【《单跨工字钢组合梁整体桥受力性能分析案例》4100字】

单跨工字钢组合梁整体桥受力性能分析案例不同跨径下单跨工字钢组合梁整体桥设计验算见附录A，标准设计图见附录C1。本节对不同跨径下单跨工字钢组合梁整体桥在单项荷载和荷载组合作用下受力进行对比，并与相应跨径的工字钢组合梁简支桥进行比较，分析采用整体式桥台后结构受力的异同。1单项荷载作用（1）恒载作用如表3-14所示，在恒载作用下，组合梁简支桥和整体桥最大弯矩值均在跨中，组合梁整体桥的弯矩略小于简支梁桥，不同跨径的弯矩降低了10.0%~11.7%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了5.7、5.8倍。在恒载作用下，两种桥型最大轴力值均在跨中，组合梁整体桥的轴力略大于简支梁桥，不同跨径的轴力降低了4.0%~19.1%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了2.5、2.9倍。在恒载作用下，两种桥型最大剪力值均在主梁端部，组合梁整体桥的剪力略大于简支梁桥，不同跨径的剪力降低了25.0%~51.2%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时剪力分别增大了125.3%~136.6%。表3-14恒载作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥2022692036-377-3923083853055164900-703-7784026164098708711-917-1105655828501302111718-941-1121694911恒载作用下不同跨径组合梁整体桥应力分布如图3-19所示。可以看出，钢梁产生对称分布的拉应力，应力随跨径增加逐渐增大，跨中最大拉应力分别为112.0MPa、149.1MPa、155.4MPa、159.3MPa，简支梁桥钢梁最大应力分别为109.2MPa、121.4MPa、150.5MPa、149.3MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥增加了2.7%~17.5%；桥面板混凝土主要产生对称分布的压应力，应力从主梁端部逐步增长，在跨中达到最大值，最大值分别为-4.3MPa、-4.9MPa、-5.5MPa、-5.2MPa，简支梁桥桥面板最大应力分别为-4.7MPa、-4.3MPa、-4.7MPa、-1.8MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥变化了8.1%~26.9%。因此，随着跨径增大，恒载作用引起的钢梁、混凝土应力均逐渐增大。(a)钢梁(b)混凝土桥面板图3-19恒载作用下主梁应力对比（2）温度作用分别对比考虑整体升温和梯度升温作用下的受力变化。简支梁桥和整体桥整体升温作用下内力对比如表3-15所示。简支梁桥的最大弯矩值位于跨中，且为负值，组合梁整体桥的最大弯矩则位于桥台处，为正值，可以看出设置整体式桥台后，弯矩控制位置发生变化，且数值上有较大增长。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了9.2、6.8倍。在整体升温作用下，简支梁桥和组合梁整体桥的最大轴力值都位于跨中，且为负值，不同跨径下整体桥的轴力相较简支梁桥增加了334.8%~414.7%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了5.6、5.0倍。两种桥型在整体升温作用下，均受较小剪力。表3-15整体升温作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥2034-311-88-431353080-782-205-9644640139-12482124-494-214854整体升温作用下主梁应力对比如图3-20所示。单跨20~50m组合梁整体桥钢梁主要产生对称分布的压应力，应力值沿主梁方向均匀分布，最大值分别为-18.9MPa、-24.3MPa、-29.4MPa、-31.3MPa，简支梁桥钢梁最大应力分别为1.3MPa、5.1MPa、6.2MPa、10.9MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥应力方向发生改变，幅值变化了22.2MPa~44.2MPa；桥面板混凝土主要产生对称分布的压应力，沿主梁方向分布均匀且应力值较小，最大值分别为-0.28MPa、-0.32MPa、-0.40MPa、-0.48MPa，简支梁桥桥面板最大应力分别为-0.55MPa、-1.35MPa、-1.9MPa、-1.8MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥应力值增加了1~7倍。