钢-混结合段力学性能研究及有限元模型分析

周 阳，周佳雨，蒋李志宏，张永奇，罗健辉，曾 川，蒋 伟

(成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

随着我国高速铁路的大规模建设，实际施工工程需翻山越岭、跨江跨海，桥隧比占比较大，对桥梁结构跨度、承载能力及建造技术等方面提出了相当高的要求.斜拉桥是由受拉索和承弯梁组成的结构体系，具有跨越能力大、造型美观等优点[1-2].我国高速铁路中众多关键性工程都采用斜拉桥，如宁波铁路枢纽北环线中的甬江特大桥[3-4].目前最大跨度的公路铁路两用斜拉桥通沪铁路中的沪通长江大桥[5]，建成后将成为世界最大跨度公路铁路两用斜拉桥.常泰长江大桥[6]、川南城际铁路中在建的临港长江大桥[7]以及近期设计方案通过评审的甬舟铁路中的桃夭门大桥[8]等也采用斜拉桥.

混合梁斜拉桥与传统斜拉桥相比，边跨采用混凝土梁，不仅增加了桥梁整体刚度，还能避免在跨中荷载作用下支座产生的负支反力[9-10].混合梁斜拉桥跨中采用钢箱梁、边跨采用混凝土梁，两者的结合部一般被称为钢-混结合段[11].钢材和混凝土两种材料性能差异较大，要将各种内力在钢梁和混凝土梁中平稳传递，因此，钢-混结合段的设计合理性尤为重要[12].钢-混结合段结构形式复杂，一般包含外部钢箱梁、内填混凝土梁、剪力键、预应力钢束及承压板等结构.根据对已建混合梁斜拉桥钢-混结合段的研究，因结合段设计各异，并未形成统一的结构形式.相关学者对各桥钢-混结合段的力学性能开展了大量研究，刘荣等[13]对鄂东长江大桥钢混结合段建立局部有限元模型，对其受力分布和传力比例进行分析；唐亮等[14]结合钢混结合段受力特点，建立结合段局部简化有限元模型，对其受力特点及各结构参数影响进行了分析；霍学晋等[15]对重庆永川长江大桥主桥钢-混结合段进行非线性有限元模型分析，对承压板、剪力钉及PBL剪力键传力比例等进行了研究.

本研究以某大型混合梁斜拉桥为例，利用大型有限元软件ANSYS，建立了钢-混结合段局部仿真模型，并对其力学性能进行分析研究，以供同类型工程参考.

1 钢-混结合段有限元模型建立

某大桥钢-混结合段设计长度为7.35 m，并设置了5 m长的刚度过渡段，结合段采用变高度过渡设计法，为承压板-有格室式构造，如图1所示.该钢-混结合段内设置预应力钢束和普通钢筋，并设置3道横隔板，格室纵向隔板上开4孔、顶板开3孔便于混凝土浇筑.结合段采用剪力钉和PBL剪力键共同传力，格室顶板和底板设置规格为Φ22的剪力钉，即直径为22 mm，间距为150 mm布置；侧板上设置PBL剪力键，其开孔直径为Φ60mm，并贯穿直径为Φ25mm的钢筋以增强抗剪能力，混凝土采用C60膨胀型混凝土.为保证传力平顺，在刚度过渡段内顶底板设置了U型加劲肋和T型加劲肋.

考虑到该桥钢-混结合段截面巨大，构造复杂，不利于精细化有限元模型分析，且根据有格室式结构各个格室的独立性等特点，选取某一格室建立ANSYS精细化有限元模型，并对其受力特性进行分析.有限元模型中钢结构部分，包括钢箱梁、横隔板及承压板采用板壳单元SHELL63模拟，混凝土采用实体单元SOLID65模拟，预应力钢束采用杆单元LINK8模拟，剪力钉和PBL剪力键采用梁单元BEAM44模拟.考虑到承压板、剪力键和混凝土之间的相互作用，采用约束方程将承压板结构、剪力钉单元和混凝土单元节点耦合，变形协调，钢结构的其他部分和混凝土则模拟为分离状态，将两者间的粘结力等设为安全储备.结合段钢结构部分和混凝土部分三维有限元模型图如图2所示.

