混合连续梁桥钢混结合段实体受力仿真分析

李翔

（中铁桥隧技术有限公司，江苏 南京 210061）

0 引言

混合梁是近几十年桥梁发展新的结构，但大都应用于斜拉桥中，由于混合梁的各方面的优势逐渐被广泛应用于连续梁桥。钢混结合段是混合梁桥主桥中连接混凝土梁和钢梁的关键部位[1]，其结构构造由钢格室、室内混凝土、普通钢筋、预应力钢绞线及PBL剪力键等组成。

石雪飞等[2]对吴江学院路大桥钢混结合段运用实体有限元软件进行实体仿真分析，为设计和施工提供了可靠依据。姚亚东等[3]按1∶5设计了宁波甬江特大桥钢混结合段的缩尺模型，对正常使用、超载、破坏三种工况进行了有限元分析和试验论证。张景峰等[4]以乌苏大桥为对象采用有限元对钢混结合段部位的受力进行了非线性数值仿真分析。张景峰等[5]以乌苏大桥为对象采用有限元对钢混结合段部位的受力进行了非线性数值仿真分析。

目前，国内外还没有关于钢-混凝土混合梁的规范和设计标准，关于这类桥尚有较多等待解决的问题。本文以某混合连续梁桥为依托，建立钢混结合段实体有限元模型进行受力仿真分析，为深入研究同类桥梁结合段的部位受力性能提供参考。

1 工程概况

某三跨混合连续梁桥，主跨100为钢混结合梁，主跨跨中47m部分为钢箱梁，跨中其余部分及两侧边跨为50m混凝土梁。利用边跨混凝土梁的压重效果来调整了主跨的正弯矩，同时主墩两侧助理重量减轻，减少了桥墩附近的负弯矩，使得全桥受力性能加强。主梁混凝土部分为预应力混凝土梁结构，采用挂篮法对称施工，钢箱梁为预制场制造后整体吊装，大大缩短了施工时间。

钢混结合段是混合连续梁桥的重要传力部位，它连接着钢箱梁和混凝土梁，其内部构造为钢格室填充混凝土，纵向预应力穿过结合段并锚固在钢箱梁连接段内。结合段长度为1.5m，其构造主要为钢格室、剪力板、剪力钉、普通钢筋和混凝土，钢混结合段立面如图1所示。

图1 钢混结合段立面

2 有限元模型建立

运用桥梁实体仿真软件FEA建立钢混结合段模型，根据圣维南原理指出，只要荷载的合力正确，那么原来荷载作用区的地方，荷载的精确分布就不重要了。为研究结合段的准确受力情况，需截取结合段两侧混凝土梁和钢箱梁一部分，避免荷载直接加载钢混结合段中产生的应力集中现象，故实体模型由8.8m混凝土箱梁段、1.5m结合段、7.2m钢箱梁段组成，实体模型共长17.5m。

因为钢混结合段内部构造十分复杂，全部模拟实体情况比较困难，若严格模拟剪力钉会使实体模型计算过于庞大，计算结果比较复杂且计算结果重点不突出。由于经过前人的分析论证钢格室和室内混凝土之间的相对滑移量很小，对钢混结合段传力情况和受力情况影响较小，故简化了圆柱焊钉。

实体模型中钢箱梁和混凝土箱梁采用实体单元，预应力钢筋采用线单元。钢混结合段实体有限元模型如图2所示。混凝土箱梁、钢混结合段和钢箱梁采用共节点耦合的方式连接，钢箱梁段采用Q345q-D钢，混凝土箱梁段采用C55，预应力钢绞线抗拉强度为1860MPa。

3 受力分析

3.1 传力效果分析

钢混结合段FEA实体模型建好后，首先分析其在单一荷载作用下的传力效果，既能够验证实体模型建立的准确性，还能总结出其的传力情况和一般规律。通过在混凝箱梁侧截面采用固定约束，即为固定端，通过在钢箱梁截面处分别施加单一荷载轴力、剪力及弯矩，通过实体模型运行分析钢混结合段在单一荷载作用下的受力情况，且不考虑钢混结合段自重和预应力钢绞线产生力的作用。由于篇幅有限，本文只分析结合段在弯矩荷载作用下的受力情况和传力规律。

对钢混结合段实体模型受力分析位置进行规定，因钢箱梁横向截面左右两侧对称，取一侧腹板位置为分析对象，即结合段处的钢箱梁腹板H-H截面；钢混结合段格室腹板中间位置I-I截面为混凝土应力特征位置；钢箱梁应力特征位置为钢格室两个竖向腹板位置也为I-I截面；最后取结合段顶板和底板位置为纵向受力特征位置，结合段受力取值特征位置如图3～图6所示。

