王思伟,陈双庆
(1.湖南中大设计院有限公司，长沙 410075)
(2.湖南文理学院 土木建筑学院，常德 415000)
随着我国城市化进程快速推进，桥梁工程建设进一步扩大，相关部委发布意见指出，中等跨径的桥梁推荐采用标准化程度高的钢混组合梁桥.钢混组合梁桥将逐渐成为我国新建桥梁的重要组成部分，目前我国铁路、公路和其它制式桥梁也都开始对钢混组合梁桥进行推广应用[1].为了让钢混组合梁桥得到更好地应用与推广，国内外学者针对组合梁桥结构形式、连接件等进行了分析与优化[2-5].
钢板组合梁桥是钢混组合梁桥主要结构型式之一，在中小跨度桥梁中应用最为广泛.其主要优点是结构受力传递明确、易于加工和施工、结构用料较省等.钢板组合梁在荷载作用下发生空间变形，分析其荷载横向分布情况是研究横向受力性能分析的关键.文献[6]以双工字钢组合梁桥为研究对象，采用有限元法研究了钢主梁高度、桥面宽度、钢板尺寸等对荷载横向分布的影响规律，并基于横向分布系数的分析结果对桥梁受力情况进行对比.文献[7]针对桥宽14 m的钢板组合简支梁桥，采用有限元方法和多种横向分布系数数值分析方法，研究了宽跨比、主梁数、主梁高度等对组合梁桥横向分布的影响，对比分析了各种计算方法对不同结构参数桥梁的适用性，并拟合简化计算公式，可用于桥梁设计优化和性能改善.
多片式钢板组合梁桥具有结构高度低、景观效果好等优势，可较好地达到预制化、装配化等桥梁建造目标，特别适用于城市立交桥、跨线桥等[8].为解决组合连续梁桥负弯矩区裂缝控制的问题，一些桥梁开始应用新型连接件，如抗拔不抗剪栓钉，其在传统栓钉的外部添加低弹模材料，使得栓钉可在纵向变形，同时具有抗掀起作用，抗拔不抗剪栓钉可减少钢梁与混凝土板之间的组合作用，显著减小混凝土板受到的拉力作用，达到控制负弯矩区裂缝的目的[9-11].但抗拔不抗剪栓钉对组合连续梁桥的横向分布系数的影响规律尚不明确.此外，当应用抗拔不抗剪栓钉后，横梁的设置形式是否对桥梁正、负弯矩区的荷载横向分布有显著影响值得探讨.
为研究抗拔不抗剪栓钉和横梁设置情况对多片式组合连续梁桥受力情况的影响，文中以某城市快速路高架桥(30+45+30)m钢板组合连续梁桥为研究对象，采用有限元方法，选取荷载横向分布系数作为横向受力指标，分析了影响线竖标值，针对连续梁桥的边跨和中跨部分，开展了不同栓钉形式和横梁形式对其近支点和跨中位置的荷载横向分布影响，对比采用了2种栓钉(抗拔不抗剪栓钉、普通栓钉)和3种横梁设置形式(满布横梁、间断设置横梁、不设置横梁).
以某城市快速路高架桥钢板组合连续梁桥为研究对象，该桥的孔跨布置为(30+45+30)m，桥梁在支点处设有支点横梁，支点横梁为工字型钢，梁高800 mm，翼缘板宽400 mm、厚18 mm，腹板厚14 mm.中横梁为工字钢，梁高400 mm，翼缘板宽200 mm、厚10 mm，腹板厚12 mm.边跨和中跨分别设有4道和7道中横梁，标准横梁间距为6 m，中跨跨中位置的3道横梁间距加密至4.5 m，如图1(a).
组合梁横向布设8片工字型钢主梁，钢主梁梁高1 700 mm，腹板厚度16 mm，翼缘板宽度784 mm，上翼缘板有16 mm和40 mm两种板厚形式，下翼缘板有18 mm、28 mm和40 mm 3种板厚形式；
混凝土桥面板采用C50混凝土，板厚300 mm，钢结构均采用Q345qD钢材.钢主梁横向间距3 m，车道布置形式为双向六车道，桥梁全宽24 m，如图1(b).
