大跨径钢-混合梁连续刚构桥主桥受力特性分析

裴宪诚

（山东高速畅通路桥工程有限公司，山东 高密 261500）

0 引言

在对大跨径钢-混合梁连续刚构桥的研究中发现，桥体边缘、中跨区域等，均是采用混凝土进行梁架搭设的，相比常规桥梁结构，该结构的桥体具有中桥重力跨度均衡、刚性显著、造价成本低等优势，因此，与该结构相关桥梁已经在我国公路桥梁施工中广泛应用。自我国建成首座混合梁结构桥体，并投入市场应用后，市政单位就开始重视对该结构桥体的研究。根据有关人员的研究成果可知，钢-混结合区段是桥体承载作用力的关键部位，因此钢-混区段在受力后的稳定性也成了影响主桥安全性的评估关键[1]。综合文献检索成果，周阳等研究学者通过构建钢-混区段结构模型的方式，对桥体受力进行了模拟与分析，并提出了主桥在实际应用中的传力机理，证明了钢-混结构在主桥中，整体应力水平相对较低，因此可认为该结构的疲劳受力能力相对较强[2]。该文将综合文献检索成果，对大跨径钢-混合梁连续刚构桥在投入使用中，主桥的受力特性进行分析，并设计一种适用于分析过程的方法，致力于通过该方式，为我国市政工程中的桥梁建设项目施工，提供力学方面的指导意见。

1 钢混组合结构理论分析

钢混组合是指在型钢或钢板等钢结构周围浇筑混凝土，使钢结构与混凝土合二为一，钢材料与混凝土结合后，二者之间存在机械咬合力和套箍力，因此能够共同工作。在连续刚构桥中，主跨钢梁与边跨预应力混凝土之间是桥梁的重要组成。钢混结合段的传力原则是以钢梁中的补强部分将钢梁自身所受的应力分散出去，这些应力通过承压板、钢混黏连力等共同作用传递到混凝土中，再传导到主梁上。

钢混结合部分可以简要分为无格室和有格室2 种，其中无格室又可分为前承压板、后承压板、连接件式、端承压板4 种；有格室可以分前后承压板、前承压板、后承压板3 种。

有格室前后承压板优势在于混凝土箱梁部分浇筑较为容易，且大部分的轴力由前后板及格式中的钢构件来承担，且承压板的应力较为分散；有格室有承压板式优势在于有变截面有利于缓解钢梁刚度，且各劲肋之间的应力传导较为流畅，使格式内部应力较为均匀；无格室承压板优势在于内部劲肋可有效分散承压板所受应力，钢混结合部分易于浇筑，且质量较高；无格室中顶底板与承压板组合式的优势不仅包括上述优点，还包括用劲肋来降低刚度变化幅度。下面对刚构桥主桥的受力特性进行分析。

2 刚构桥主桥受力特性分析方法

2.1 构建大跨径钢-混合梁连续刚构桥主桥有限元模型

大跨径钢-混合梁连续刚构桥主要以跨径布置为主，形成双塔混合箱结构梁斜拉桥，为探究该桥梁结构中主桥的受力特性分析，以某桥梁为例，对其进行有限元模型构建[3]。该桥梁规格为（2×45+210+550+165+4×45）m，承载两线铁路，包括250km/h 客运专线和预留120km/h 客货共线。主桥采用钢—混合梁结构，钢梁整体采用单箱三室扁平钢箱梁。利用ANSYS 有限元模型构建软件，将该桥梁主桥各个结构参数输入，获得1 个主桥有限元模型。结构参数主要包括主桥建设材料、材料密度等。表1 为主桥有限元模型相关参数对照表。

表1 主桥有限元模型相关参数对照表

该文主要针对主桥结构的受力特性进行分析，因此在构建有限元模型时，将主桥受力作为模型函数的目标，因此进一步得出主桥受力模型的目标函数如公式（1）所示。

式中：K为主桥受力有限元模型目标函数，即主桥受力；σ为主桥受到极限荷载的压力后，梁结构能够承受的最大应力大小；dτ为主桥在建设过程中选用材料的最大强度；d为在主桥受到极限荷载压力时，主桥大跨度中心位置上的挠度；[d]为主桥受到极限荷载压力时，主桥大跨度中心位置上的挠度上限；T为主桥在投入使用后其桥梁自身的总质量。结合圣维南原理以及对称性原则，选择该主桥结构上钢—混合梁阶段40.8 m 范围以内的箱梁结构并建模，在该模型的对称面上施加相同的约束条件[4]。在模型中，可通过对钢结构、混凝土结构和剪力钉等进行分单元模拟。结合该桥梁结构的实际情况得出，模型中共包含1 524 252 个节点，单元数量为2 045 422 个。在该主桥有限元模型中，钢板结构被平均划分为多个四边形单元，混凝土结构被平均划分为多个六面体单元。因此，根据上述公式（1），结合ANSYS 有限元模型构建软件完成对其受力特性分析模型的构建。

2.2 绘制主桥桥梁位置与应力曲线

利用上述构建的主桥有限元模型，对主桥桥梁位置与应力的对应关系进行分析，并绘制位置—应力曲线，以便对主桥受力特性进一步分析[5]。为了找到主桥结构中顶、底板等应力分布规律，该文以该主桥上的3 个截面作为分析对象，对其进行编号，分别为ZQ1-DB1、ZQ1-DB2、ZQ1-DB3。分别在主桥桥梁与承压板的不同纵向距离上，对主桥顺桥向正应力进行测量[6]。完成测量后，将相关的参数结果进行记录并从3 个截面中选择2 个位置与应力变化最明显的曲线，针对最不利负弯矩工况作用下沿垂直方向上不同横向位置的主桥结构垂直位移和角度，并绘制成如图1 所示的主桥桥梁位置—应力曲线图。

