大跨度系杆拱桥主拱钢-混凝土结合段受力状态分析

郑尚敏 程海根 冯龙 张勇

（1.华东交通大学土木建筑学院，南昌 330013；2.中铁二十四局集团新余工程有限公司，江西新余 338025；3.苏交科集团股份有限公司江西分公司，南昌 330000）

钢-混凝土组合结构由于具有诸多优点［1-4］，近些年在我国得到广泛的应用。钢-混结合段是组合结构的关键部位，受力性能非常复杂，其性能决定了结构的承载能力以及安全性。现阶段，针对钢-混凝土结合段的设计理论尚不明确，需要通过试验与数值的方法进行专项研究。文献［5］基于试验分析研究了东平大桥的钢-混凝土结合段受力性能，研究表明设计荷载作用下，结合段具有良好的强度和刚度，应力水平较低。文献［6］基于ABAQUS软件，通过数值模拟的方法对一混合梁斜拉桥钢-混结合段的4种构造单格室模型极限承载力进行研究，得到了其破坏模式。文献［7］通过缩尺模型试验研究了斜拉桥桥塔钢-混结合段的力学行为与传力机理，结果表明钢-混凝土之间相对滑移量较小，且应力分布均匀，二者能协同受力。文献［8］通过缩尺模型试验研究了混合梁斜拉桥（厦门马新大桥）中主梁钢-混结合段的力学行为以及传力机理，结果表明钢-混凝土结构中PBL键的应力水平较低，具有较强的安全储备。文献［9］通过有限元软件ANSYS对混合梁斜拉桥钢-混结合段受力行为进行了仿真分析，发现采用不同的栓钉力学模型时对结合段混凝土的初始裂纹扩展模式有较大影响，但混凝土大部分开裂后裂缝分布的差异不大。文献［10］通过数值分析与试验相结合的方法，研究了系杆拱桥吊杆节点锚固区锚头强度，结果表明双层钢套筒整体强度满足要求。

余信贵大桥是一座中承飞燕式系杆拱桥，主拱肋的钢-混凝土结合段是通过预应力精轧螺纹钢筋、普通钢筋、钢板与混凝土连接。本文通过有限元软件建立全桥以及钢-混凝土结合段的数值模型，对其受力状态进行研究。

1 工程概况

鹰潭市余信贵大桥跨径布置为（48+168+48）m，拱肋构造主要由主、副拱肋以及横向连杆和横撑组成。主拱肋混凝土材料等级为C55，钢结构部分采用Q345qD钢，桥墩混凝土等级为C40。主拱肋跨径168 m，外倾12°，立面矢高48 m，矢跨比1/3.5。副拱肋轴线为空间曲线，跨径130 m，矢高20.742 m，矢跨比1/6.268。拱桥主梁为结合梁，两侧钢主纵梁中心间距29.9 m，钢横梁间距6 m，混凝土桥面板厚26 cm。拱桥吊杆间距6 m，吊杆上端通过吊耳与主拱肋相连，下端锚固于钢横梁。边拱、主拱肋（混凝土段）与边跨混凝土箱形主梁形成边跨三角刚构区。钢拱肋与混凝土拱肋在结合部通过预应力精轧螺纹钢筋、普通钢筋、钢板及混凝土连接。余信贵大桥整体布置见图1，钢-混凝土结合段构造见图2。

图1 余信贵大桥总体布置（单位：cm）

图2 钢-混凝土结合段构造（单位：mm）

2 有限元模型

2.1 整体模型

采用桥梁结构有限元软件MIDAS/Civil 8.05建立余信贵大桥空间整体有限元模型，见图3。计算模型中，吊杆及系杆采用只受拉桁架单元模拟，桥面板采用板单元模拟，其余构件均采用空间梁单元模拟。不考虑桥面铺装的抗弯刚度，桥面铺装及桥面附属设施等均按照等效重量考虑。有限元模型共包含2 376个节点，3 304个单元。其中，梁单元2 618个，桁架单元62个，板单元624个。

