石首长江公路大桥主梁钢混结合段设计及有限元分析

魏奇芬，丁望星，叶文海

（1.湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉430051；2.湖北交通职业技术学院 湖北 武汉430079）

1 工程概况

石首长江公路大桥位于长江两湖平原地理中轴线，连接潜江、江陵、石首、华容等地，是潜江至石首高速公路跨越长江的一座控制性桥梁工程[1]，也是素有“九曲回肠”之称的长江下荆江河段的首条过江通道。桥址位于湖北省荆州市石首市长江碾子湾附近，项目建设总里程为39.723km，其中长江大桥长10.454km，由主桥、滩桥和引桥组成。

长江大桥采用设计速度100km/h的六车道高速公路标准，桥面宽33.5m（不含布索区）；汽车荷载等级公路-Ⅰ级；主桥采用主跨816m双塔不对称混合梁斜拉桥方案，桥跨布置为（75+75+75）m+820m+（300+100）m；主梁钢混结合面设于北塔附近，并伸入主跨距北塔中心线26.5m；北边跨采用混凝土主梁，长251.5m；中跨和南边跨采用钢主梁，全长1193.5m，见图1。

2 主梁钢混结合段设计

2.1 主梁钢混结合段受力特点

混合梁斜拉桥通常是指斜拉桥主跨采用重量轻的钢梁、边跨采用刚度好的混凝土梁。主跨采用重量轻、抗弯能力强的钢梁以加大跨越能力，边跨采用重量重、刚度大的混凝土梁可以起到很好的锚固作用，且造价较低。该桥型充分利用了钢与混凝土两种材料各自的优良特性，形成了较好的结构受力体系，得到较为广泛的工程应用[2,3]；但钢混结合段是主梁两种不同材料的连接点，主梁刚度和强度在此发生突变，在结构力学上为不连续点，容易导致该处应力集中，从而形成了构造上的弱点。

石首大桥主桥总体计算结果表明，成桥状态主梁钢混结合面最大轴向压力为264136.8kN，运营状态主梁钢混结合面最大轴向压力为288165.3kN，最大正弯距为45778.6kN·m，最大负弯距为-70767.2kN·m，以上内力均计入了预应力效应。考虑到石首大桥主梁钢混结合段需要承受近30万kN的轴力，因此合理确定主梁钢混结合段的位置和连接构造型式，流畅地传递主梁内力（包括轴力、剪力、弯矩和扭矩）及变形，减小附加内力、避免应力集中和变形折角，提高主梁钢混结合段传力能力、抗疲劳性和结构耐久性，是本桥结构设计时优先解决的关键技术问题。

2.2 主梁钢混结合段构造设计原则

钢混结合段是混合梁设计的关键部位之一[4]，其作用是保证钢梁和混凝土梁之间的刚度过渡的匀顺与力传递的通畅。根据主梁钢混结合段受力特性，其构造设计应遵循以下原则：

（1）调整钢箱梁、混凝土箱梁的断面尺寸，使得两侧断面形心位置一致，避免出现弯矩突变；同时要求两侧主梁顶、底板和腹板重心尽量重合，以防止主梁钢板产生局部弯曲和失稳。

（2）钢混结合段的构造设计应保证刚度和强度均顺过渡，外形与钢梁和混凝土梁保持一致。

图1 桥型布置示意图（单位：cm）

（3）钢混结合面应配置一定数量的预应力，以抵抗荷载作用下主梁钢混凝土结合面局部可能出现的拉应力。

（4）钢混结合段位置和构造合理，能较顺畅地传递主梁各项内力及变形，同时结合段及剪力键也应具有良好的抗裂性、抗疲劳性和耐久性。

（5）钢混结合段施工便利，施工质量容易保证。

2.3 主梁钢混结合段位置选择

主梁钢混接合面宜设置在内力和挠度幅度变化较小的位置，同时充分考虑施工的可行性、便利性和经济性；接合面处主梁轴力大可以减少钢混结合段预应力配置，接合面处弯矩和竖向位移变化小，可以降低钢混结合段疲劳应力幅，提高结构的耐久性[5]。