图3 应力取值位置立面图

图6 截面I-I钢箱梁取值位置

分别取3种弯矩加载工况进行钢混结合段实体仿真单一荷载作用下的受力分析，荷载工况一为钢箱梁侧施加1000kN·m的弯矩；荷载工况二为钢箱梁侧施加2000kN·m的弯矩；荷载工况三为钢箱梁侧施加4000kN·m的弯矩。经分析发现其传力规律和效果跟作用荷载的大小无关，故本文仅展示在钢混结合段在荷载工况三下的应力曲线图，即在钢箱梁侧施加4000kN·m的弯矩。结合段传力曲线应力如图7所示。

图4 截面H-H钢箱梁取值位置

图5 截面I-I混凝土梁取值位置

从图7可以看出钢混结合段实体有限元模型中的钢箱梁腹板应力、钢格室腹板应力和格室内腹板混凝土应力变化情况，钢混结合段仅在一种荷载工况下传力情况良好，且传力规律跟施加荷载大小无关。当荷载通过钢箱梁传递到结合段时，主要靠钢格室内的混凝土与钢格室的粘结摩擦传递荷载。钢箱梁和混凝土梁受力情况跟受弯梁截面相似，且随着荷载的不断传递，受力也越来越小，表明结合段可以扩散弯矩荷载的作用。

图7 结合段传力曲线应力

从顶底板中间位置应力图中可以看出，钢混结合段实体有限元模型纵向传力平稳，无明显突变，说明结合段处的刚度从混凝土箱梁到钢箱梁缓慢过渡，钢混阶段整体传力效果较好。

3.2 施工阶段应力分析

运用迈达斯Civil建立混合连续梁桥整体空间系杆模型，根据施工图纸划分施工阶段，严格模拟施工顺序，经施工阶段分析后确定在最大悬臂状态时，即结合段吊装完成并张拉预应力后为结合段施工阶段的最不受力情况，此时桥梁为单悬臂状态，结合段受预应力荷载作用受力最大。

在Civil中提取混凝土箱梁截面和钢箱梁截面处的轴力、剪力及弯矩施加于实体模型上，模型运行后发现格室内锚固区的混凝土有受力失真的情况是因为模型简化了锚垫板构件，现实中不会出现失真的现象。排除应力失真部分，得出混凝土的第一主应力在-0.5～1.6MPa之间。

另分析发现钢格室内的剪力键与其混凝土黏结的地方出现了2.6MPa的主拉应力，大于混凝土的抗拉设计值，分析发现张拉力传递给格室混凝土后进而分摊给PBL剪力键，导致结果超限。本文结合段没有建立剪力钉，若剪力钉模拟后可能会使混凝土的主拉应力较小，甚至小于混凝土抗拉强度设计值，因剪力钉建立较麻烦且建好后模型运行十分困难，在此没有考虑剪力钉的作用。

3.3 使用阶段最不利荷载组合下应力分析

本小节分析结合段在使用阶段下的受力情况，从Civil系杆空间模型提取出最不利荷载下的截面力值施加到实体模型中，分析得出混凝土受力没有超限现象，应力基本在-1.0～1.3MPa区间，但是在剪力键与混凝土结合处发现了应力超限问题，出现了高达5.5MPa的拉应力，超过了混凝土的抗拉强度设计值。

4 结语

（1）通过建立钢混结合段实体仿真模型，分析了结合段实体模型在单一荷载作用下传力效果，分别模拟了在单一荷载剪力、弯矩及轴力作用下的受力规律和传力效果。文中展示了结合段在弯矩荷载工况下的特征部位应力变化曲线，分析结果表明，应力传递规律及效果跟荷载大小无关，且传力平稳。

（2）在施工阶段分析中，结合段预应力张拉完为最不利受力状态，此时桥梁处于单悬臂状态，本文考虑了全部预应力张拉，分析结果表明，去掉应力失真部分，钢格室受力满足要求，但在剪力键与混凝土连接的地方，混凝土出现了较大的拉应力3.9MPa，大于混凝土强度设计值，是因为没有严格模拟剪力钉，以及考虑了预应力张拉最大效应，现实中结合段预应力张拉为分批张拉，待全桥合龙后张拉全部预应力钢绞线。

（3）在成桥最不利荷载组合下通过分析发现混凝土受力没有出现超限现象，应力基本在-1.0～1.3MPa区间，但是在剪力键与混凝土结合处发现了应力超限问题，黏结处有高达5.5MPa的拉应力，在此受力作用下明显超过了混凝土的抗拉强度设计值。

（4）混凝土的抗拉性能较差，而钢混结合段构造和受力十分复杂，建议桥梁结合段施工时钢格室内采用高性能混凝土增强其抵抗抗拉破坏的能力，另外预应力钢绞线应分批张拉，待全桥合龙后张拉全部预应力钢筋。

（5）本文以某混合连续梁桥为背景依托，根据局部模型建立原理，建立桥梁局部仿真模型，选取不同加载工况，分析了结合段的传力效果、施工阶段和使用阶段下的受力情况，可为混合连续梁桥设计人员提供理论参考。