简支活载钢板组合梁施工期屈曲稳定措施研究

赵炜 ZHAO Wei；戚瑞琨 QI Rui-kun；崔鑫 CUI Xin

（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

钢混组合结构梁桥（简称组合梁桥）是将钢梁与混凝土桥面板通过抗剪连接件连接成整体并共同受力的桥梁结构形式。[1]组合梁结构充分利用了钢材和混凝土各自的材料性能，与混凝土结构相比，可以有效减少构件截面尺寸，减轻结构自重，减少地震作用，降低基础造价，方便施工安装，缩短建设周期，增加构件和结构的延性；与钢结构相比，可以减小用钢量，增加刚度，提高行车舒适性。

组合梁桥根据施工方式、桥面板与钢梁连接时机不同又分为恒载组合梁和活载组合梁。恒载组合梁的钢梁和桥面板在承受结构自重时已经结合完毕，通过组合截面共同承受恒载和活载的作用，其特点为施工速度快、用钢量较活载组合梁小，但吊重较大；而活载组合梁在拆除临时支架时，桥面板和钢梁还未结合，此时钢梁的自重以及桥面板的湿重均由钢梁承担，其优点为吊重小、施工灵活，但其缺点也十分明显，一方面由于钢梁承担了大部分恒载，因此其用钢量相较恒载组合梁要大一些，且由于其施工特点，在桥面板浇筑时钢结构的稳定性也是一个需要注意的问题之一。

目前国内对于组合梁施工期稳定性也有一些研究成果，例如邢渊等[2]研究了钢箱-混凝土组合梁桥施工期开口钢箱的稳定性，吉俊霖[3]研究了组合梁斜拉桥施工期的整体稳定。

1 研究对象和方法

本文选取城市跨路口常用的45m 简支现浇活载钢板组合梁作为研究对象，双向六车道，桥面宽度为25.6m，梁高2.5m；共有8 片工字型钢梁，腹板间距3.2m，每片工字梁上翼缘宽度为600mm，下翼缘宽度为700mm；跨中设置框架式横梁，横梁间距4.5m，共设置9 道跨间横梁；桥面板标准厚度为240mm，加腋处为300mm，挑臂长度为1.5m。

图1 桥梁立面图

图2 桥梁标准断面图

简支钢板组合梁施工期屈曲稳定措施研究的总体思路如图3 所示，首先通过单梁模型和解析解的计算结果对比验证计算方法的正确性，验证完毕后再通过多主梁模型对案例组合梁的施工期稳定进行参数化分析，通过参数化分析结果总结可以提高活载组合梁施工期稳定性的有效措施。

图3 研究方法

通过实际工程经验，我们选择横向支撑间距、上翼缘的宽度、桥面板施工过程等几个因素进行分析，根据计算结果总结出活载组合梁施工期的优化措施，保证结构不发生屈曲稳定问题。

2 施工期屈曲分析理论研究

简支单梁的弯扭弹性稳定临界弯矩可以通过实体有限元分析和解析公式分别计算，通过查阅相关资料，其中解析解有以下两个计算公式：

①根据《桥梁结构稳定与振动》（李国豪主编）[4]，均布荷载作用下简支梁的弯扭弹性稳定临界弯矩计算公式如下：

dy—荷载作用点在y 轴上的坐标；ay—剪力中心的y轴坐标；n—表示梁的侧向支撑数的指数，无跨内侧向支点时，n=1；有一个侧向支点时，n=2；有2 个侧向支点时，n=3等等；Iω—截面的扇性惯性矩；Iy—截面的抗弯惯性矩；Id—截面的抗扭惯性矩；ζy—不对称截面常数。

C1、C2、C3—系数，对于均布荷载，无侧向支撑的简支梁，C1=1.15，C2=0.459，C3=1.00。

②根据《钢结构稳定理论与设计（第6 版）》（陈骥编著）[5]，均布荷载作用下简支梁的弯扭弹性稳定临界弯矩计算公式如下：

a—荷载作用点至剪心的距离；βy—不对称截面常数；Iω—截面的扇性惯性矩；Iy—截面的抗弯惯性矩；It—截面的抗扭惯性矩。

通过对比可知，两个弯扭弹性稳定临界弯矩计算公式形式类似，对于简支梁而言，系数也较为接近，下面通过与实体板壳单元模型计算结果进行对比，进一步验证计算理论的正确性。

分别通过Midas Fea 和Midas Civil 两款有限元软件分别建立单梁的板壳单元模型，上翼缘单元加载桥面板湿重模拟组合梁桥面板浇筑时钢梁的受力状态，可以得到相应的屈曲失稳模态。