图1 钢板组合连续梁桥布置(单位：mm)
为探讨钢板组合连续梁桥典型构造形式对荷载横向分布的影响，文中针对不同负弯矩区栓钉类型以及不同横梁设置形式，分析研究了荷载横向分布的影响规律，具体工况如表1.普通栓钉和抗拔不抗剪栓钉均采用分布式布置，栓钉长度均为170 mm，横向间距均为100 mm，两者沿跨向间距分别为150 mm和200 mm，桥梁正弯矩区采用普通栓钉.间断横梁指横梁在横向间隔设置，即在图1中的1#～2#梁和3#～4#梁间设置横梁，而在2#～3#梁之间不设置横梁，横断面以桥梁中心线对称设置.
表1 工况列表
按照上节所述结构参数，采用有限元软件Midas Civil，约束根据实际工程支座布置施加，建立桥梁三维空间精细化有限元模型，节点数40 837个，单元数46 116个，模型如图2.模型中横向分布的工字钢主梁下方均设有支座，共8排，支座在顺桥向则设置于各跨端部，共4排，共计32个支座.所有支座均约束竖向，横桥向中间两排支座约束横向，顺桥向第二排支座约束径向.
图2 连续梁桥有限元模型
选取桥梁的近支点断面和跨中断面2种典型横断面，将1 kN集中力以节点力的方式依次施加在相应横断面的节点上，通过分析，获得荷载作用于断面不同位置时各主梁的竖向位移.通过式(1)计算影响线竖标值:
(1)
式中：ηik为荷载作用在i号主梁位置时k号主梁的分布影响线竖标值；
yik为荷载作用在i点主梁位置时k号主梁的竖向位移.
研究采用竖标值，用以代表各主梁分担的荷载比例，再连线形成横向分布影响线.根据桥梁设计车道数进行横向最不利布载，同时考虑车道横向折减，通过式(2)得到i号主梁的荷载横向分布系数
mi=λ∑ηik/2
(2)
式中：m为荷载横向分布系数；
λ为横向车道布载系数.
由于结构的对称性，1#～4#主梁与另一侧的四片钢主梁的受力、荷载分布等情况相同，文中仅针对1#～4#主梁进行深入分析和探讨.
3.1 影响线竖标值对比
对于工况1，负弯矩区采用抗拔不抗剪栓钉、横梁满布时，近支点位置和跨中位置的分布影响线竖标值，如图3.
图3 各片主梁横向分布影响线
由图3(a)可见，在近支点位置，边跨和中跨的分布影响线竖标值曲线相近，荷载作用于不同位置时各点的分布影响线竖标值相差甚小.当荷载的横向作用位置位于桥梁边缘时，各片主梁荷载分布最不均匀，越靠近桥梁横向中部的主梁承担荷载越小.当荷载横向作用位置靠近于桥梁中部时，分布影响线竖标值的变化幅度变小，各片主梁的荷载分布相对均匀.在近支点位置，主梁分担荷载比例达到40%左右.
对比图3(a)和图3(b)，跨中位置的影响线竖标值明显更小，跨中位置的荷载分布均匀，最大值小于0.25.当荷载横向位置由边缘向中部移动时，影响线竖标值更趋于均匀，最大竖标值和最小竖标值之间的差异小于0.1.当荷载在接近于中部位置时，竖标值分布变化幅度略有增大，最大和最小的差值达到0.15左右.
3.2 负弯矩区栓钉类型的影响
为探究负弯矩区内的栓钉类型对汽车荷载横向分布的影响，对比抗拔不抗剪栓钉(工况1)和普通栓钉(工况2)2种栓钉设置方式，分别针对两车道布载和三车道布载的情况，根据式(2)得到荷载横向分布系数，如图4.
