特大跨连续刚构桥钢混接头有限元分析

廉瑞强

(重庆大学，重庆 400045)

1 重庆长江大桥复线桥概况

重庆大桥复线桥是比邻旧桥的新建桥梁工程，是重庆主城区一座非常重要的特大桥梁，主跨达330 m，刷新了连续刚构桥跨径的世界纪录。大桥体系采用长联大跨径钢混组合式钢构—连续组合桥梁，立面图见图1。

2 钢—混凝土接头结构

1)钢—混凝土接头构造。重庆长江大桥复线桥主跨钢—混凝土接头采用了填充混凝土后板式的方式(见图2)。钢—混凝土接头构造图见图3。

重庆长江大桥复线桥主梁的钢—混凝土接头主要承受弯矩和剪力作用，因此，要求各种荷载产生的轴力、弯矩、剪力和扭矩的传递顺畅可靠，在荷载作用下有一定的承载安全储备，刚度过渡良好。

2)钢—混凝土接头结构计算。重庆长江大桥复线桥主跨钢—混凝土接头内力传递主要通过承压板、PBL剪力键以及钢壁面与混凝土之间的粘结摩阻三种途径来进行。钢壁面与混凝土之间粘结摩阻由于有较大的不定因素而难于掌握，因此，只把它当作强度的安全余量来看待。内力的传递主要由承压板、预应力钢筋和PBL剪力键来完成。为使接头不会出现裂缝，在接头部位，考虑足够的压力储备，增加局部预应力束。

3)PBL剪力键。PBL剪力键是由带孔的钢板组成，在钢板孔中可以横穿钢筋，其作用机理主要有三个方面，如图4所示。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

1)建模原则和要求。为达到研究目的，实桥有限元分析可根据圣维南原理，在实桥上截取足够长的一段立体作为分析对象，接头各构件均采用三维实体单元，这样也可以反映应力各方向的分布状况。

2)三维模型参数。模型采用ANSYS软件计算，单元材料属性:混凝土的弹性模量为3.6E10Pa，泊松比为0.17;钢板的弹性模量为2.1E11Pa，泊松比为0.3;预应力钢筋的弹性模量为1.9E11Pa。分析时，结合段的计算模型总长17 m，模型中混凝土箱梁部分长13.5 m，钢箱梁部分长3.5 m，二者结合部分1.5 m。由于桥体结构关于桥轴线对称，为了减少计算量，取半桥模型进行计算，在桥轴线上施加对称约束。计算模型见图5。

钢混凝土接头的主要内力包括轴力、剪力、弯矩，钢—混凝土接头正常使用极限状态正弯矩及对应内力如表1所示。

表1 钢—混凝土接头正常使用极限状态正弯矩及对应内力

3.2 有限元分析结果

1)顶板PBL剪力键分析结果。在使用极限状态正弯矩作用下，顶板PBL剪力键的压应力约为-17 MPa，底板PBL剪力键的拉应力约为12 MPa。其较大值都出现在外层PBL剪力键上。

2)腹板PBL剪力键分析结果。使用极限状态正弯矩作用下，腹板PBL剪力键承受的顺桥向剪力比较均匀，较大剪应力约为8.5 MPa，较小剪应力约 -12.5 MPa。

3)钢混接头混凝土梁分析结果。使用极限状态正弯矩作用下，钢—混凝土接头混凝土顶板最大压应力出现在其与纯混凝土段接头处，约为-3.7 MPa;底板最大拉应力也出现在其与纯混凝土段接头处，约为3.0 MPa。而由预应力加载后测试结果表明，底板的开裂应力在7.85 MPa以上。因此，在该工况下，钢—混凝土接头混凝土部分不会出现开裂。模型最大拉压应力出现在纯混凝土段，这是由于纯混凝土段要承受钢—混凝土接头的钢结构和混凝土结构两部分应力共同作用所致。所以，在大桥施工中要特别注意此处的施工质量，保证两部分连接牢固。

4)钢混接头钢梁分析结果。使用极限状态正弯矩作用下，钢—混凝土接头钢结构顶板的压应力约为-32 MPa，底板的拉应力约为24.5 MPa。拉压应力较大部位出现在钢—混凝土接头与纯钢箱梁连接处。

5)钢混接头混凝土梁(添加预应力钢筋)分析结果。使用极限状态正弯矩作用下，钢—混凝土接头在施加预应力钢筋后，混凝土底板部位的拉应力明显降低很多，施加预应力钢筋后可以有效地防止混凝土底板部位由于拉应力过大而出现裂缝。

4 结语

1)钢—混凝土接头结构总体传力明确，受力比较均匀;2)钢—混凝土接头与混凝土段的连接部位存在较大的应力梯度;3)钢—混凝土接头顶板及底板翼缘外侧的PBL剪力键承受很大的剪力，对接头部分剪力传递起主要作用;内侧剪力键钢板应力很小，接近零，未能充分发挥其作用;4)通过使用预应力钢筋的连接，使接头部位底板产生足够的轴向压力来抵消产生的拉应力，保证接头部位由于正负弯矩作用而不会出现裂缝。

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