通过图4 和图5 可知，一阶失稳状态为上翼缘侧向受压失稳，屈曲稳定系数分别为0.192 和0.172，两个解析解的系数分别为0.173 和0.198，结果接近。

图4 一阶屈曲模态（Midas Fea）

图5 一阶屈曲模态（Midas Civil）

根据屈曲计算理论，稳定临界弯矩和荷载的加载位置有关，为了验证该点，将相同荷载加载到下翼缘并和计算结果进行对比，结果汇总见表1。

表1 单梁屈曲稳定系数计算汇总表

从表1 可以得到如下结论：

①4 种计算方法的计算结果接近，可相互验证计算方法的合理性；②桥梁屈曲稳定系数与荷载加载位置相关，荷载作用于顶板比作用于底板更不利于结构稳定。

3 施工期屈曲稳定影响因素研究

通过上一节可以证明实体板壳单元用于计算屈曲稳定系数是有效的，接下来通过建立整桥的施工期实体板壳单元模型来进行施工期屈曲稳定的参数化分析，模型见图6。

图6 整桥板壳单元模型（Midas Fea）

3.1 横向支撑的影响

根据前文对于解析解公式的理解，增加横向支撑的密度对于整体的稳定性有利，现通过有限元对其进行验证。

将跨间横梁间距分别设置为9m、4.5m、2.25m 分别计算，分别计算整桥的屈曲失稳模态。

从图7 和图8 的计算结果可以得知，当横梁间距为9m 时，一阶失稳模态为主梁侧向失稳，屈曲稳定系数为3.78；当横梁间距加密至4.5m 时，一阶失稳模态发生了改变，腹板局部失稳先于钢梁的整体失稳，稳定系数也增加到5.4；但当横向支撑进一步加密时，稳定系数增加效果有限。详细结算结果见表2。

表2 横向支撑间距的影响

图7 一阶失稳模态（横梁间距9m）

图8 一阶失稳模态（横梁间距4.5m）

综合考虑施工期安全性和造价，横梁间距4.5m 时无疑是最优选择；可将部分横梁替换为上翼缘附近设置的平联，可以起到类似效果，不仅不影响施工期钢梁的稳定性，还进一步优化了总的用钢量。

3.2 钢梁上翼缘宽度的影响

增加上翼缘的宽度，不仅可以减小施工期上翼缘的应力（应变），还可以提高上翼缘的侧向抗弯刚度，对于整体侧向失稳有一定帮助，现通过有限元对其进行验证。

将钢梁上翼缘宽度分别设置为0.6m、0.8m、1.0m（板厚不变）分别计算，横梁间距统一为9m，分别计算整桥的屈曲失稳模态。计算过程同上，结果见表3。

表3 钢梁上翼缘宽度的影响

从表3 结果可以看出，上翼缘加宽对于失稳模态并没有改变，但稳定系数有一定提升，因此可见加宽上翼缘宽度对于活载组合梁施工期的整体稳定有一定的效果，但是如果成桥状态下的上翼缘应力不控制，则会增加较多的用钢量，经济性不佳。

3.3 桥面板施工过程

目前常规的跨路口简支现浇组合梁，根据施工过程的不同分为恒载组合梁和活载组合梁，恒载组合梁的临时支架需要在桥面板达到一定强度时再拆除，活载组合梁则在钢梁施工完成后就拆除；恒载组合梁虽然由于临时墩的存在，施工期稳定性不控制设计，但由于其对于路口交通影响较大，适用性上有一定的局限性；而活载组合梁虽然对桥下交通影响性较小，但施工期稳定则是需要考虑的问题。

从之前的失稳模型可以看出，整体失稳模态一般发生于跨中，综合考虑施工期安全性和对桥下交通的影响，桥面板施工可考虑参考活载连续组合梁采用分段浇筑的方式，可减小施工期钢梁承台的桥面板湿重，对于提高稳定性也有一定帮助，现通过有限元对其进行验证。

将钢梁上翼缘上加载的湿重分别按照全长加载和仅在跨中加载一半长度，分别计算整桥的屈曲失稳模态。计算过程同上，结果见表4。

从表4 结果可以看出，调整施工方式后，稳定系数显著提高，增加比例约为23%。因此调整施工过程对于活载组合梁施工期稳定性效果显著。

4 结论

本文首先通过单梁板壳单元模型和理论解析解的对比，验证板壳单元计算屈曲稳定的适用性，随后选取城市跨路口常用的45m 简支现浇钢板活载组合梁作为研究对象，研究横向支撑间距、上翼缘的宽度、桥面板施工步骤等几个因素对施工期屈曲稳定的影响，得到了统一的设计原则：①单梁板壳单元模型和理论解析解计算出来的稳定系数接近，桥梁屈曲稳定系数与荷载加载位置相关，荷载作用于顶板比作用于底板更不利于结构稳定。②横向支撑的加密显著提高整体稳定系数，且改变了失稳模态，横向支撑的间距需要结合经济型指标综合考虑。③上翼缘加宽对于失稳模态并没有改变，但稳定系数有一定提升，因此可见加宽上翼缘宽度对于活载组合梁施工期的整体稳定有一定的效果，但也需要结合经济型指标综合考虑。④调整常规的桥面板施工过程，采用分段浇筑的方式，可以显著提高施工期稳定性，值得进一步研究。