渭河特大桥钢-混凝土结合段局部应力特性分析

朱俊锋，吴鸿胜，梁　斌

（1.河南科技大学土木工程学院，河南洛阳　471013；2.中铁十五局集团第五工程有限公司，河南洛阳　471013）

渭河特大桥钢-混凝土结合段局部应力特性分析

朱俊锋1，吴鸿胜2，梁斌1

（1.河南科技大学土木工程学院，河南洛阳471013；2.中铁十五局集团第五工程有限公司，河南洛阳471013）

为研究特大桥钢-混凝土结合段部位的内力特性，探讨结合段的传力机理，以渭河特大桥为工程背景，采用ANSYS有限元分析软件，建立钢-混凝土结合段有限元分析模型，对钢-混凝土结合段中混凝土箱梁段和钢箱梁段分别在正常使用荷载、设计极限荷载2种工况下的力学性能进行分析和研究。研究结果表明：在正常使用荷载下，混凝土箱梁段和钢箱梁段应力水平较低，具有较大的安全储备；在设计极限荷载下，需要采取有效措施，以增强混凝土箱梁底板的抗拉能力，使混凝土箱梁各部分最大压应力和钢箱梁各部分拉压应力值均小于容许应力，这样才能具有一定安全储备。

钢-混凝土结合段；钢箱梁；混凝土箱梁；有限元分析

钢-混凝土混合梁结合段是钢和混凝土2种材料的过渡段。不同的物理力学特性必然导致2种材料受力传力的差异，所以，需研究采用什么样的构造措施才能弱化这种差异，使钢与混凝土成为一个协调工作的整体，保证钢-混凝土结合段内力的顺畅传递。目前，在钢-混凝土结合段，钢与混凝土之间主要采用纵向预应力、开孔钢板连接件（PBL连接件）和焊钉连接件等连接措施，它们如何起到“结合”的作用，如何实现力的传递，如何组合使用以及组合后各自的贡献有多少等问题，都需要进一步分析和研究。

陈开利等［1］结合舟山桃夭门大桥工程，采用1∶2的缩尺，对该桥钢-混凝土结合段进行了模型试验研究。张国泉等［2］以西安浐灞河生态区大门桥梁工程2号桥—双索独塔混合梁斜拉桥钢-混凝土结合段为例，对钢-混凝土结合段钢梁和混凝土梁进行了应力分析。王军文等［3］结合重庆石板坡长江大桥的设计及施工特点，对钢-混凝土结合段进行了局部应力分析。刘荣等［4］以湖北鄂东长江大桥为例，对钢-混凝土结合段进行了局部应力分析。易炳疆等［5］结合黑龙江乌苏大桥钢-混凝土结合段模型的受力特点，研究并制定了3种钢-混凝土结合段结合方式，分别将试验与实测数据进行了详细对比分析。石雪飞等［6］以吴江市学院路跨京杭运河钢-混凝土结合段斜拉桥为例，对钢-混凝土结合段进行了应力分析和数值仿真计算。张鹏等［7］依托陕西渭河特大桥设计与优化，提出了钢-混凝土结合段整体设计的概念、原则和思路，介绍了结合段构造选型及其设计与优化的思路、过程、方法，给出了结合段构造设计成果，并利用有限元软件建立了结合段局部空间模型。张西丁等［8］以某拱塔斜拉桥的桥塔钢-混凝土结合段为基础，建立了桥塔钢-混凝土结合段三维实体模型，对钢-混凝土结合段处钢板和混凝土的受力性能进行了受力分析。张景峰等［9］以黑龙江黑瞎子岛乌苏大桥为研究对象，采用通用有限元程序ANSYS，对其钢-混凝土结合段的受力行为进行了非线性数值仿真分析。姚亚东等［10］以宁波甬江特大桥钢-混凝土结合段为研究对象，设计并制作了相似比为1∶5的全截面缩尺模型，进行了有限元分析和试验研究，分别考察正常使用工况、超载工况及破坏工况下钢-混凝土结合段正应力分布情况及承载能力。

目前，国内外尚无专门针对钢-混凝土混合梁设计的标准和规范，故这类桥梁的设计还存在许多亟待解决的问题。为此，本文以渭河特大桥钢-混凝土结合段为研究对象，采用ANSYS软件建立有限元分析模型，对钢-混凝土结合段钢箱梁和混凝土箱梁进行力学特性分析，以期对钢-混凝土混合梁技术的研究提供借鉴。

1　工程概况

渭河特大桥是陕西省西铜高速公路跨越渭河的一座特大桥。该桥最大跨径165 m，最大墩高44 m，全长1 049.25 m。主桥上部结构为69 m+7×90 m变截面预应力混凝土连续箱梁 +（90+165+ 95.25）m预应力混凝土连续刚构。其中，第1联变截面预应力混凝土连续箱梁最后1跨的边中跨跨径比达到了1∶1，如果仍采用钢筋混凝土箱梁，则结构受力难以满足规范要求。因此，在最后1跨设置了长53.68 m的钢箱梁以减轻自重、平衡结构受力，同时保留36 m长混凝土箱梁段，并在预应力混凝土箱梁和钢箱梁之间设置结合段，构造成钢-混凝土连续箱梁。钢-混凝土结合段构造示意如图1所示，钢箱梁局部构造示意如图2所示。