由此可见，整体升温作用引起的钢梁、桥面板应力随跨径增大而逐渐增大。(a)钢梁(b)混凝土桥面板图3-20整体升温作用下主梁应力对比简支梁桥和整体桥在梯度升温作用下内力对比如表3-16所示。可以看出，组合梁简支桥和整体桥最大弯矩值均在跨中，组合梁整体桥的弯矩都大于简支梁桥，不同跨径的弯矩增加了362.1%~466.7%。在跨径增大后，简支梁桥和整体桥在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了5.2、4.6倍。在梯度升温作用下，两种桥型最大轴力值均在跨中，组合梁整体桥的轴力都大于简支梁桥，不同跨径的轴力降低了8.5%~22.8%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了1.7、4.2倍。两种桥型在温度梯度升温作用下，均受较小剪力。表3-16梯度升温作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥2039221-82-89333076371-175-1933340140647-250-30742502011022-307-37241梯度升温作用下，不同跨径的单跨组合梁整体桥钢梁主要产生对称分布的拉应力，变化如图3-20所示。整体桥钢梁应力值沿主梁方向均匀分布，最大值分别为6.8MPa、6.0MPa、5.0MPa、4.4MPa，简支梁桥钢梁最大应力分别为-1.8MPa、-1.4MPa、-1.0MPa、-2.6MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥应力发生改变，应力范围在7.0~10.6MPa；桥面板混凝土主要产生对称分布的压应力，混凝土桥面板应力值沿主梁方向均匀分布，最大值分别为-4.3MPa、-4.6MPa、-4.8MPa、-5.0MPa，简支梁桥桥面板最大应力分别为-4.0MPa、-4.3MPa、-4.1MPa、-5.0MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥均有增加，最大为14.6%。由此可见，随着跨径增大，梯度升温引起的钢梁应力随跨径增大而逐渐增大，而桥面板应力随跨径增大逐渐减少。(a)钢梁(b)混凝土桥面板图3-21梯度升温作用下主梁应力对比（3）混凝土徐变作用混凝土徐变作用下，简支梁桥由跨中弯矩控制设计，组合梁整体桥则由桥台处弯矩控制设计。简支梁桥和整体桥混凝土徐变作用下内力对比如表3-17所示。可以看出，设置整体式桥台后，弯矩控制位置发生变化，且数值上有一定增长。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了2.2、5.1倍。混凝土徐变作用下，简支梁桥的最大轴力值位于跨中，且为正值，组合梁整体桥的最大轴力则位于桥台处，为负值，不同跨径下整体桥的轴力增加了159.1%~181.1%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了1.7、2.1倍。两种桥型在混凝土徐变作用下，均受较小剪力。表3-17混凝土徐变作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥20-9897203-1383330-129165308-1825540-173328322-2317550-217499354-28784徐变作用下单跨20~50m组合梁整体桥钢梁主要产生对称分布的拉应力，变化如图3-22所示。整体桥钢梁应力沿主梁方向均匀分布，最大值分别为11.8MPa、11.4MPa、11.0MPa、10.7MPa，简支梁桥钢梁最大应力分别为5.4MPa、4.2MPa、2.7MPa、2.9MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥增加了54.2%~75.5%。混凝土桥面板压应力沿主梁方向对称均匀分布且应力值较小，最大值分别为-2.6MPa、-2.2MPa、-1.5MPa、-1.1MPa，简支梁桥桥面板最大应力分别为1.5MPa、1.2MPa、1.7MPa、0.8MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥应力方向发生改变，幅值变化了1.9MPa~6.1MPa。由此可见，随着跨径增大，徐变作用引起的钢梁、桥面板应力随跨径增大而逐渐减小，当跨径达到50m，端部应力由拉应力转变为压应力。