混合梁斜拉桥主梁钢-混凝土结合段受力性能研究

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(1 福州大学 土木工程学院，福建 福州 350108；2. 福建省土木工程多灾害防治重点实验室，福建 福州 350108；3. 工程结构福建省高校重点实验室，福建 福州 350108)

在混合梁斜拉桥中，主跨常采用钢主梁，边跨采用混凝土主梁，两种材料的主梁在桥塔附近通过钢-混凝土结合段进行连接转换。合理利用钢材和混凝土两种不同材料，使主梁受力性能得到了大幅度的提高，并且具有跨越能力大的优点[1-2]。钢-混凝土结合段因其构造复杂，存在刚度突变，使得该结构受力变得十分复杂，容易形成结构体系的弱点。但是，作为影响结构整体受力和安全性的关键部位，必须确保结合段的受力性能良好、构造细节合理。张凯[3]、胡峰强[4]、伍彦斌[5]、张仲先[6]、谢鸿等[7]通过模型试验和有限元数值模拟，分析钢-混凝土结合段的受力性能，并对其结构提出优化建议。Kim S.E.[8]和Kim S.H.[9]等对工字型钢板梁与混凝土梁的拼接结合段进行了数值计算及大小两种比例的模型试验，对不同连接件形式与仿真计算等进行了研究。钟芮[10]、姜文等[11]对格室的形式、承压板、纵隔板和纵腹板等钢-混凝土结合段组成构件进行受力分析。秦凤江[12]、李小珍[13]、万杰[14]、王西安[15]对不同布置形式、不同粘结方式的剪力键受力性能进行研究。

本文以某混合梁斜拉桥为工程背景，通过全桥杆系有限元模型和精细三维实体有限元模型，进行钢-混凝土结合段数值仿真分析，开展最不利荷载组合作用下钢-混凝土结合段的受力性能研究，可应用于同类桥梁的设计，为同类工程提供参考案例。

1 工程概述

某混合梁斜拉桥为(33+67+200)m独塔单索面混合梁斜拉桥，主跨部分主梁采用封闭式流线型钢箱梁，梁高3.5 m，宽(含风嘴)33 m；边跨主梁采用混凝土梁，梁高及外形与钢箱梁保持一致，在主塔附近通过钢-混凝土结合段转换。

钢-混凝土结合段总长度11.25 m，为了平衡结合段处的弯矩、剪力，在钢-混凝土结合段钢箱梁端部设置多个钢格室结构，在格室中填充混凝土，通过格室钢板与混凝土的摩擦力传递轴力、剪力和弯矩。钢格室腹板上设置PBL 键以提高钢混结合段的延性。钢箱梁与混凝土箱梁之间的连接采用预应力钢绞线，保证连接可靠。其结构构造见图1。

图1 主梁钢-混凝土段构造图(单位：mm)Fig.1 Steel-concrete section of the main girder (unit: mm)

2 有限元模型的建立

2.1 全桥空间杆系有限元模型

采用大型通用有限元软件MIDAS/Civil建立全桥杆系有限元计算模型，分析得到钢-混凝土结合段关键控制截面的内力信息。在模型中，采用梁单元模拟桥墩、桥塔、钢箱梁、钢-混凝土结合段箱梁和混凝土主梁，桁架单元模拟斜拉索。主梁、主塔与墩顶通过刚性连接来模拟，两边跨端部释放纵向平动和横向转动自由度，主墩墩基结合部视为固定支座。全桥共382个单元、504个节点。有限元模型见图2。

图2 MIDAS/Civil全桥模型Fig.2 MIDAS/Civil model of the whole bridge

在承载能力极限状态下，分别考虑移动荷载作用下产生的最不利弯矩和最不利轴力，并与自重、预应力、温度效应等组合得到最不利荷载组合。通过全桥杆系模型计算，按结合面L-L、M-M截面最不利荷载组合得到结合段截面内力，图1中1/2L-L、1/2M-M截面两种规格预应力以均布荷载方式施加在锚板上，分别为P1=32 812 kPa、P2=43 750 kPa，斜拉索索力S1=1 251 kN，同样以均布荷载方式施加在锚板上。混凝土截面采用固结约束，主梁的中纵面上施加横桥向对称约束，钢箱梁侧施加轴力-71 450 kN、剪力-1 785 kN和弯矩17 823 kN。

2.2 钢-混凝土结合段实体有限元模型

根据钢-混凝土结合段几何尺寸，采用大型通用有限元软件ANSYS建立三维实体局部有限元计算模型，为避免边界条件对研究区域的影响，结合段两端分别取5.4 m混凝土梁长以及3.5 m长的钢箱梁加强段、3.75 m长的钢箱梁段。整个有限元模型共有148 106个节点，496 141个单元，如图3所示。

图3 钢-混凝土结合段局部实体有限元模型Fig.3 Local solid FEM of the steel-concrete joint section

模型中钢板采用板单元SHELL63模拟，弹性模量E= 2.06×105MPa，泊松比υ= 0.3，钢材密度ρ=7 850 kg/m3；混凝土采用实体单元solid45模拟，C50混凝土弹性模量E= 3.45×104MPa，混凝土泊松比υ= 0.17，混凝土密度ρ= 2 650 kg/m3；刚臂采用beam188单元模拟。

按照效应等效的原则，在实体有限元模型中，通过施加不同的均布力和集中力，使得实体有限元计算得到的在钢-混凝土交界面L-L处的内力与全桥杆系模型得到的内力相等，进而分析钢-混凝土结合段整体以及局部构件受力情况。