图1　钢-混凝土结合段构造示意

图2　钢箱梁局部构造示意

钢箱梁顶板、底板、腹板、加劲肋、横隔板等主要受力构件采用Q345-D级钢。箱梁顶板厚26 mm，底板厚24 mm，边、中腹板均厚28 mm，加劲肋板厚20 mm，顶板U形加劲肋厚20 mm。

2　有限元计算模型

采用ANSYS有限元分析程序建立有限元分析模型。模型截取渭河特大桥混凝土箱梁过渡段11 m、钢-混凝土结合段2.5 m、钢箱梁过渡段2.5 m和钢箱梁5 m，梁段共计长21 m。混凝土箱梁采用单箱双室截面，钢箱梁采用单箱4室截面。箱梁高3.5 m，底板宽14 m，箱梁两边翼缘板宽3.2 m。采用8节点实体单元SOLID65模拟混凝土箱梁和钢-混凝土结合段混凝土结构。采用4节点高阶板壳单元SHELL181模拟钢箱梁过渡段钢构件和钢箱梁段，预应力钢筋采用LINK8单元模拟。混凝土箱梁和钢箱梁有限元模型如图3所示。

图3　钢-混凝土结合段有限元模型

混凝土箱梁混凝土强度等级为C55，其轴心抗压强度标准值为35.5 MPa，轴心抗拉强度标准值为2.74 MPa。钢箱梁钢板主要采用Q345-D钢板，其抗拉强度为470 MPa，屈服强度为325 MPa，抗拉、压强度设计值均为300 MPa。

模型坐标原点取在结合面对称轴上的梁底处，Z轴正方向沿钢-混凝土结合段的纵向、取值范围为0～21.0 m，Y轴正方向沿钢-混凝土结合段的竖直方向、取值范围为0～3.5 m，X轴正方向沿钢-混凝土结合段的横向、取值范围为-10.2～10.2 m。钢与混凝土的材料特性假定为线弹性。

有限元模型边界模拟条件：采用悬臂加载，将混凝土箱梁一侧端面固结，约束混凝土边界上所有节点的自由度；在钢箱梁边界施加内力，内力根据总体计算得到，且钢箱梁边界以截面形心为主节点建立刚域，以使钢箱梁边界各节点变形协调一致，满足平截面假定。

3　静力分析

3.1混凝土箱梁应力

在正常使用荷载下，钢-混凝土结合段混凝土箱梁各部分应力计算结果如表1所示。从表1可以看出，正常使用荷载下，混凝土箱梁过渡段箱梁底板最大Mises应力为1.54 MPa，最大拉应力为1.56 MPa；混凝土箱梁腹板最大Mises应力为1.98 MPa，最大拉应力为0.79 MPa，最大压应力为2.09 MPa；混凝土箱梁顶板最大Mises应力为2.80 MPa，最大压应力为2.14 MPa。混凝土箱梁在正常使用荷载下，混凝土最大拉应力为1.56 MPa，出现在混凝土底板处。在正常使用荷载下，混凝土箱梁过渡段底板边缘和顶板边缘沿桥梁纵向方向的部分应力分布如图4所示。

表1　正常使用荷载下混凝土箱梁各部分受力情况　MPa

图4　正常使用荷载下混凝土箱梁底板、顶板部分Mises应力分布示意

在设计极限荷载下，钢-混凝土结合段混凝土箱梁各部分应力计算结果如表2所示。从表2可以看出，设计极限荷载下，混凝土箱梁过渡段箱梁底板最大 Mises应力为8.2 MPa，最大拉应力为8.3 MPa；混凝土箱梁腹板最大Mises应力为10.6 MPa，最大拉应力为4.22 MPa，最大压应力为11.4 MPa；混凝土箱梁顶板最大Mises应力为15.2 MPa，最大压应力为16.5 MPa。混凝土箱梁在设计极限荷载下，混凝土最大拉应力为8.3 MPa，出现在混凝土底板处，混凝土最大压应力为16.5 MPa，出现在顶板处。由此可知，在设计极限荷载下，需对混凝土箱梁底板局部构造进行加强处理，以增强混凝土箱梁底板混凝土的抗拉能力，确保其在设计极限荷载作用下是安全的。在设计极限荷载下，混凝土箱梁过渡段底板边缘和顶板边缘沿桥梁纵向方向的部分应力分布如图5所示。

表2　设计极限荷载下混凝土箱梁各部分受力情况　MPa

图5　设计极限荷载下混凝土箱梁底板和顶板部分Mises应力示意

3.2钢箱梁段应力分析

在正常使用荷载下，钢-混凝土结合段钢箱梁各部分应力计算结果如表3所示。从表3可以看出，钢箱梁段底板最大Mises应力值为51.8 MPa，最小Mises应力值为25.9 MPa，最大拉应力值为53.9 MPa；底板上U+T形肋的Mises应力最大值为33.4 MPa，顶板上U+T形肋的Mises应力最大值为32.7 MPa，顶板Mises应力最大值为16.7 MPa，均远小于Q345-D钢的强度设计值，表明钢箱梁段在正常使用荷载下，各部分的应力水平均较低，远低于Q345 -D钢的容许应力，具有非常大的安全储备。在正常使用荷载下，钢箱梁段底板边缘和顶板边缘沿桥梁纵向方向的部分应力分布如图6所示。