(a)钢梁(b)混凝土桥面板图3-22徐变作用下主梁应力对比（4）混凝土收缩作用简支梁桥和整体桥在混凝土收缩作用下内力对比如表3-18所示。可以看出，组合梁简支桥和整体桥都受负弯矩作用，简支梁桥的最大弯矩值位于跨中，组合梁整体桥的最大弯矩则位于桥台处，设置整体式桥台后，弯矩控制位置发生变化，且数值增长了450.9%~587.4%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时弯矩分别增大了5.7、4.9倍。在混凝土收缩作用下，简支梁桥和组合梁整体桥的最大轴力值都位于跨中，为正值，不同跨径下整体桥的轴力相较简支梁桥增加了1.6%~22.4%。在跨径增大后，两种桥型在跨径50m情况下较20m时轴力分别增大了5.5、5.6倍。两种桥型在混凝土收缩作用下，均受较小剪力，整体桥的最大剪力大于简支梁桥。表3-18混凝土收缩作用下内力对比跨径（m）最大弯矩（kN·m）最大轴力（kN）最大剪力（kN）简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥简支梁桥整体桥20-111-763183223102930-188-1269618628112340-411-22649921037131650-633-3715101212421411收缩作用下单跨20~50m组合梁整体桥主梁应力对比如图3-23所示。钢梁主要产生对称分布的压应力，应力值沿主梁方向均匀分布，最大值分别为-28.5MPa、-22.8MPa、-16.9MPa、-11.6MPa，简支梁桥钢梁最大应力分别为8.0MPa、9.4MPa、10.5MPa、9.5MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥应力方向发生改变，幅值变化了21.1MPa~36.5MPa。桥面板混凝土主要产生对称分布的拉应力，沿主梁方向分布均匀且应力值较小，最大值分别为2.0MPa、2.4MPa、4.0MPa、4.9MPa，简支梁桥最大应力分别为1MPa、1.8MPa、1.5MPa、4.8MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥增加了2.0%~50.0%。由此可见随着跨径增大，收缩作用引起的钢梁应力随跨径增大而逐渐减小、桥面板应力随跨径增大而逐渐增大。(a)钢梁(b)混凝土桥面板图3-23收缩作用下主梁应力对比综上可知，单项荷载作用下，恒载起到主导作用，温度荷载作用下，整体温度变化起到主导作用，因此整体桥的尺寸设计容易受到环境温度的影响。两种桥型的控制截面有所不同，对比简支梁桥，整体桥在整体温度荷载作用下内力由于支点存在约束无法释放而大增，并且随着跨径增大内力增长迅速，简支梁桥转变为整体桥时，内力控制点也会发生改变，简支梁桥主要由跨中受力控制设计，整体桥则受跨中和桥台处受力控制设计。2荷载组合作用（1）承载能力极限状态在荷载组合作用下20~50m组合梁整体桥应力包络分布如图3-24所示。可以看出，整体桥钢梁端部区域为压应力但主要以跨中拉应力控制设计，跨中最大拉应力分别为121.2MPa、147.0MPa、166.7MPa、175.3MPa，均在应力容许范围内，简支梁桥钢梁均受拉应力，跨中最大拉应力分别为131.3MPa、169.4MPa、171.7MPa、208.7MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥减小了6.6%~19.1%；整体桥桥面板混凝土跨中受压应力，最大值分别为-6.5MPa、-6.7MPa、-7.1MPa、-7.9MPa，主梁端部区域受拉应力，最大值分别为5.2MPa、5.8MPa、6.5MPa、7.5MPa，简支梁桥桥面板均受压应力分别为-7.5MPa、-8.4MPa、-8.7MPa、-10.9MPa，不同跨径整体桥较简支梁桥变化了15.4%~18.0%。由于端部固结，相同跨径下的整体桥在承载能力极限状态下应力小于同尺寸的简支梁桥。(a)钢梁(b)混凝土桥面板图3-24荷载组合作用下主梁应力对比（2）正常使用极限状态汽车荷载作用下，整体桥与简支梁桥的跨中挠度对比列于表3-19中，两种桥型均满足挠度小于L/500，其中L为桥梁计算跨径，整体桥的挠度在6.9~12.5mm之间，简支梁桥的挠度在12.0~24.8mm之间，整体桥与简支梁桥在跨径由20m增长到50m时，挠度分别增大了2.1倍和1.8倍。因此，采用整体式桥台可使20~50m整体桥主梁挠度降低42.5%~49.6%。表3-19汽车荷载作用下跨中挠度对比跨径（m）整体桥（mm）简支梁桥（m