用螺栓连接。上部结构钢板均采用Q345qD，弹性模量取205 GPa，泊松比取0.31，自重计算时考虑1.06 倍的螺栓及焊缝重量。预制板采用C50 钢筋混凝土，弹性模量34500 MPa，泊松比为0.2，因桥面板配筋率较高，混凝土自重计算时容重按26.5 kN/m3考虑。护栏采用SS 级防撞护栏，单侧线荷载集度取12.0 kN/m。钢板组合梁关键施工工序为：现场吊装钢板梁、铺装预制板、浇筑预制板间湿接缝、完成桥面系施工。

2 有限元模型与结构基频

2.1 有限元模型

基于Abaqus 有限元数值模拟软件，将钢板和混凝土分别离散化，其中钢板梁及横隔板部分采用S4R 壳单元；预制板厚度较大，采用C3D8R 实体单元；不计钢与混凝土2 种材料之间的滑移作用，壳单元与实体单元之间采用节点耦合约束连接。由于模型较大，在保证计算精度的同时，将网格尺寸适当放大，网格大小控制在200 mm 以内，所建立的壳实体耦合有限元数值模型见图2。

图2 壳实体耦合有限元数值模型

钢板梁主梁分布示意图见图3。

图3 钢板梁主梁分布示意图

在支座位置处分别设置节点，将节点与支座面进行耦合约束，通过对节点进行约束以完成整个模型的约束。有限元模型约束情况为：对小桩号侧3 号主梁X、Y、Z 方向线位移进行约束，对小桩号侧1 和2、4～6 号主梁Y、Z 方向线位移进行约束；对大桩号侧3 号主梁X、Y 方向线位移进行约束，对大桩号侧1 和2、4～6 号主梁Y 方向线位移进行约束。

2.2 结构基频

结构基频计算是得到活载冲击系数的基础，同时通过基频下的振型分析可以判断有限元模型的正确性。此处，将模型自重转化为质量，自重加速度取9.8 m/s2，得到结构1 阶振型图见图4。

图4 结构1 阶阵型图

经计算，结构基频为4.9 Hz，根据《公路桥梁设计通用规范》（JTG D60—2015），活载冲击系数为0.1767ln4.9-0.0157=0.27。另外通过阵型图可以发现，模型未见异常脱空，钢结构与预制板之间未发生明显滑移，所建立的有限元数值模型较为可靠。

3 数值模拟结果分析

3.1 施工阶段结构应力

钢板梁架设完成后，预制板混凝土未与钢板梁形成联合截面时，钢板梁受力较为不利，此时结构应力如图5 所示。由图5 可见，最大Mises 应力为95.8 MPa，位于中梁跨中下翼缘处，应力水平较小，混凝土未与钢板梁形成联合截面前不会出现承载能力不足的问题。

图5 钢梁架设后，未形成联合截面前的结构应力（单位：MP a）

为进一步分析施工过程中结构恒载的影响，取桥面系施工完成后为关注施工阶段，并取恒载系数为1.2 倍，以便于后续基本组合分析。计算得到桥面系施工完成后结构恒载作用下的钢板梁正应力，如图6 所示。

图6 桥面系施工完成后恒载正应力（单位：MP a）

在结构自重及二期恒载作用下，钢板梁下翼缘最大拉应力为125.0 MPa。整体而言，施工阶段应力水平较小，施工阶段不控制钢板组合梁的设计。后续主要针对成桥状态下的中载、偏载2 种情形进行钢板梁应力分析。

3.2 中载作用下的结构应力

考虑冲击系数的影响，按照1.2 倍恒载+1.4 倍活载进行荷载的基本组合，将车道荷载按照车道中心线的位置进行加载，计算得到钢板梁在恒载与中载基本组合下的正应力，见图7。中载作用下，最大拉应力由125.0 MPa 提高至184.3 MPa，位于3 号主梁跨中下翼缘位置，小于《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）限值（270 MPa），Mises 应力最大值与最大拉应力基本相当。与混凝土结构相比，以上计算结果进一步表明钢板组合梁活载占比明显较大，结构自重较轻。

图7 钢板梁在恒载与中载基本组合下的正应力（单位：MP a）

3.3 偏载作用下的结构应力

目前高速公路建设呈现高设计标准、宽断面的特点，对于桥梁结构而言，特别是活载占比较大的钢结构，活载偏载分析是结构计算的重要内容。为进一步分析钢板组合梁活载偏载对结构应力的影响，按照规范对车道进行最不利偏载布置，可得到钢板梁在恒载与偏载基本组合下的正应力，见图8。

图8 钢板梁在恒载与偏载基本组合下的正应力（单位：MP a）

计算结果表明：活载偏载后，钢板梁最大拉应力位置由3 号主梁迁移至1 号主梁，最大拉应力数值由184.3 MPa 增加至202.1 MPa，小于《公路钢结构桥梁设计规范》限值（270 MPa）。活载偏载相对中载而言，钢板梁最不利应力增加了17.8 MPa，因此桥梁设计时应充分考虑偏载的影响。

通过计算分析可知，横隔板在中载和偏载作用下的结构应力基本相当。提取端横隔板和中横隔板Mises 应力（见图9），可见最大Mises 应力为52.3 MPa。钢板梁与横隔板组成格子梁后，横隔板主要作为横向传力构件，将荷载传递给钢板梁，横隔板支承于钢板梁上，本身跨度较小，高跨比较大，因此应力水平较低。就钢板梁这类格子梁而言，横隔板设计具有一定优化空间。

图9 横隔板Mis e s 应力（单位：MP a）

4 结语

（1）钢板组合梁施工阶段结构应力水平较小，承载能力富裕度较大。

（2）钢板组合梁自重较轻，活载占比较大，成桥状态下的偏载工况控制结构设计。在本文所选取的结构参数下，钢板梁基本组合最大拉应力为202.1 MPa，应力指标满足规范要求。

（3）相对于钢板组合梁主梁而言，横隔板应力水平较低，建议结合具体计算结果对横隔板尺寸进行优化设计。