过渡段长度对混合梁桥的受力影响

宋和骏 刘文会* 姜 旭 孙海蛟 魏远大

(1:吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130018; 2:吉林省交通科学研究所,长春 130012;3:大连市政工程有限公司,大连 116000)

1 工程概况

混合梁桥是用组合梁来代替连续梁中跨的部分梁段,其余中跨结构和边跨梁段仍然选用预应力混凝土梁,这样不仅使整体结构自重减轻，提高其承载能力和跨越能力，而且使结构具有良好的耐久性和稳定性，充分展现混凝土和钢梁各自的优势和性能，混合梁桥是一种不可替代的新型结构，具备良好的发展空间.过渡段的长度影响着组合梁和混凝土梁的内力过渡情况,同时保证接头部位刚度平稳过渡，其行车具备平顺性和舒适性也尤为重要，因此,过渡段长度的确定,可以改善结构的整体受力性能.国内一些学者依托实际工程对结合部的受力进行分析,如李金光[1]以南昌至九江城际铁路永修特大桥为例,通过对接头进行的解析分析以及对接头进行有限元数值分析,探讨了接头的传力规律；王军文等[2]人以重庆石板坡长江大桥为工程背景,采用有限元软件 ANSYS 创建结合段局部的空间有限元模型,并对结合段局部应力作出研究.徐国平等[3]人总结了混合梁接头的不同构造形式、受力特性、应用情况及优缺点.本文采用有限元软件MIDAS CIVIL，建立5个不同过渡段长度的桥梁有限元模型,对桥梁结构进行受力分析比对,得到较合理的过渡段长度.

本文将长春市某三跨预应力混凝土连续梁桥作为工程背景,该桥跨径设置为85m+150m+85m,采用单箱单室截面,箱梁顶板宽14.5m,底板宽7.5m,墩顶梁高为8.5m,跨中及边跨直线段梁高均为3.5m,跨中曲线部分梁底以1.8次抛物线过渡,部分中跨用组合梁代替,形成组合-混凝土混合梁桥,但外观和原混凝土结构依旧相同,见图1.组合梁部分的钢箱梁采用山字形开口截面型式,上翼缘厚25mm,腹板和底板厚20mm,其截面尺寸见图2.

图1 组合-混凝土混合连续梁桥Fig.1 Composite concrete composite continuous girder bridge

图2 钢-混凝土组合梁截面尺寸图(单位:mm)Fig.2 Section dimensions of steel and concrete composite beams(Unit:mm)

2 MIDAS CIVIL有限元模拟

2.1 主梁及边界条件的模拟

采用梁单元模拟混凝土主梁,不考虑桥面铺装对箱梁刚度的作用.通过软件自带的界面特性计算器来计算组合梁和2.5m过渡段的界面特性.对于1.5m混凝土填充段截面,需采用一个与实际截面的截面特性相同的截面来代替.边界条件的模拟选择一般支持模拟支座的约束.本桥采用悬臂施工法，存在体系变化，所以在建立边界条件时不仅要模拟成桥的边界条件,还应该考虑施工过程中的边界条件.依据全桥结构的总体构造布置,运用MIDAS CIVIL建立有限元模型,见图3.

图3 MIDAS CIVIL有限元模型Fig.3 MIDAS CIVIL finite element model

2.2 混合梁桥过渡段长度的选取

混合梁桥接头由混凝土填充段和组合梁过渡段构成,考虑组合-混凝土连续混合梁受力特点，结合实际工程中一般选用1.5m的过渡段,研究当步长每增加0.5m时，对混合梁桥的受力影响.本文分别选取1.5m,2.0m,2.5m,3.0m,3.5m的过渡段长度,建立桥梁结构的MIDAS CIVIL有限元模型进行计算分析.

2.3 混合梁桥的施工方法

运用节段悬臂浇筑施工方式,首先对主墩开始施工,对0号块进行支架浇筑,其次放置主墩支座,将主墩和0号块做临时固结,再对称悬臂浇筑其余梁块.与此同时,开始对边墩施工,边跨满堂支架现浇,混凝土到达龄期以后对边跨合拢；然后拆去主墩临时固结,再开始钢-混凝土组合梁段的施工,成桥拆去边跨的支承；最后进行桥面铺装和护栏施工.

在整个进程中,因为作用在梁桥上的荷载和支撑条件都会产生改变,所以混凝土的收缩、徐变、自重及施工荷载的改变都会导致内力改变,因而施工过程对成桥后的力和形变有巨大影响.考虑施工方法对桥梁整体的作用,运用MIDAS CIVIL对施工阶段做出模拟,并用施工阶段联合截面模拟组合梁段的施工过程.

3 MIDAS CIVIL有限元模拟结果及分析

3.1 过渡段长度变化对主梁弯矩的影响

桥梁悬臂施工过程使桥体面对不同体系的转变,并影响着桥梁整体的内力,所以研究时包含了施工方法对桥梁结构内力的作用.三跨连续梁桥属超静定结构,在恒载作用下负弯矩影响支点变化,正弯矩控制跨中设计.本文仅给出过渡段长度为2.5m的桥梁结构有限元梁单元弯矩示意图,见图4.