通过比较，最终将石首大桥主梁钢混结合面设置于北塔附近的主跨侧，第1对斜拉索附近；钢混结合面距北塔中心线26.5m，该处主梁轴力大、弯矩和竖向位移幅度小。

2.4 主梁钢混结合段构造

石首大桥是一座主跨820m的超大跨度混合梁斜拉桥，根据该桥跨度大、桥面宽、主梁轴力巨大的特点，钢混结合段构造采用了带PBL剪力键的多钢格室、部分连接填充混凝土的构造方案；钢混结合段全长5.2m（见图2），其中钢格室通过钢箱梁加强段与钢箱梁连接，其内填充自密式混凝土，钢箱梁加强段采用在U肋中间加设T形加劲的方式，长2.0m（见图3）。为保证混凝土浇注时在钢格室内能够自由流动，在钢格室顶板上开设浇注孔，腹板上设置连通孔。为保证钢箱梁与混凝土箱梁紧密结合，在结合段还设有预应力钢筋；

图2 主梁钢混结合段构造图（单位：mm）

图3 主梁钢混结合段局部构造三维图（单位：mm）

考虑填充混凝土应力扩散的需要、钢格室内焊接空间、预应力筋作业空间、填充混凝土施工的便利性等因素，箱形钢格室的结构尺寸设计为长2.0m、高 0.8m、标准宽 0.6m、0.79m；考虑混凝土骨料流动的需要，钢格室腹板及抗剪钢板上开有65mm圆孔，并穿过20mm钢筋与进入该圆孔的混凝土包裹在一起形成钢筋混凝土剪力键（PBL键），该剪力键具有刚度大、强度高，抗疲劳性能好等优点（见图4）。为增加后承压钢板与钢格室内填充混凝土连接有效性，在两者接触部位设置直径22mm，高200mm的剪力钉群。

图4 钢混结合段钢格室构造三维模型图

3 钢混结合段整体计算分析

3.1 钢混结合段整体计算模型

以石首大桥主梁钢混结合段为主要研究对象，为尽可能消除边界条件及加载对结合段的影响，建立计算模型时，取主梁钢混结合面附近相连接的钢箱梁、钢箱梁加强段、钢混结合段和混凝土梁段共四部分进行建模。计算模型全长26m，其中钢箱梁部分取钢箱梁加强段（长3.2m）以外7个横隔板间距的钢箱梁节段，长度16.8m，混凝土箱梁部分取结合段（长2.0m）以外长度为6.0m的混凝土箱梁。

模型材料均按线弹性考虑，混凝土采用C55，钢箱梁主体采用Q345qD，材料参数按规范取值。在钢－混凝土组合结构分析中，采用如下假定：

（1）截面变形过程中遵循平截面假定；

（2）钢板与混凝土板之间粘结可靠，即不考虑结合面相互滑移；

（3）整体计算模型中未考虑普通钢筋、抗剪钢板及PBL键的作用，在下节将单独提取钢格室建立局部模型进行计算分析；

（4）钢板的局部屈曲和焊接残余应力忽略不计。

结构应力分析采用大型通用有限元软件ANSYS，钢箱梁采用空间板壳单元SHELL63，混凝土梁段采用实体单元SOLID65。

由于钢混结合段处主梁剪力和横向弯矩很小，故计算仅考虑主梁竖向弯矩和轴力对结合段的影响，取结合段钢箱梁侧最不利工况组合内力。轴力直接按等效节点荷载施加于钢箱梁端部截面，弯矩先分解成力偶再按等效节点荷载施加于钢箱梁边界节点上[6]；预应力考虑25%的预应力损失，并按等效节点荷载直接施加于钢格室承压板上。受计算规模限制，并考虑到构造和受力的对称性，选取对称结构建立结合段模型，见图5、图6。

图5 钢箱结合段部分模型

图6 模型荷载及边界条件

3.2 钢梁应力分析结果

钢梁应力分析结果见图7、图8。

图7 加强段钢结构VonMises应力

图8 结合段处钢结构VonMises应力

钢混结合段钢格室与混凝土共同受力，钢梁应力通过承压板、开孔板连接件逐渐传递至钢格室内的混凝土，钢梁应力较为均匀。承压板在与U肋和T肋焊接处及锚垫板附近有应力集中区，最大应力值为225.756MPa，但未超出钢材屈服强度；排除应力集中点，结合部位钢构件应力较低，且过渡均匀，绝大部分区域均控制在100MPa内。钢混凝土结合部钢构件在最不利组合下，Von Mises应力均小于容许值231MPa，满足规范要求。

