钢混接头局部受力分析

刘 博 朱 疆

（1.中铁大桥勘测设计院集团公司 武汉 430050； 2.荆门九衢路桥工程有限公司 荆门 448000）

随着桥梁建设的发展，钢混组合的桥梁结构形式越来越多。钢－混结合段是钢梁和混凝土梁2种不同材质的箱梁对接过渡构造，结合部内力传递复杂，是控制设计的关键部位之一［1］。研究表明，钢－混凝土组合结构在实际受力状况与采用弹性模量比值换算成单一材料时计算结果存在一定差异。因此，对于钢－混凝土结合段重要的受力

结构部位，需确保其有足够的抗弯、压、剪受力性能和钢－混凝土连接强度。

1 结构模型

某混凝土箱型梁桥顶推施工，设置钢箱型边主梁做临时导梁。见图1。

图1 桥梁立面布置示意图（单位：mm）

计算采用ansysy软件计算分析，钢－混凝土结合段混凝土采用体单元模拟，钢梁采用壳单元模拟［2］。整个结合段模型有单元25 000个，总共节点数为12 000个。计算模型见图2。

图2 计算模型图

结合段分析模型混凝土梁远端截面采用固结约束，在钢梁远端截面施加内力组合。荷载按照结合段各关心截面上的控制内力为依据。各断面上的内力（轴力和剪力）都通过截面均布力施加到模型上，弯矩和转矩则通过延伸一段刚臂施加力偶实现。钢－混凝土结合处结构的模拟，在计算时忽略钢板与混凝土的粘结作用，钢板与混凝土之间通过剪力钉及PBL键传递。另外，通过耦合承压板处的钢板和混凝土节点模拟压力接触［3］。钢－混凝土结合段整体仿真分析模型主要用以分析结合段各部分总体应力的分布情况、剪力钉以及PBL键的受力情况［4］。

2 计算结果

本文针对2个计算工况（最大剪力和最大弯矩工况），分别计算了混凝土梁端面、钢梁、剪力钉的受力情况［5］。下面将分别进行阐述（注：结果图形中，在未说明前提下，单位分别为k N，k N·m，k Pa）。

2.1 工况一。最大剪力工况

（1）混凝土梁结合面。工况一荷载作用下混凝土梁结合面应力情况见图3～图5。

图3 混凝土结合面x向应力

图4 混凝土结合面主拉应力

图5 混凝土结合面主压应力

根据图3～图5，纵向最大压应力为－9.3 MPa，出现在承压板与底板交接处的混凝土主梁；最大主拉应力为4.8 MPa，最大主压应力为－12.3 MPa。

（2）钢梁应力。工况一荷载作用下钢梁应力情况见图6，图7。

图6 钢梁Von Mises应力

图7 钢梁纵向应力

根据图6～图7，纵向最大压应力为－42.7 MPa，出现在底板与承压板交接处；最大拉应力为43.9 MPa，出现在顶板与第一排剪力钉的交接处。最大von Mises应力为46.0 MPa。

（3）剪力钉。工况一荷载作用下，上缘剪力钉最大剪力为21.2 k N，出现在上缘剪力钉第一排处；下缘剪力钉最大剪力为5.9 k N，出现在下缘剪力钉第一排处。

2.2 工况二。最大弯矩工况

（1）混凝土梁结合面。工况二荷载作用下混凝土梁结合面应力情况见图8～图10。

图8 混凝土结合面纵向应力

图9 混凝土结合面主拉应力

图10 混凝土结合面主压应力

根据图8～图10，纵向最大压应力峰值为－32.7 MPa，附近压应力为－21.9 MPa左右，出现在承压板与顶板交接处的混凝土主梁。

（2）钢梁应力。工况二荷载作用下钢梁应力情况见图11，图12。

图11 钢梁Von Mises应力

图12 钢梁纵向应力

根据图11～图12，结合面处纵向最大压应力为－155.5 MPa，出现在顶板与承压板交接处；最大拉应力为119.3 MPa，出现在底板与第一排剪力钉的交接处。最大von Mises应力为155.9 MPa。

（3）剪力钉。工况二荷载作用下，上缘剪力钉最大剪力为41.1k N，出现在上缘剪力钉第一排处；下缘剪力钉最大剪力为38.1 k N，出现在下缘剪力钉第一排处。

3 结论

（1）混凝土结合面在荷载作用下，最大压应力峰值为－32.7 MPa，其余应力在16.5 MPa以下，鉴于有限元计算时峰值较实际值为大，且附近应力不高，在采取适当措施的情况下可满足使用要求。

（2）钢梁在荷载作用下，结合面附近钢梁最大应力均未超过160.0 MPa，可以满足使用要求。

（3）剪力钉在荷载作用下最大剪力为41.1 k N，均可满足使用要求。

［1］ 刘玉擎.组合结构桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 刘玉擎.混合梁接合部设计技术的发展［J］.世界桥梁，2005（4）：9-12.

［4］ 占玉林，赵人达，毛学明，等.东平大桥钢混凝土结合段模型试验［J］.桥梁建设，2011（4）：20-24.

［5］ 王军文，倪章军，李建中，等.石板坡长江大桥钢混结合段局部应力分析［J］.公路交通科技，2007（8）：99-102.