图4 MIDAS CIVIL梁单元弯矩示意图Fig.4 Bending moment of MIDAS CIVIL beam unit

在恒载作用下,不同过渡段长度的跨中、支点弯矩变化见图5和图6.从图5、图6可以看出,主梁过渡段长度由1.5m增至3.5m,跨中弯矩逐渐变小,支点弯矩绝对值逐渐变大.

图5 不同过渡段长度的跨中弯矩变化图Fig.5 Variation of span length oftransition segments the fulcrum

图6 不同过渡段长度的支点负弯矩变化图Fig.6 The negative moment variation of differentof the length of different transition segments

从图5,图6还可以看到,不同过渡段长度对弯矩以及支点负弯矩的影响并不是很大.过渡段长度为3.5m的跨中弯矩比过渡段长度为1.5m的跨中弯矩仅小1.4%;相反,过渡段长度为3.5m的支点负弯矩绝对值比过渡段长度为1.5m的支点负弯矩绝对值仅大1.7%. 这主要是因为跨中弯矩值和支点负弯矩值是由于边跨的混凝土梁对跨中组合梁起到了锚固和压中作用，使跨中内力和变形降低，支点负弯矩减小，所以，过渡段长度的改变对跨中弯矩和支点负弯矩的影响并不是很大.

3.2 过渡段长度变化对接头处弯矩的影响

钢-混凝土混合梁过渡段是混凝土梁和组合梁的衔接段 ,整体受力易发生破坏,是混合梁桥最重要的一部分.为保证过渡段长度的合理性,仅从接头局部考虑,接头处的弯矩越小越好,并且接头最好承受的弯矩为正弯矩.

在恒载作用下,不同过渡段长度接头处弯矩改变见图7.从图7可以看出,过渡段长度为1.5m～3.5m时,各个接头均受正弯矩作用,且变化方位相同；不同过渡段长度对接头弯矩影响较大,过渡段长度由1.5m增至3.5m,接头处弯矩逐渐减小,过渡段长度为3.5m的接头处弯矩比过渡段长度为1.5m的接头处弯矩小7.2%.主梁过渡段长度越大,接头处弯矩值越小,所以仅从过渡段长度变化对接头弯矩的影响情况考虑,当主梁过渡段长度为3.5m较为合理.

图7 不同过渡段长度接头处弯矩变化图Fig.7 The moment oftransition of the lengthof the transition section

图8 不同过渡段长度接头曲率变化图
Fig.8 The curvature variationof the length of thetransition segment

图9 不同过渡段长度接头曲率变化率
Fig.9 The curvature change ratechart of the length of differenttransition length joints

3.3 过渡段长度变化对接头曲率变化的影响

混合梁钢-混结合段是钢梁和混凝土梁的过渡段,如果两种梁之间的刚度过渡不当,刚度发生明显变化,则主梁竖向变形会不匀顺,使车辆在行驶过程中出现不平顺感甚至产生颠簸感，进而影响乘客的舒适性和安全性.因此，研究结合段的刚度平稳性,主要是分析主梁变形曲线曲率变化的连续性.

在恒载作用下, 以接头左侧5m混凝土位置为坐标原点，取12m局部梁段，分析不同过渡段长度接头曲率变化和不同过渡段长度接头曲率变化率.从图8和图9可以看出,不同过渡段长度对接头曲率影响较大,过渡段长度为1.5m,曲率变化最显著,过渡段长度为3.5m,曲率变化最小.这表明当过渡段长度为1.5m时,其刚度突变的量值较大,过渡段长度为3.5m时,其刚度过渡较为匀顺,刚度过渡的较协调,其行车的舒适性和平顺性也较好.所以,仅从过渡段长度变化对接头曲率的影响情况考虑,当主梁过渡段长度为3.5m较为合理.

4 结语

本文通过建立5个不同过渡段长度的混合梁有限元模型,研究解析在恒载作用下,主梁过渡段长度变化对跨中弯矩、接头弯矩及接头曲率变化的影响,并对混合梁桥过渡段长度的选择进行了研究.结果表明,过渡段长度变化对跨中弯矩及支点负弯矩影响不大.但当主梁过渡段长度为3.5m时,接头弯矩及接头曲率的变化情况相对较好,钢梁与混凝土梁之间刚度过渡较平顺,结构受力较合理,结构变形和内力传递较顺畅,行车的舒适性和平顺性也较好.

[1] 李金光.钢-混凝土接头受力性能及传力机理研究[D].长沙:中南大学,2010.

[2] 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,2007(8):99-102.

[3] 徐国平,刘 高,吴文明.钢-混凝土结合部在桥梁结构中应用新进展[J].公路,2010(2):18-22.