摘要：钢组合梁桥结构形式简单，综合造价低，在我国的应用逐渐广泛。本文以一座钢组合梁桥为背景，研究局部设计参数的合理取值及其结构性能的影响，为同类工程提供设计参考。
关键词：钢组合梁；设计参数；有限元
0 引言
工字钢混凝土桥面板组合梁桥是中小跨度桥梁最常用的组合梁形式。国外对于组合梁桥已经有较多的实践，形成了一些设计指南[1][2]，给出了构造尺寸的合理取值范围。本文结合一座双工字钢组合梁桥的设计分析，综合考虑组合梁的弯曲，局部屈曲性能，极限承载能力等性能指标，通过有限元法的参数分析，研究设计参数取值的合理性。
1 背景工程
背景工程为某大桥引桥，标准跨为4×35m跨连续梁。桥面全宽26.5m，单幅桥宽13.025m。主梁断面采用直腹式双工字钢加混凝土桥面板组合截面，间距7.225m，全跨等高度1.75m。双工字钢梁之间采用横梁联接，横梁间距5m。
2 工字钢梁参数分析
2.1 翼缘板宽厚比
工字钢受压翼缘除了满足强度要求外，还需要考虑屈曲稳定性，因此，各设计指南、规范均对受压翼缘的宽厚比均限制在12左右。连续梁中支点下翼缘板为了抵抗使用阶段巨大的负弯矩一般都需加厚，因而不太可能屈曲。跨中截面受压上翼缘成桥阶段与混凝土板连接也不会失稳，所以失稳主要可能出现在尚未形成组合截面的安装阶段。
2.1.1 翼缘宽厚比对稳定系数的影响
以背景工程4×35m连续组合梁桥为基础，在不改变截面刚度(即保持腹板及上下翼缘板的面积相同)的情况下调整跨中梁段翼缘板的宽厚比，分别建立翼缘宽厚比为8~16的比对模型，进行弹性稳定分析。随着翼缘宽厚比增高，钢梁在安装阶段弹性稳定系数逐渐降低。当翼缘宽厚比小于11时，稳定系数趋于稳定；当宽厚比为超过11时，弹性稳定系数明显下降。
2.1.2 腹板厚度对翼缘稳定性能的影响
安装阶段钢梁的失稳会发生在翼板和腹板二者中相对薄弱的区域，片面增加翼缘板厚度会造成浪费。参数分析腹板厚度，分别取腹板厚度16mm到14、13、12、11mm，对不同翼缘宽厚比下的弹性稳定系数进行分析。结果显示屈曲位置在腹板和翼板之间转换的临界点与翼板与腹板之间的相对厚度相关。图1显示了失稳形态与翼缘宽厚比和腹板高厚比的关系。在临界值附近时，翼板厚度和腹板厚度的取值比较均衡，材料最省。
图1 翼缘宽厚比随腹板高厚比的变化
建议翼缘板宽厚比按照如下方式选取：
（1）腹板高厚比在110～150时，翼缘宽厚比可以根据以上图拟合计算而得；
（2）腹板高厚比小于110时，翼缘宽厚比取12；
（3）腹板高厚比大于150时，翼缘板的宽厚比通可以根据施工及布置剪力钉的最小要求取值。
2.2 工字钢梁腹板高厚比
钢梁腹板承担剪应力，在弯矩和剪力的共同作用下产生主应力，靠近受压翼缘的主压应力区容易发生局部屈曲。
建立不同的腹板高厚比对比模型进行使用阶段的极限承载能力分析。各种腹板厚度下，当加载达到活载的3.15倍时进入非线性阶段，此时是跨中截面钢梁下缘开始屈服。此后，腹板高厚比小于130时，极限的活载加载系数5.71～5.59，大小几乎相等，此时中间支点截面的钢梁全部屈服，全梁出现两个屈服铰而丧失承载能力，因此极限承载力与腹板厚度无关。
2.3 腹板加劲肋
当工字钢梁的腹板存稳定问题时，可以通过设置加劲肋的方式以较小的经济代价予以避免。加劲肋主要分为竖向加劲肋和纵向加劲肋两种，它们的布置和厚度与稳定性相关。
2.3.1 竖向加劲肋
变化背景工程的竖向加劲肋厚度，
=8、10、12、14、16mm，分析其弹性稳定性，稳定系数变化微小，一阶弹性屈曲的形式和位置也没有发生变化。因此在可施工的范围内，加劲肋厚度对组合梁整体稳定性影响很小。
2.3.2 纵向加劲肋
在腹板的受压区设置纵向加劲肋可提高稳定性。
背景工程1700mm净腹板高的主梁上增加一道400mm×12mm的纵向加劲肋，其增加的用钢量近似等于腹板厚度增加3mm，即腹板厚度从16mm增加到19mm。同等荷载条件下，其安装阶段的弹性稳定系数约为10.05，而在16mm厚腹板上增加一道纵肋的稳定系数仅为8.12。对于与背景工程类似的中小跨径双工字钢组合梁桥，设置纵向加劲肋不如适当增加腹板厚度。
3 结语
本文针对双工字钢混凝土桥面板组合梁桥进行系列试设计分析，对设计参数得到以下结论：
（1）由于屈曲失稳发生在钢梁最薄弱的区域，翼板与腹板保证稳定性的最小尺寸要求相互关联，分别考虑会造成材料浪费。
（2）现行设计规范在整个腹板区域内采用统一的腹板高厚比限值不科学。我国规范规定的120偏保守，而美日规范规定的150在靠近中间支点区域有可能在主压应力方向局部失稳，建议按照主应力方向计算高厚比中的梁高。
（3）对于中小跨径双工字钢组合梁桥，设置纵向加劲肋不如适当增加腹板厚度。
参考文献：
[1]刘玉擎.组合结构桥梁[M]. 北京. 人民交通出版社，2005
LIU Yu-qing. Steel-concrete Composite Bridge[M].Beijing. China Communications Press. 2005
[2]Setra, Steel-Concrete Composite Bridges Sustainable Design Guide, May 2010.
论文作者:刘琛
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/21
标签：腹板论文; 组合论文; 宽厚论文; 厚度论文; 钢梁论文; 双工论文; 屈曲论文; 《建筑模拟》2018年第2期论文;