混合连续梁桥接头段在地震作用下应力分析比较

郝 强 刘文会

(吉林建筑大学交通科学与工程学院,长春 130118)

1 概况

重庆长江大桥复线桥结构形式采用1 103.5 m长联大跨径钢混凝土混合连续钢构与连续梁组合体系.桥跨布置为86.5 m+3×138 m(连续梁)+138+330+104.5m(连续刚构).为了减轻自重,改善结构受力,桥梁主跨采用钢-预应力混凝土混合结构形式[1](如图1所示).

图1 重庆长江大桥复线桥桥型布置(单位:cm)

组合结构是指由受力性质不同的建筑材料组成,在荷载作用下具有整体作用的结构.与钢梁相比,组合梁可以减少用钢量,降低冲击系数,增加刚度、稳定性和整体性[2].基于以上组合梁优点,我们拟定新的结构形式:将重庆长江大桥复线桥主跨中的108 m钢梁部分换成钢-混凝土组合梁,而边跨(或伸入主跨一部分) 的梁体仍为混凝土梁.原桥结构和新拟定结构的基本形式如图2所示.为了验证主跨采用组合结构的可能性，对组合梁与混凝土梁的接头进行分析，并与原结构接头的受力进行对比.

图2 重庆长江大桥复线桥主跨实际结构形式和新拟定结构形式比较

2 MIDAS CIVIL有限元建模

2.1 计算模型

上部结构中主跨箱梁墩顶梁高16 m,跨中梁高4.5 m,呈二次抛物线变化.箱梁底板宽9 m,双侧对称悬臂5 m,顶板全宽19 m.主跨330 m,中部108 m采用组合梁,其余各节段及边跨均采用预应力混凝土结构.北岸现浇段1号～3号桥墩及4号过渡梁也采用单箱单室预应力混凝土梁.其中,除4号墩顶梁高为5 m外,其余墩顶梁高为8 m[3].

下部结构中1～4号桥墩为矩形空心桥墩,1号,2号桥墩墩顶设置活动支座,其余桥墩与主梁固结.5号,7号桥墩为双壁实体钢筋混凝土桥墩,Midas civil全桥有限元模型如图3,图4所示.

图3 新拟定结构全桥模型

组合梁 钢箱梁图4 新拟结构组合梁与原桥钢箱梁的主跨截面

2.2 地震效应计算

本桥所在地的场地为I类场地,地震基本烈度为VI度,结构设计按照VII设防,分区特征周期为0.35,对该桥采用前40阶阵型利用CQC方法进行叠加,桥梁基本阻尼系数为0.02.

采用反应谱法同时考虑3个正交方向(水平向X,横桥向Y和竖向Z)的地震作用.可分别单独计算X向地震作用产生的最大效应,Y向地震作用产生的最大效应与Z向地震作用的最大效应.总的设计取地震作用下最大偶然荷载组合(如表1所示).工况1,2分别为E1地震作用下的偶然组合接头处计算的内力.

表1 荷载工况

图5 钢-组合梁结合段网格划分后计算模型

3 Ansys三维有限元分析

3.1 计算模型

采用ANSYS建立原桥钢箱梁接头和新拟定的结构的接头有限元模型.根据圣维南原理,取桥梁纵向18 m长隔离体作为分析对象,其中,混凝土梁段10 m,钢梁段8 m,二者结合部分1.5 m.模型中混凝土结构用SOLID 45实体单元模拟，钢板和PBL板用SHELL 63单元模拟，预应力钢绞线用LINK 8模拟.计算模型将材料视为匀质弹性体,以弹性模量和泊松比表示结构的材料特性.混凝土的弹性模量和泊松比分别为3.6 E 4MPa与0.17;钢的弹性模量和泊松比分别为2.1 E 5 Mpa与0.3;预应力钢绞线的弹性模型为1.9 E 5 MPa.预应力采用温度法施加,预应力钢绞线和混凝土间的粘结作用采用自由度耦合办法.建立以x轴为纵向;y轴为桥高度方向;z轴为桥横向的坐标系.钢-组合梁结合段网格划分后计算模型如图5所示.

3.2 边界条件及荷载的施加

(1) 边界条件. 将计算模型中预应力混凝土箱梁一侧断面固结,组合梁一侧断面假定为平截面变形,以刚性域的方法形成刚性面,然后在该刚性面的中性轴上施加表1中的荷载；

(2) 加载方法. 固定模型中混凝土最外梁端横截面上所有节点的自由度,即使这个截面成为固定端.再在模型中的另外一端施加荷载:在另外一端组合梁横截面的形心上创建一个主节点,用mass 21单元赋予这个主节点,然后把这个截面上所有的节点和主节点用CERIG命令耦合这些节点所有的转角和位移,形成刚性域.最后在这个主节点上分别施加表1中的两种工况下的荷载.

4 计算结果及分析比较

对两种接头中填充的混凝土箱梁一侧的腹板和底板做沿z轴正应力的对比分析[4],应力单位为MPa,应力负号为压应力,正号为拉应力.

图6和图7分别为两种接头混土梁的腹板与底板混凝土正应力对比.

图6 两种接头腹板混凝土应力

图7 两种接头底板混凝土应力

5 结论

接头结构中混凝土应力的安全范围在-30 MPa～3 MPa之间.新拟定的结构接头中填充的混凝土受力比较均匀,主跨中钢箱梁换成组合梁结构的自重增加,所以新拟定结构接头应力比钢-混凝土接头应力稍大.

通过图表可以看出,在腹板根部与顶部折角处有小区域应力集中，在图7中底板曲线呈现波浪是底板中装有PBL板造成的.

通过以上计算和结果对比,组合—混凝土接头中刚度变化较大的接头-组合梁接触面上的混凝土,绝大部分应力都在-30 MPa～3 MPa之间,因此,组合-混凝土接头在E1地震作用下的整体安全性是可靠的.

参 考 文 献

[1] 王军文,倪章军,李建中,孙峻岭.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,2006,28(6)：32-36.

[2] 聂建国.钢-混凝土组合结构桥梁[M].北京：人民交通出版社,2011：1-2.

[3] 唐建华,向中富,冯 强,代 彤,李 斌.特大跨连续钢构桥研究与实践-重庆长江大桥复线桥[M].北京:人民交通出版社,2008:241-252.

[4] 华渝生.重庆石板坡长江大桥复线桥工程[M].重庆:重庆出版社,2008:1091-1092.