﻿ 双工字钢组合梁桥钢梁设计参数敏感性分析与优化
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 同济大学学报(自然科学版)  2018, Vol. 46 Issue (4): 444-451.  DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2018.04.004 0

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SHI Xuefei, MA Haiying, LIU Chen. Parametric Study and Optimization on Behavior of Twin-I girder Composite Bridges[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2018, 46(4): 444-451. DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.2018.04.004.

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1. 同济大学 土木工程学院, 上海 200092;
2. 天津市市政工程设计研究院, 天津 300051

Parametric Study and Optimization on Behavior of Twin-I girder Composite Bridges
SHI Xuefei1, MA Haiying1, LIU Chen2
1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;
2. Tianjin Municipal Engineering Design & Research Institute, Tianjin 300051, China
Abstract: The related parameter study for twin-I girder bridges composite with concrete deck is few in current research. In the paper, FE analyses were developed to study the bending, local buckling and the maximum load capacity of twin-I girder bridges. The design parameters were studied including flange width-thickness ratio, web depth-thickness ratio, stiffener arrangement, and girder depth. Design recommendations were proposed in the paper. A recommendation for girder depth value was given from material saving perspective.
Key words: composite bridge    twin-I girder    design parameter    finite element method    buckling stability    ultimate capacity

1 工字钢组合梁构造参数要求

 图 1 组合梁标准断面 Fig.1 Standard section of composite bridge

 图 2 承载力极限状态时钢梁应力分布 Fig.2 Stress distribution in girders under strength limit state
2 有限元模型

Sause[14]指出：钢板梁在非组合截面状态，其尺寸设计往往受稳定控制.因此本文除了研究不同状态下的应力与变形响应外，重点分析两主梁结构体系的稳定，包括弹性稳定(一类稳定)和极限承载力(二类稳定).弹性稳定分析不考虑材料的非线性，获得结构的第一阶屈曲模态，主要采用欧拉杆原理的失稳准则.极限承载能力分析考虑材料和几何非线性，获得结构体系的极限承载力，主要采用Mises应力准则.

3 工字钢梁合理尺寸参数分析

3.1 受压翼缘板宽厚比

3.1.1 翼缘宽厚比对稳定系数的影响

 图 4 不同翼缘宽厚比时施工阶段弹性稳定系数 Fig.4 Elastic stability coefficient versus flange width-thickness ratio under construction condition

 图 5 不同翼缘宽厚比时钢梁安装阶段失稳位置 Fig.5 Buckling modes for different flange width-thickness ratio under construction condition
3.1.2 腹板厚度对翼缘稳定性能的影响

 图 6 翼缘板宽厚比随腹板高厚比的变化 Fig.6 Flange width-thickness ratio versus web depth-thickness ratio

 $\frac{{d/2}}{t} = \frac{1}{{260}}{\left[{\left( {\frac{{{h_0}}}{{{t_{\rm{f}}}}}} \right)-110} \right]^2} + 11.2$ (1)

(1) 腹板高厚比在110~150时，翼缘宽厚比可以根据以上经验公式(1)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，翼缘板的宽厚比通常可以根据施工及布置剪力钉的最小要求取值.

3.2 工字钢梁腹板高厚比

3.2.1 腹板高厚比对稳定性的影响

 图 8 跨中腹板高厚比较大时的极限状态应力 Fig.8 Ultimate stress state for thicker web thickness at mid-span
3.2.2 腹板厚度的纵向分段

 图 9 接近支点跨中梁段腹板屈曲失稳形态与受力状态 Fig.9 Local buckling and the corresponding stress state

 图 10 双工字钢梁桥腹板纵向分段示意 Fig.10 Longitudinal divisions of web for twin-I steel girders
3.3 腹板加劲肋

3.3.1 竖向加劲肋

(1) 竖向加劲肋的布置.一般用加劲后腹板的纵横比来控制，即竖向加劲肋的纵向间距与上下翼缘的间距比值.对0.50、1.00、1.25、2.50、3.00进行弹性稳定分析，结果如图 11所示.随着竖向加劲肋间距的增大(从0.3增加到3.0)，其稳定系数由10.6下降到2.0.当α < 1.5后不再明显下降，这时已与没有竖肋差不多.采用不同腹板厚度进行竖肋布置影响计算，其规律基本相同.因此，设置竖向加劲肋时，要使其对稳定性发挥作用，其间距不宜大于梁高的1.5~2.0倍，在此基础上，密度越大，稳定性越好.上述结论与国内外指南的推荐值相同.

 图 11 不同竖向加劲肋间距下的弹性稳定系数 Fig.11 Elastic stability coefficients for different vertical stiffener spacing

(2) 竖向加劲肋厚度.对竖向加劲肋厚度影响进行分析，考虑δ为8、10、12、14、16 mm等厚度变化，分析其弹性稳定性，结果如表 3所示.随着加劲肋厚度增加，安装和使用阶段的稳定系数变化微小，同时，第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.

3.3.2 纵向加劲肋

3.3.2.1 纵肋的位置

 图 12 不同纵向加劲肋高度时的弹性稳定系数 Fig.12 Elastic stability coefficient for different longitudinal stiffener location

3.3.2.2 纵向加劲肋的经济性

4 双工字钢组合梁桥钢梁的合理梁高

4.1 极限承载能力校验

 图 14 梁高1 950 mm的组合梁破坏时钢梁Mises应力 Fig.14 Mises stress in steel girder at failure of for girder height of 1 950 mm
4.2 结构刚度比较

4.3 经济性能比较

 图 15 不同梁高组合梁桥用钢量 Fig.15 Steel materials for different girder depths

“少加劲肋、厚腹板”组合梁桥最少总用钢量(152.37 kg·m-2)比“多加劲肋、薄腹板”组合梁桥同等梁高时的总用钢量(145.57 kg·m-2)稍高，如果加劲肋大大简化使得加工制造成本降低，其综合经济性可能会更好.

4.4 合理梁高取值建议

5 结语

(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，本文提出了翼板与腹板的关联关系.

(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在跨中区域偏保守，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.建议高厚比统一按照150取值，在跨中附近截面采用实际梁高计算高厚比，而在4分点附近采用腹板中部主压应力方向的斜梁高计算高厚比.

(3) 竖向加劲肋只有在腹板纵横比小于1.5时才有明显提高腹板局部稳定性的作用.对于中小跨双工字钢组合梁桥，以纵向加劲肋防止腹板失稳的效果不如适当加厚腹板.

(4) 在“少加劲肋”的工业化建造条件下，对于中等跨径的双工字钢组合梁桥，建议钢梁的高跨比取1/20.

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