两类铁路斜拉桥主梁钢混结合段受力性能对比

施 洲，顾家昌，高 贵，杨仕力，宁伯伟

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031； 2.武九铁路客运专线湖北有限责任公司，武汉 430200； 3.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430056)

引言

混合梁斜拉桥主梁沿纵桥向采用不同材料，通常主、边跨分别采用钢、混凝土材料，具有刚度大、跨越能力强、经济性好等优势，已广泛应用于国内外的大跨径公路桥梁中，如多多罗大桥、俄罗斯岛大桥、鄂东长江大桥等[1-3]。目前，混合梁斜拉桥在铁路中的应用相对较少[4-7]，但自宁波铁路枢纽甬江特大桥建成以来，混合梁斜拉桥在铁路桥梁中的应用正不断发展。

钢混结合段作为混合梁斜拉桥主梁两种材料的连接部件并传递主梁内力，其受力与传力特性直接关系到桥梁的安全与耐久性。霍志刚等[8]采用ANSYS软件详细模拟了结合段钢格室、承压板、剪力钉及PBL连接件的构造，并对钢格室与混凝土间的滑移进行了分析。为探究混合梁钢混结合段的刚度分布，刘凯等[9]以石首长江公路大桥为工程背景，建立全桥有限元模型进行整体结构分析，结果表明，采用不灌注混凝土的纯钢格室顺桥向刚度分布更为合理。针对钢混结合段承载能力与传力特性，陈开利等[10]采取模型试验对桃夭门大桥进行了研究，发现钢混结合段具有足够的承载能力。黄彩萍等[11]针对武汉二七长江大桥，通过1∶3的缩尺模型试验考察了荷载作用下结构构件的应力分布，发现钢混结合段具有足够的承载能力。张仲先等[12]采用试验手段对南昌英雄大桥钢混结合段的传力机理进行了研究，结果表明，混凝土的密实性直接影响结合段的传力性能，密实性越好传力越均匀，结构越安全。周阳等[13-14]采用数值模拟和试验分析相结合的方式对国内首座铁路混合梁斜拉桥—甬江特大桥进行了等效分析，结果表明，结合段结构设计合理，满足变形及承载力的要求。YANG S等[15]以深茂铁路潭江特大桥为背景，对结合段的受力与变形性能进行了探究，结果表明，结合段具有足够的刚度与抗弯承载力，满足高速列车行驶要求。目前，钢混结合段的研究主要集中在公路桥梁[16-19]，且已取得较好的成果，而铁路混合梁斜拉桥的钢混结合段构造形式相对较少[20]，相关研究资料更少。因此，以宁波铁路枢纽甬江特大桥及安九铁路鳊鱼洲长江大桥[21]为工程背景，采用数值分析手段对比两类不同钢混结合段构造形式的受力与传力性能。

1 两类铁路钢混结合段形式及有限元模型

1.1 铁路钢混结合段特点

混合梁斜拉桥在公路斜拉桥中应用较为广泛，其结合段长度通常在1.5～2.0 m，且采用等高度钢格室，结合段两侧的刚度过渡段长度也较短，因而，公路结合段刚度变化较大。混合梁斜拉桥在铁路斜拉桥中的应用较少，主要原因在于：①铁路活载大，以跨度468 m为例，双线铁路ZKH竖向静荷载相当于6车道“公路-Ⅰ级”竖向静荷载的4.33倍；②动力效应显著，对各个构件的疲劳性能及耐久性要求较高；③对桥梁线路平顺及整体刚度要求较高。因而，铁路钢混结合段必然更加复杂，以适应铁路荷载作用。相较于公路钢混结合段，现有少量铁路斜拉桥主梁钢混结合段长度普遍在4.0～7.35 m，且结合段内剪力连接件更多，两侧刚度过渡段也相对较长。

1.2 钢混结合段构造形式对比

甬江特大桥为我国首座大跨度铁路专用箱形混合梁斜拉桥，桥跨布置为(53+50+50+66+468+66+50+50+53) m，为双线货运铁路斜拉桥。主梁全宽21.0 m，梁高5.0 m，主跨中部419 m为钢箱梁，两侧各243.5 m为预应力混凝土箱梁，两处结合段均位于主跨内距塔24.5 m。结合段长7.35 m(包含4.05 m的变高度钢格室段和3.3 m的插入混凝土段)，为有格室前后承压板形式，前后承压板分别厚60，28 mm，预应力筋分散锚固在前后承压板上。结合段两侧分别布置5.0 m钢梁刚度过渡段和1.7 m混凝土梁刚度过渡段，如图1所示(以下称作“长结合段”)。