从图1 可以看出，在不同承重板的纵向距离上，依次被划分为3 个不同阶段和结构，不同阶段分别为钢—混结合段、钢梁过渡段和钢梁标准段；不同结构分别为承压板结构、横隔板结构1 和横隔板结构2。图1 中虚线为主桥顶板结构的纵向截面；实线为主桥底板结构的纵向截面。从图1中可以看出，随着与承重板垂直方向上的距离不断增加，顶板结构的应力在钢—混结合段和钢梁过渡段都呈现出明显上升的趋势，而在钢量标准段逐渐表现出下降的趋势变化情况[7]。而底板结构的应力在3 个不同阶段都呈现出逐渐下降的趋势。从图1 中可以看出，2 组曲线并不平滑，因此进一步说明在主桥结构上钢梁顶板和底板的应力分布不均匀，在边箱梁位置上最为明显，具有明显的剪力滞后效应。该主桥上述受力特性具有典型性，能够代表大部分大跨径钢-混合梁连续刚构桥主桥的位置与应力变化对应关系。

图1 主桥桥梁位置—应力曲线图

2.3 绘制主桥桥梁竖向位移与转角曲线

为进一步探究主桥结构的刚度和变形特性，还需要沿上述选取的典型截面，对主桥结构上各个面抗弯刚度以及形心到截面距离上的转角变化情况进行记录，并绘制主桥桥梁竖向位移—转角曲线，如图2 所示。

通过对承压板和横隔板1 位置上主桥纵向距离和转角变化参数进行记录，得出1 条相对平滑的曲线。从图2 中可以看出，在最不利负弯矩工况作用条件下，钢—混结合段的转角变化存在波动现象，此时钢结构侧的转角相对较大，而在混凝土段的转角基本没有出现明显的变化，从整体上来看，主桥梁承压板和横隔板结构1 上转角的变化并不显著[8]。当主桥受到最不利负弯矩工况的影响，在垂直方向上的位移分布总体上呈现出较为平缓的变化，在主桥结合面的两侧并没有出现较为明显的突变现象。

图2 主桥梁纵向距离—转角曲线图

2.4 基于双曲线的主桥受力特性分析

基于上述主桥桥梁位置—应力曲线和主桥梁纵向距离—转角曲线，对主桥受力特性进行综合分析。在主桥钢—混结合段的不同长度位置上，对其应力分布情况进行分析。在确保各个结构不发生改变的前提条件下，分别选择钢—混结合段上的多组不同长度，通过调整主桥有限元模型上的相关参数，对其进行有限元仿真计算分析[9]。针对不同长度下的钢—混结合段，通过调整顶板结构和底板结构长度、预应力长度等，改变其钢—混结合段长度。完成上述操作后，分析在最不利负弯矩工况条件下的主桥受力情况。由于该文仅针对某一大跨径钢-混合梁连续刚构桥主桥的受力特性进行分析，但在实际应用中，不同桥梁解耦股其相关参数量纲可能不同，因此数值上会存在一定的差异，但参数的变化情况基本保持不变。为了确保该文提出的分析方法能够适用于不同结构的大跨径钢-混合梁连续刚构桥主桥，该文在完成上述操作后，还需要对相关参数进行归一化处理，如公式（2）所示。

式中：R为通过归一化处理后得出的相关参数分析结果；V为带入有限元分析模型中的样本参数；Vmin为带入有限元分析模型中样本参数的最小值；Vmax为带入有限元分析模型中样本参数的最大值。因此，根据上述公式，对得出的分析结果进行归一化处理，进一步提高该方法的实用性。

3 实验论证分析

该文通过上述理论研究，提出了一种针对大跨径钢-混合梁连续刚构桥主桥的受力特性分析方法，为了进一步探究该方法在实际应用中的优势，将其与传统分析方法分别带入同一座该类型的桥梁建筑中，并针对其受力特性进行分析。该桥梁结构整体采用120 m+150 m+120 m 跨度，该桥梁包括钢—混结合段、钢梁过渡段和钢梁标准段。在该桥梁的主桥位置上随机选择5 个不同位置，并分别标号为ZQ001、ZQ002、ZQ003、ZQ004、ZQ005。利用2 种分析方法对该主桥结构上的5 个位置节点进行受力特性分析，并将其各个阶段的最大应力分析结果进行记录，并与实际应力大小进行比较。得出的数据结果越接近实际数值，则说明该分析方法的分析结果越准确，反之得出的数据结果与实际数值相差越大，则说明该分析方法的分析结果越不准确。结合上述内容，完成此次对比实验，并将2 种受力特性分析方法得出的结果记录见表2。

从表2 中的数据可以看出，该文方法得出的分析结果与传统方法得出的分析结果更接近实际各个位置上的应力大小。因此，通过对比实验证明，该文提出的大跨径钢-混合梁连续刚构桥主桥受力特性分析方法在实际应用中能够针对主桥相关参数对受力特性进行更加准确地分析，为后续桥梁施工和维护提供更加可靠的数据依据。

表2 2 种受力特性分析方法实验结果对比表

4 结语

该文通过结合实际大跨径钢-混合梁连续刚构桥项目，将其作为依托，针对其主桥的受力特性提出了一种全新的分析方法。通过对比实验进一步证明，该文提出的分析方法能够有效解决传统分析方法在应用中存在的问题，并针对各个受力特性参数给出其相应的数值和变化曲线，对主桥受力特性更加直观地分析。在后续的研究中，还将针对其他不同类型的桥梁建筑，对其受力特征进行分析，以此提高该文分析方法的适用性范围。