图3 全桥有限元模型

根据相关规范［11-12］的规定，结构构件计算分为弹性阶段与非弹性阶段，应力验算应采用标准组合，且汽车荷载需考虑冲击作用。在持久状况下的钢-混凝土结合段应力验算的荷载组合为：1.0恒荷载+1.0钢束一次+1.0钢束二次+1.0徐变二次+1.0收缩二次+1.0汽车荷载+1.0人群荷载+0.7汽车制动力+1.0温降梯度+1.0整体降温+1.0风荷载。荷载的取值参照规范［11-13］为：汽车荷载为城-A级；人群荷载3.5 kN/m2；风荷载为1.9 kN；温度梯度按照100 mm沥青混凝土铺装层取值；整体降温20℃；汽车制动力按规范［11］4.3.5取值。持久状况下，余信贵大桥主拱钢-混凝土结合段的内力见表1。

表1 持久状况下钢-混凝土组合段内力

2.2 局部模型

采用有限元软件ANSYS建立余信贵大桥主拱肋横梁及钢-混凝土结合段有限元模型，见图4。建模时利用8节点实体单元solid65模拟混凝土主拱肋、横梁以及边拱肋，利用4节点壳单元shell63模拟钢-混凝土结合段的钢主拱部分，利用2节点三维杆单元link8模拟精轧螺纹钢筋拉杆。考虑到软件的计算效率，建立1/2主体结构模型分别对横梁节点和钢-混凝土结合段进行细部分析。材料属性参考文献［13］，分别考虑混凝土与钢材的非线性本构模型。边界条件的设置：①位移边界，结合段模型约束跨中横向位移，底部固结；对于横梁节点模型，约束横梁跨中横向位移，主拱底部固结。②力边界，提取整体模型相应节点的内力（轴力、双向弯矩、剪力和扭矩）施加到局部模型上。施加方法为在力边界的截面中心建立节点，通过主从约束将截面上所有节点与设置的主节点形成刚性联系，再将相应的内力施加在该主节点上。

图4 局部有限元模型

3 结果分析

3.1 变形分析

将表1中的荷载施加到横梁模型上进行非线性数值分析。横梁及钢-混凝土结合段位移云图见图5。

图5 横梁及钢-混凝土结合段位移云图（单位：m）

由图5可知，在持久状况下，钢-混凝土结合段的变形是连续的，变形最大值为0.030 m，变形较小。根据文献［13］对结构刚度的要求，折算后该部位的允许变形为0.034 m，故钢-混凝土结合段的刚度及变形满足要求。

3.2 应力分析

分析钢-混凝土结合段中钢结构部分的Von⁃Mises等效应力。持久状况下，钢-混凝土结合段单元应力云图见图6。

图6 钢-混凝土结合段单元应力云图（单位：Pa）

由图6可知：混凝土的最大拉应力为1.63 MPa，小于C55混凝土容许拉应力设计值（1.89 MPa），主拱肋混凝土处于弹性状态；钢结构部分应力最大值为372 MPa，发生在底板与加劲肋结合处。去除底板后，钢-混凝土结合段应力最大值为236MPa（图7），小于275MPa，满足结构设计要求。

图7 去底板后单元Von⁃Mises应力云图（单位：Pa）

图8 设限后底板的单元应力云图（单位：Pa）

将钢-混凝土结合段底板Von⁃Mises等效应力的显示范围设定在Q345qD钢材的抗拉（压）强度设计值至最大等效应力之间，即275～372 MPa，此时钢-混凝土结合段的等效应力云图见图8。可知，应力超限现象仅发生在底板与竖向加劲肋交界处，其他部位无超限现象。该部分的等效应力过大，主要是由于应力集中引起的。目前，常用处理方法是在钢-混凝土结合段设计中将节点处做坡口处理。本项目由于受到各种施工因素的影响，在与施工方及设计方协调后，通过调整主跨系杆张拉力的方式改变拱脚推力的大小，解决了该钢-混凝土连接部分局部应力超限的问题。

4 结论

1）持久状况下，主拱肋钢-混凝土结合段有限元模型变形连续，变形最大值为0.030 m，其刚度及变形满足要求。

2）持久状况下，钢-混凝土结合段的Von⁃Mises等效应力最大值为236 MPa，小于Q345qD钢材的容许应力275 MPa，满足结构设计要求

3）持久状况下，钢-混凝土结合段底板应力超限现象仅发生在底板与竖向加劲肋交界处，可通过调整主跨系杆张拉力的方式改变拱脚推力的大小。

4）采用钢-混凝土组合桥梁设计相关规范对该中承式系杆拱桥进行计算分析，结构的整体受力状态均满足规范的要求。