由图4(a)可见，2种工况下，在近支点位置，负弯矩区栓钉类型对各主梁横向分布系数影响不显著.对于工况1和工况2，1#和4#主梁的横向分布系数均较小，2#主梁的横向分布系数最大，边跨和中跨的最大横向分布系数分别为0.359和0.343.当连续梁负弯矩区采用抗拔不抗剪栓钉(工况1)时，各片主梁的荷载横向分布系数有一定程度减小，减小幅度约为3%～5%.对比边跨和中跨的横向分布系数可以发现，中跨近支点位置的各片主梁的横向分布系数明显更为均匀.
图4 不同栓钉类型的连续梁桥横向分布系数对比
对比图4(a)和图4(b)可知，跨中位置各片主梁的横向分布系数与近支点位置处的显著不同，2#和3#主梁的横向分布系数较小，1#主梁的横向分布系数最大，边跨和中跨的最大横向分布系数分别为0.261和0.246.负弯矩区的栓钉形式对跨中位置各片主梁的横向分布系数影响不明显，当采用抗拔不抗剪栓钉时(工况1)，横向分布系数仅略微减小.中跨各片主梁的横向分布系数的分布规律与边跨相似，但中跨的分布系数较边跨小4%～8%.
3.3 横梁设置形式的影响
钢板梁间通常需要设置横梁以加强桥梁的横向稳定性.为了探究各片主梁间横梁的设置形式对荷载横向分布的影响，对比了满布横梁(工况1)、间断横梁(工况3)和无横梁(工况4)3种横梁设置形式，分别针对两车道布载和三车道布载的情况，得到横梁不同布置形式时的荷载横向分布系数，如图5.
图5 不同横梁设置形式的连续梁桥横向分布系数对比
由图5(a)可见，3种工况下，在近支点位置，各片主梁间横梁的设置形式对各片主梁横向分布系数的影响较大，对于间断横梁设置(工况3)，各主梁的横向分布系数均最小，设置间断横梁有利于各片主梁的荷载均匀分布和整体受力.对于连续梁桥的边跨，不同横梁设置形式下1#主梁和3#主梁的横向分布系数接近.2#主梁的横向分布系数在不设置横梁(工况4)时最大，在设置间断横梁(工况3)时最小，这两种工况下横向分布系数差异达到14%.4#主梁的横向分布系数则在设置满布横梁时最大，在设置间断横梁时最小，两种情况下横向分布系数差异达到22%.对于连续梁桥的中跨，2#主梁和3#主梁的横向分布系数对横梁的设置形式较不敏感.1#主梁的横向分布系数在不设横梁时最大，4#主梁的横向分布系数则在设置满布横梁时最大，但1#主梁和4#主梁的横向分布系数整体相近.
由图5(b)可见，在跨中位置，横梁设置形式对各片主梁横向分布系数的影响规律基本一致.即设置满布横梁(工况1)时各片梁的横向分布系数均最小，不设置横梁(工况4)时各片梁的横向分布系数均最大，但整体上横向分布系数的数值差异较小.
针对某钢板组合连续梁桥，讨论了采用抗拔不抗剪栓钉时桥梁近支点和跨中位置的荷载横向分布，并对比了横梁设置形式的影响，得到如下结论：
(1) 负弯矩区采用抗拔不抗剪栓钉、横梁满布时，在跨中位置，2#主梁和3#主梁的横向分布系数较小，1#主梁的横向分布系数最大，连续梁桥边跨与中跨的主梁横向分布系数规律相近，但中跨的分布系数普遍偏小.
(2) 相比于采用抗剪栓钉，当负弯矩区采用抗拔不抗剪栓钉时，横向分布系数可减小5%.
(3) 对比满布横梁、间断横梁和无横梁3种横梁设置形式，不同横梁设置形式引起横向分布系数的变化幅度超过20%，设置间断横梁时，各片主梁的横向分布系数均为最小.
(4) 采用抗拔不抗剪栓钉或间断横梁，可降低荷载横向分布系数的最大值，各片主梁均按照受力最大的主梁进行结构设计时，主梁梁高或板厚等可适当减小，可提高钢板组合连续梁桥建造的经济性.
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