图1 甬江特大桥钢混结合段构造(单位：cm)

鳊鱼洲长江大桥为我国首座高速铁路箱形混合梁斜拉桥，桥跨布置为(2×50+224+672+174+3×50) m，为四线高速铁路斜拉桥。主梁全宽32.2 m(不包含风嘴)，钢梁顶板上浇筑一层15 cm厚混凝土层，主梁全高4.94 m。全桥共设置两处钢混结合段，分别位于227 m跨、174 m跨辅助墩附近。结合段长度均为2.0 m，为无格室后承压板形式，承压板厚60 mm，结合段钢顶板顶底面、底板顶面均设置φ22 mm×150 mm的剪力钉，并设置1.7 m长的PBL锥形开孔板插入混凝土中。钢梁刚度过渡段和混凝土梁刚度过渡段分别长6.0，16.0 m。为使承压板和混凝土梁能够紧密贴合，结合段共设置120束预应力筋，且通过加强在钢梁刚度过渡段内锚固构造，其构造如图2所示(以下称作“短结合段”)。两类铁路钢混结合段构造细节对比如表1所示，两类结合段结构组成及传力方式基本相似，但构造细节上的差别导致传力特点有所差异。

表1 两类铁路钢混结合段构造细节对比

图2 鳊鱼洲长江大桥钢混结合段构造(单位：cm)

1.3 有限元模型

甬江桥中钢结构为Q345qD，混凝土为C60补偿收缩混凝土，鳊鱼洲桥中钢结构为Q370qE，混凝土等级为C55。有限元模型中使用线弹性关系来模拟材料的本构关系，其中，钢材弹性模量取206 GPa，C60混凝土和C55混凝土弹性模量分别取36.0，35.5 GPa。既有研究结果表明[9-12]，由于铁路桥梁安全系数一般较大(>1.5)，采用线弹性关系能够准确反映结构的受力行为。

充分考虑圣维南原理后，甬江桥节段模型总长42.35 m，包含20 m钢梁，7.35 m结合段，15 m混凝土梁；鳊鱼洲桥节段模型总长39 m，包含18 m钢梁，2 m结合段，19 m混凝土梁段。有限元模型中，钢结构采用SHELL63单元进行模拟，混凝土采用8节点SOLID45单元进行模拟，剪力钉及PBL连接件采用梁单元BEAM44进行模拟，预应力筋采用LINK8单元进行模拟。为避免出现畸形单元，相邻单元尺寸相差不超过1倍，其中，结合段中钢结构、混凝土、剪力连接件、预应力筋等单元尺寸在40～60 mm，其余节段单元尺寸在80～100 mm。

有限元模型均采用一端约束，一端自由的悬臂约束方式，即约束模型混凝土端截面所有节点的自由度形成锚固端，并在钢结构端截面形心建立主节点，使之与钢结构端截面所有节点耦合形成局部刚域，并用以加载，有限元模型如图3所示。模型加载计算中，分别提取全桥有限元模型计算中钢混结合段两侧最不利组合内力：最不利正弯矩、最不利负弯矩等组合工况进行计算。

图3 有限元分析模型(单位：m)

2 两类钢混结合段受力对比与分析

2.1 钢结构受力特性对比分析

两类钢混结合段的仿真分析结果表明，最大正、负弯矩工况下结合段具有相似的应力分布规律及传力性能[11-12]，但限于篇幅，以最大正弯矩工况下两类钢混结合段顶部的应力分布规律为例，对比分析两类钢混结合段的受力特性。其中，钢顶板Z1、Z2剖面处的应力沿纵桥向的应力分布结果如图4所示，图中纵向截面的具体位置分别见图1(a)、图2(a)，横坐标以承压板所在截面为原点，混凝土梁方向为正方向。由于甬江特大桥为双线铁路，鳊鱼洲长江大桥为四线铁路，主梁内力差异较大，因而不对应力量值做对比分析，仅对比两类结合段的应力分布规律。

图4 钢结构应力纵向分布情况对比

如图4(a)所示，Z2截面应力明显大于Z1截面，表明钢梁顶面在横向分布不均匀，即剪力滞现象明显。由于在长结合段刚度过渡段钢梁截面面积不断增大，钢梁刚度过渡段应力不断减小，钢梁顺桥向最大压应力为56.8 MPa。在靠近后承压板时，钢梁应力有明显增加，表明钢梁刚度过渡段与后承压板连接位置存在一定的应力集中。在结合段，钢梁应力沿纵向不断减小，表明钢梁通过结合段将内力顺畅传递给混凝土梁。在前承压板前后，应力量值变化较小，表明前承压板对传力影响较小。