3 钢-混凝土结合段局部受力性能分析

3.1 结构变形

图4为有限元模型分析得到的整体结构变形图。可以看出，在最不利荷载组合下，结构最大变形为5.26 mm，出现在钢箱梁加载端，由于钢箱梁加强段采用了U肋加T肋的构造，从钢箱梁到混凝土箱梁整体变形连续协调。

图4 整体变形图(单位：mm)Fig.4 Overall deformation diagram (unit: mm)

3.2 钢箱节段应力分析

图5为最不利荷载组合下钢箱梁部分的Von-mises等效应力云图。图6～图7为钢箱梁各部分的Von-mises等效应力云图。

图5 钢箱梁应力云图(单位：MPa)Fig.5 Stress nephogram of the steel box girder (unit: MPa)

从图5可知，最大等效应力为300 MPa，出现在顶板T肋翼缘板角点与横隔板的相交部位，应为有限元模型约束造成的局部集中应力，实际结构中横隔板开孔通过T肋，不会出现该现象。钢箱梁各截面顶板压应力小于底板压应力，由于钢箱梁加劲肋的作用，钢箱梁截面应力竖向分布不均，钢梁标准段应力水平较高，而在钢梁过渡段的应力水平有一定程度的降低，到达结合段后应力水平显著下降，各钢板无屈曲现象发生。

图6为钢箱梁上下顶板应力云图，可以看出，最不利荷载组合下，钢箱梁顶板最大等效应力为144 MPa，出现在角点，其余大部分区域应力小于65 MPa，底板最大等效应力为196 MPa，出现在底板与箱梁竖腹板相交位置，其余大部分区域应力小于116 MPa；钢箱梁顶板、底板的U肋和T肋端部相交部位存在应力集中现象，顶板U肋最大等效应力为159 MPa，T肋为68 MPa，底板U肋为270 MPa，T肋为84 MPa。

图6 钢箱梁顶、底板应力云图(单位：MPa)Fig.6 Stress nephogram of the steel box girder roof and the floor(unit: MPa)

从图7可以看出，钢格室与底板相连的腹板下端存在较为明显的局部应力集中，最大等效应力为237 MPa，其余部位应力均比较小；承压钢板应力较高的区域为上下端与钢箱梁顶底板连接的部位，最大应力为 92 MPa；钢箱梁角点局部最大剪应力为143 MPa，除此区域以外的大部分剪应力水平均低于36 MPa。

图7 钢格室应力云图(单位：MPa)Fig.7 Stress nephogram of the steel lattice (unit: MPa)

图8 钢箱梁底板竖向剪应力云图(单位：MPa)Fig.8 Stress nephogram of the vertical shear stress of the steel box girder’s bottom plate (unit: MPa)

图8为钢箱梁底板竖向剪应力云图。从图中可知，钢箱梁最大剪应力为143 MPa，属于有限元模型约束造成的局部集中应力，实际结构不会出现，除此以外的大部分区域剪应力水平均低于36 MPa。

3.3 混凝土节段应力分析

图9和图10为混凝土箱梁的最大主拉应力及主压应力云图，从图可以看出，混凝土最大主拉应力达到4.84 MPa，超过C50混凝土抗拉强度，较大的主拉应力大都出现在混凝土顶板与隔板结合部及翼缘倒角位置，建议通过局部构造加强处理；最大主压应力除预应力筋束锚固位置为27.1 MPa，其余部位主压应力在10 MPa以下。

图9 混凝土主拉应力云图(单位：MPa)Fig.9 Nephogram of the concrete’s main tensile stress (unit: MPa)

图10 混凝土主压应力云图(单位：MPa)Fig.10 Stress nephogram of the concrete’s main compressive stress (unit: MPa)

3.4 剪力滞效应分析

在对称荷载作用下，箱形截面由于翼缘板剪切变形分布的不均匀性，导致箱梁出现“剪力滞”现象。在计算箱梁承载力时，需考虑“剪力滞”对计算箱梁承载力的影响。因此需要对最不利荷载工况下钢箱梁和混凝土梁进行剪力滞效应分析。

图11和图12分别为钢箱梁和混凝土箱梁顺桥向应力云图，从图中可知，由于加劲肋的影响,顺桥向应力沿宽度方向存在一定波动，但箱梁总体剪力滞后效应并不明显。

图11 钢箱梁顺桥向应力云图(单位：MPa)Fig.11 Stress nephogram in the longitudinal direction of the steel box girder(unit: MPa)

图12 混凝土箱梁顺桥向应力云图(单位：MPa)Fig.12 Stress nephogram in the longitudinal direction of the concrete box girder (unit: MPa)

4 结论

1)钢-混凝土结合段在最不利荷载组合工况下，受力较均衡，变形连续协调。

2)对于钢-混凝土结合段中钢箱梁节段的应力，在最不利荷载组合工况下，钢箱梁应力满足要求，各钢板无屈曲现象发生。相交部位存在应力集中现象，建议通过局部加腋进行处理；钢箱梁各截面顶板压应力小于底板压应力，钢梁标准段应力水平较高，而在钢梁过渡段的应力水平有一定程度的降低，到达钢-混凝土结合段后应力水平显著下降。

3)对于钢-混凝土结合段中混凝土箱梁的应力，在最不利荷载组合工况下，混凝土最大主拉应力达到4.84 MPa，超过C50混凝土抗拉强度，较大的主拉应力大都出现在混凝土顶板与隔板结合部及翼缘倒角位置，建议必要时应增加钢筋用量，进一步优化局部受力；最大主压应力除预应力筋束锚固位置为27.1 MPa，其余部位主压应力10 MPa以下，满足要求。

4)箱梁总体剪力滞后效应不明显。