在设计极限荷载下，钢-混凝土结合段钢箱梁各部分应力计算结果如表4所示。从表4可以看出，钢箱梁段底板的最大Mises应力值为186 MPa，最大拉应力值为193 MPa；底板上U+T形肋的最大Mises应力值为124 MPa，最大拉应力值为130 MPa，顶板上U+T形肋的最大Mises应力值为199 MPa，最大压应力值为180 MPa；顶板最大Mises应力值为为82 MPa，最大压应力值为92.4 MPa，表明钢箱梁段在设计极限荷载下，各部分Mises应力值均低于Q345-D钢的容许应力，钢箱梁段在设计极限荷载下是安全的。在设计极限荷载下，钢箱梁段底板边缘和顶板边缘沿桥梁纵向方向的部分应力分布如图7所示。

表3　正常使用荷载下钢箱梁各部分受力情况　MPa

图6　正常使用荷载下钢箱梁底板和顶板部分Mises应力示意

表4　设计极限荷载下钢箱梁各部分受力情况

图7　设计极限荷载下钢箱梁底板和顶板部分Mises应力示意

4　结论

本文采用ANSYS有限元分析软件对渭河特大桥钢-混凝土结合段建立了有限元模型，对其静力特性进行了计算分析，并得到以下结论：

1）在正常使用荷载下，渭河特大桥钢-混凝土结合段中混凝土箱梁段和钢箱梁段各部分的应力值均远小于C55混凝土、Q345-D钢的容许应力，具有较大的安全储备，混凝土箱梁段和钢箱梁段在此工况下是安全的。

2）在设计极限荷载下，渭河特大桥钢-混凝土结合段中混凝土箱梁各部分的压应力值小于C55混凝土的抗压强度容许值，钢箱梁各部分的应力低于Q345-D钢抗拉、抗压强度的容许应力，混凝土箱梁段和钢箱梁段在此工况下是安全的，具有一定的安全储备，但应注意需采取有效措施预防非结构构件的破坏，防止其发生局部失稳、破坏，从而导致钢箱梁段破坏。

［1］陈开利，王戒躁，安群慧.舟山桃夭门大桥钢与混凝土结合段模型试验研究［J］.土木工程学报，2006，39（3）：86-90.

［2］张国泉，戴少雄.独塔斜拉桥钢混结合段应力分析［J］.结构工程师，2007，23（3）：26-30.

［3］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，2007，24（8）：99-102.

［4］刘荣，余俊林，刘玉擎，等.鄂东长江大桥混合梁结合段受力分析［J］.桥梁建设，2010（3）：33-35.

［5］ 易炳疆，苑仁安，李小珍，等.基于ANSYS的斜拉桥钢混结合段传力机理研究［J］.中外公路，2013，33（5）：70-75.

［6］石雪飞，黄力，阮欣.吴江学院路大桥钢混结合段应力分析［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2013，37（2）：274-277.

［7］张鹏，王学礼，郝宪武.渭河特大桥钢—混结合段设计研究［J］.公路，2013（2）：96-99.

［8］张西丁，石雪飞.拱塔斜拉桥桥塔钢—混结合段空间受力分析［J］.交通科学与工程，2013，29（2）：35-40.

［9］张景峰，李小珍，肖林，等.混合梁斜拉桥钢—混结合段受力行为仿真分析［J］.西南交通大学学报，2014，49（4）：619-699.

［10］姚亚东，杨永清，刘振标，等.大跨度铁路钢箱梁混合斜拉桥钢混结合段模型试验研究［J］.铁道学报，2015，37（3）：79-84.

Analysis to Local Stress Properties at The Steel-Concrete Combined Segment of Weihe Super Large Bridge

ZHU Junfeng1，WU Hongsheng2，LIANG Bin1

To study inner force properties of super large bridge steel-concrete combined segment and explore stress transfer mechanism at the combined segment，this paper uses Weihe super large bridge as project background and adopts ANSYS finite element analysis software to set up steel-concrete combined segment finite element analysis model and carry out study to mechanical properties under 2 working status of normal load and maximum design load on concrete box girder and steel box girder at the steel-concrete combined segment.Study results show that under normal load，the stress on concrete box girder and steel box girder segment is relative low and safety redundancy is higher.Under maximum design load，however，effective measures shall be taken to enhance anti-tensile capability of bottom plate of concrete box girder，so to enable maximum press stress of all part of concrete box girder and tensile stress of all part of steel box girder less than allowed stress，to guarantee certain safety redundancy of combined segment.

steel-concretecombinedsegment；steelboxgirder；concreteboxgirder；finite element analysis

1009-6477（2016）04-0055-06

U448.21+3

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.012

2016-03-07

朱俊锋（1978-），男，河南省临颍县人，博士，副教授。