如图4(b)所示，短结合段在钢梁刚度过渡段，z1截面应力明显大于中箱z2截面，表明在钢梁段呈现出明显的以边箱受力为主的受力特征，横向应力分布更为不均匀，剪力滞效应更为显著。随着钢梁过渡段顶底板加劲肋截面面积不断增加，边箱z1截面和中箱z2截面应力变化不断下降，钢梁顺桥向最大压应力为96.9 MPa。在预应力锚固位置，由于张拉了预应力，钢顶板应力甚至出现了明显上升。钢梁靠近承压板位置，应力有明显的增加，表明短结合段钢梁刚度过渡段与承压板连接位置也存在一定的应力集中。在承压板前后，钢顶板应力出现了明显下降，表明承压板对结合段纵向传力影响较大。在结合段内，钢梁应力纵向分布曲线的斜率明显大于长结合段，但未出现应力突变。由于边箱对应的是混凝土箱梁的边腹板，因而边箱应力沿纵向下降得更加迅速。

两类钢混结合段对比可见，两者在纵向、横向的应力分布规律基本相似；长结合段后承压板及短结合段承压板处均存在应力突变，表明承压板直接向混凝土集中传力；长结合段由于钢混连接部更长，其传力更加平顺；短结合段应力传递范围短但无显著应力突变及应力集中。

2.2 混凝土受力特性对比分析

在最大正弯矩工况下，两类钢混结合段顶板混凝土应力纵向分布如图5所示，图中横坐标以承压板所在截面为原点，混凝土梁方向为正方向。

图5 混凝土应力纵向分布情况对比

如图5(a)所示，长结合段中混凝土梁也呈现出中箱Z2截面应力大于边箱Z1截面应力的规律。由于长结合段中混凝土梁截面面积先不断增大，后保持不变，再减小，因而混凝土应力呈现出基本不变再不断增加的趋势，整个结合段中混凝土顺桥向最大压应力为11.5 MPa。如图5(b)所示，短结合段混凝土应力纵向分布规律与钢结构较为相似。沿横向也呈现出以边箱受力为主的特征。在钢梁刚度过渡段，由于顶底板加劲肋截面面积增加和预应力效应，混凝土层应力沿纵向先减小后增加，整个结合段中混凝土顺桥向最大压应力为15.4 MPa。由于钢箱梁边箱对应的位置为混凝土箱梁的边腹板，因而结合段混凝土应力在边箱位置减小得更为明显，在混凝土梁过渡段，边箱z1截面应力也小于中箱z2截面。两类钢混结合段应力顶板受力均与钢顶板受力类似。

2.3 剪力连接件受力对比分析

分别提取了长结合段和短结合段顶部剪力连接件最大正弯矩工况下的剪应力，结果如图6所示，横坐标以承压板所在截面为原点，混凝土梁方向为正方向。两类结合段剪力连接件剪应力分布模式较为相似，沿纵向呈现出两头大，中间小的规律，表明结合段中沿纵向每层剪力连接件分担的荷载是不同的，设计过程中需考虑这种不均匀性。由于承压板限制了相对位移的发生，导致结合段远离承压板位置附近剪力连接件的剪应力大于结合面附近剪力连接件的剪应力。两类铁路钢混结合段中，剪力钉剪应力均大于PBL连接件穿孔钢筋的剪应力，原因在于PBL连接件的混凝土榫也分担了一部分荷载，使穿孔钢筋承担的荷载相对较小。

图6 剪力连接件剪应力情况对比

3 两类钢混结合段传力特性对比分析

3.1 传力路径分析

钢混结合段作为连接钢梁和混凝土梁的重要构件，其构造较为复杂，钢梁段巨大的内力将通过结合段平顺地传递给混凝土梁。钢梁传递过来的内力主要通过承压板直接承压、剪力连接件传剪、钢顶底板界面黏结力等方式传递给混凝土梁，如图7所示，结合段传力路径主要有4条，即路径R1、R2、R3、R4，其中，直接承压和端部承压均以钢板和混凝土直接接触的方式进行内力传递，剪力钉和PBL以界面剪力传递的方式完成内力传递。