3.3 混凝土梁应力分析结果

混凝土梁应力分析结果见图9、图10。

图9 填充混凝土梁段主拉应力

图10 填充混凝土梁段主压应力

钢混结合段钢格室内混凝土受力较为均匀。在预应力钢束锚固区、内腹板和顶板相交区域存在明显的应力集中现象，剔除应力集中区后，钢混结合段位最不利组合作用下绝大部分混凝土主压应力小于19.44MPa，主拉应力小于2.65MPa，满足规范要求。

3.4 钢格室单元局部分析模型

采用ANSYS有限元程序建立一个独立、完整的钢格室局部模型。顶板处钢格室宽0.6m（横桥向），高0.8m，长2.0m（顺桥向）。底板处钢格室宽0.8m（横桥向），高 0.8m，长 2.0m（顺桥向）。钢格室内PBL键及填充混凝土均采用实体单元（SOLID45和SOLID65），钢格室外壁采用板壳单元（SHELL63）。模型中不考虑钢板与混凝土的粘接摩阻力，假定钢与混凝土之间的剪力传递全部由PBL键承担；模型中也未考虑由φ25mmHRB335钢筋与其环包混凝土之间的粘结－滑移效应，假定为共同作用，且不考虑钢格室内填充混凝土中普通钢筋及剪力钉的作用。

计算荷载取其钢格室单位承受的最不利荷载，并考虑25%的预应力损失，按等效节点荷载施加于锚垫板表面。弯矩换算为力偶后也转化为轴力，故将轴力和弯矩按等效节点荷载施加于钢格室后面承压板上。钢格室端面（混凝土侧）边界固结，钢格室两侧腹板为正对称约束。荷载、边界条件见图 11、图12。

图11 正对称约束示意图

图12 荷载及边界条件示意图

钢格室前、后两端为截面变化处，钢与混凝土两种材料间的作用力传递显著。钢格室的钢结构部分和填充混凝土的受力基本满足规范要求。考虑到承压板对钢与混凝土相对滑移的限制，连接件受力较小，仍有较大的安全储备。

4 结语

石首大桥主梁设计按照“承压－传剪”复合传力模式的设计思路，采用了带多格室结构的后承压板式钢混结合段，具有如下显著的结构特点和先进性：

（1）设置长度2m的钢格室结构进行传剪。既提高了钢混结合段传递轴力的能力，又实现了主梁刚度和传力的匀顺过渡，克服了传统钢混结合段易产生局部应力集中现象的缺点。

（2）采用了带孔钢板（PBL剪力键）进行传力。PBL剪力键强度高，具有良好的刚度和延性，从而提升了钢混结合段的疲劳性能。

（3）摒弃传统的现浇工艺，采用创新性的预制拼装工艺。即边跨混凝土主梁先节段预制，存梁后与钢主梁拼装、填充结合段钢格室自密式混凝土，大幅降低了混凝土收缩徐变效应的影响，提高了钢混结合段的耐久性。

通过有限元分析可知道，石首大桥主梁钢混结合段构造合理、受力可靠、传力平滑，PBL键刚度大、承载能力高、疲劳性能优良，主梁钢混结合段中钢与混凝土的相对滑移量小，能满足石首大桥构造受力的需要。

参考文献：

[1]湖北省交通规划设计院,中交公路规划设计院有限公司.石首长江公路大桥施工图设计图纸[Z].2016.

[2]姚亚东,杨永清,刘振标,等.铁路箱形混合梁斜拉桥钢一混结合段有限元分析[J].桥梁建设,2015,45(1):45-50.

[3]聂建国,刘 明,叶列平.钢一混凝土组合结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[4]陈开利,余天庆,习刚.混合梁斜拉桥的发展与展望[J].桥梁建设,2005(2):1-4.

[5]张志平,贾伟红.鄂东长江公路大桥主梁钢混结合部位置的选取[J].公路,2017(2):118-122.

[6]苏庆田,吴冲,董冰.斜拉桥扁平钢箱梁的有限混合单元法分析[J].同济大学学报,2005(6):742-746.