2 钢-混结合段力学性能分析

2.1 钢结构受力分析

图3～5为在最不利工况作用下斜拉桥钢格室顶板、顶板及侧板沿桥纵向应力云图.

由图可知，沿顺桥向钢格室顶板、底板及侧板压应力沿结合段逐渐减小，应力过渡平顺.顶板、底板和侧板的最大压应力值分别为-82.6 MPa、-50.8 MPa、-87.4 MPa，都出现于与承压板焊接的端部.由于此处是结合段开始传力的端部，且顶板、底板及腹板在此处与承压板焊接，应力环境复杂，容易造成应力集中和疲劳现象.因此，此处施工中应避免焊接残余应力等产生.同时，与底板相比，顶板上设置有混凝土的浇筑孔，侧板上也设置了孔洞方便混凝土流通.从应力云图中可以看出，底板传力较均匀，而顶板和侧板因开孔其应力下降较快，底板及底板上设置的剪力钉起主要传力作用.

结合段设置3道横隔板，从钢梁到混凝土梁方向按顺序分别称为横隔板1、横隔板2及横隔板3.图6～8为3道横隔板等效应力云图.

由图6～8可知，横隔板应力水平较低，最大等效应力仅为9.3 MPa，应力较大位置出现于与钢格室顶底板、侧板焊接位置，最大应力出现于横隔板、底板及侧板焊接处.总的来说，横隔板对结合段传力影响较小，但可以增加结合段整体刚度.

2.2 混凝土受力分析

图9为混凝土正应力云图，从图中可以看出，混凝土部分最大压应力为-27.5 MPa，出现在与标准混凝土梁段接触处.由于此处为钢-混结合段，标准钢箱梁段已将内力全部传递到标准混凝土梁段，内力全部由混凝土梁承担，所以混凝土梁内压应力最大.

将钢-混结合段中结合面混凝土单独提取出来，其正应力云图如图10所示.

从图9和图10看出，在承压板与混凝土接触面、混凝土与剪力键接触部位、预应力钢绞线通过混凝土的部位，均出现了应力集中现象.从图10中可知，钢-混结合面整体处于受压状态，最大压应力值为-7.4 MPa，混凝土截面整体受力水平较低.

2.3 钢格室传力分析

图11～13为底板、顶板及侧板沿顺桥向应力水平变化趋势图.由于构造原因，在顶板和侧开各开了3处和4处孔洞，便于混凝土的浇筑和流通，导致钢格室各板在应力传递过程中会出现一些突变(图11～13中已标注).在距承压板端部600 mm范围内，由于侧板高度的变化，此时侧板压应力随着距承压板距离增大而减小，底板和顶板压应力水平则稍微增大.接近顶板和侧板第一个开孔处，由于此处截面的削弱，顶板和侧板压应力呈现出先增大后减小的趋势，在之后开孔处也出现了同样的趋势，图12、13为开孔应力变化趋势图.由于顶板较侧板和底板短，在图11中可以明显看出，沿板长方向4 475 mm，在顶板长度方向结束处底板压应力有增大的趋势(见图11中第2处标记)，而此处正对应侧板第3处开孔位置，从图13可以明显看到此处侧板压应力水平较第2处开孔位置大，说明侧板应力也有增大趋势.总的来说，从图中可以看出钢格室整体应力水平较低，且过渡较平顺.

3 结 语

本研究以某大跨度混合梁斜拉桥为例，建立其钢-混结合段局部ANSYS有限元模型，并对其受力性能进行分析，主要得到以下结论：

1)在最不利荷载作用下，钢格室整体受力水平较低，在局部钢板焊接部位易出现应力集中现象.结合段中横隔板对传力影响较小，但可以增加结构整体刚度.

2)结合段内混凝土梁应力水平较低，在与承压板、剪力键及预应力钢绞线接触位置会出现应力集中和较大拉应力.通过分析钢-混结合面处混凝土受力状态可知，结合面整体处于受压状态，受力合理.

3)结合段钢格室各板沿纵向应力变化较平顺，应力水平较低.但在混凝土注浆开孔处，截面被削弱会增大此处各板应力水平，减少了与混凝土梁的接触面积，导致减弱了其传力能力，因此，需合理设置注浆孔的位置、数量等.