图7 钢混结合段传力路径

3.2 传力特性分析

在最大正弯矩工况下，多个截面上对钢构件的正应力进行积分，可得到各构件所传递的轴力情况，结果如图8所示，其中，传力比为各构件传递的轴力与截面总轴力的比例。由图8(a)可见，甬江特大桥长结合段各钢构件传力比沿纵向逐渐减小，最终降为0，表明内力由钢梁通过结合段平稳地传递给混凝土梁。在钢混结合面，顶底板和腹板共传递36.3%的轴力，这部分轴力将主要通过布置在顶底板、腹板内侧的剪力钉传递给混凝土(即路径R2)；开孔板共传递29.8%的轴力，这部分轴力将主要通过PBL连接件进行传递(即路径R3)；剩余约33.9%的轴力将通过后承压板直接传递给混凝土(即路径R1)。由于有限元模型中未模拟钢和混凝土的粘结作用，因而无法获得路径R4的传力比。在实际桥梁设计过程中，不考虑路径R4的传力作用，仅将其作为安全储备考虑[10]。

鳊鱼洲长江大桥钢梁刚度过渡段顶底板加劲肋高度逐渐增加，腹板加劲肋截面面积也不断增加，因此，在钢梁刚度过渡段内，顶底板传力比逐渐减小，而顶底板加劲肋传力比逐渐增加。由于鳊鱼洲长江大桥呈现出边箱受力为主的特征，因此，边箱腹板传力比变化较小。由图8(b)可见，在钢梁刚度过渡段起始位置，顶底板、顶底板加劲肋、腹板及腹板肋传力比分别为49.1%，20.7%，17.0%，6.5%，即顶部混凝土层可传递约6.7%的轴力，且随着顶底板肋、腹板肋截面面积的增加，混凝土层的传力比逐渐下降。各构件传力比沿纵向变化较为缓慢，表明这种结合段构造传力较为顺畅。在钢混结合面，顶底板共传递18.3%的轴力，这部分轴力将主要通过剪力钉传递给混凝土(即路径R2)；腹板和顶底板加劲肋共传递26.8%的轴力，这部分轴力将主要通过PBL连接件进行传递(即路径R3)；顶板混凝土层约传递4.5%的轴力，而剩余约48.6%的轴力将通过承压板和混凝土梁的直接承压作用进行传递(即路径R1)。

图8 两类结合段钢构件轴力传递情况

两类钢混结合段对比可知，由于长结合段长度约为短结合段的3.7倍，长结合段中沿纵向剪力钉层数多于短结合段，因而，长结合段通过剪力钉(即路径R2)传递的轴力大于短结合段，结合段传力也更加平缓。虽然长结合段中PBL剪力连接件层数大于短结合段，但两类结合段通过PBL剪力连接件(即路径R3)传递的轴力仅差3%，这是由于PBL剪力连接件属于刚性连接件，其相对滑移较小。此外，由于短结合段传力距离较短，因而通过承压板的直接承压作用传递的轴力比例比长结合段高14.6%。从各构件传力比例的斜率变化情况来看，两类铁路钢混结合段的内力传递都较为顺畅，未出现明显突变，表明两类结合段的传力性能均能满足要求。由于长结合段传力长度更长，传力更均匀；短结合段传力范围小，传力较为迅速，但构造相对更简单。

4 结论

针对大跨度高速铁路长短钢混结合段受力、传力及结构形式的分析，得出以下结论。

(1)长、短结合段在最不利工况下整体均处于受压状态，且应力水平较低，顺桥向钢梁与混凝土梁压应力分别小于56.8，11.5 MPa和96.9，15.4 MPa，满足承载力要求。

(2)两类钢混结合段在纵向的应力分布规律基本相似；长结合段后承压板及短结合段承压板处均存在应力突变，表明承压板直接向混凝土集中传力；纵向正应力沿横向分布均存在显著的不均匀性，表明结合段中均存在明显的剪力滞现象。

(3)两类铁路钢混结合段的剪力连接件受力均呈现出不均匀现象，呈马鞍形分布，结合段远离钢梁端的剪力连接件受力最大。

(4)长结合段通过直接承压作用(即路径R1)、剪力钉抗剪作用(即路径R2)、PBL抗剪作用(即路径R3)分别传递33.9%，36.3%，29.8%，而短结合段则分别传递48.6%，18.3%，26.8%，表明结合段长度及剪力钉数量等设计参数将影响内力的分配。

(5)长短钢混结合段受力及传力分析表明，长结合段传力长度更长，传力更均匀；短结合段传力范围小，传力较为迅速，但构造相对更简单。两类铁路钢混结合段均能够满足承载力及刚度要求。