非对称斜拉桥主梁钢-混凝土结合段力学性能分析

陈学雄

(福建省交通建设质量安全中心，福建 福州 350001)

钢-混凝土混合梁斜拉桥因其力学性能优良，近年来逐渐应用于大跨径公路、铁路及公铁两用斜拉桥建设中.混合梁斜拉桥采用混凝土结构边跨、钢结构中跨的组合体系桥梁，减小了主跨梁体内力及变形，降低了边跨支点负反力，加大了桥体的跨越能力，有效发挥钢材与混凝土材料的特性，节约成本，经济性显著[1-2].

混合体系斜拉桥通常采用钢-混结合段进行钢结构与混凝土结构的连接.由于钢材、混凝土材料自身特性存在极大差异，结合段作为混合梁斜拉桥的核心传力部件，其连接构造和受力复杂，设计时易出现薄弱环节，直接影响大桥的使用寿命[3-4].因此，本文针对混合梁结合段进行有限元分析，掌握主梁钢混结合段中钢构件与混凝土构件的受力性能及两者之间力的传递情况，为主梁钢-混结合段的设计和施工提供参考借鉴.

1 工程概况

图1为跨径为961 m的非对称钢-混凝土混合梁斜拉桥，主桥采用半漂浮单侧不对称体系.主跨535 m单侧混合梁斜拉桥(北边跨为混凝土梁，中跨及南边跨为钢箱梁)，北侧边跨内设置2个辅助墩，南侧边跨设1个辅助墩.

图1 混合梁斜拉桥现场

钢混结合段采用部分填充混凝土后面承压板式结合段，连接处钢梁端部为多格室结构，在孔内填充微膨胀钢纤维混凝土与混凝土梁连接成为一个整体，为使多格室部分的钢板与填充的混凝土结合密实，在钢板上设置了圆柱头栓钉和PBL 剪力键，并用预应力钢束将钢梁和混凝土梁连成整体.钢-混结合段纵、横断面如图2所示，9.5 m 结合段由4 m混凝土箱梁段+2 m钢-混凝土结合段+3.05 m钢箱梁加强段+0.45 m钢箱梁段组成.起点为距离索塔中心线向中跨侧8.5 m的位置，另一侧和钢箱梁A梁段连接.结合部顶板厚度为25 mm，底板厚度为25 mm，承压板厚度为45 mm，开孔钢板厚度为22 mm.钢格室长度2 000 mm，高度800 mm.在钢格室与混凝土相接触的顶板、底板和腹板上均设置焊钉和开孔钢板连接件.

(a) 纵断面

(b) 横断面图2 钢-混结合段断面(单位：mm)

2 桥梁静载试验

为了进一步掌握钢-混结构体系在试验荷载作用下的实际受力状态和力的传递机理，本文采用钢-混结合段附近的主梁墩顶最大负弯矩工况的主桥静力荷载试验的试验值，与后续介绍的有限元模型计算值进行比较，以验证有限元模型的正确性.

2.1 控制截面

为了满足鉴定桥梁承载力的要求，静载试验荷载工况的确定用以反映桥梁结构最不利受力状态，荷载试验的设计值按照横桥向布置8车道进行计算，并考虑汽车冲击力.控制截面按结构在公路Ⅰ级荷载作用下的弯矩包络图来确定，图3为其汽车荷载弯矩包络图.

图3 公路I级荷载下主梁弯矩包络图(单位：kN·m)

根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015)，确定本桥静载试验的控制截面(见表1)，控制截面如图4所示.根据主梁弯矩包络图，确定按主梁墩顶最大负弯矩(JM-2截面对应最大负弯矩)布载，横桥向为对称加载.

表1 主梁控制截面及测试内容

图4 控制截面选取

2.2 测点布置

主梁应力监测点布置于距离南岸主塔10 m处附近截面，主梁应力监测断面的具体位置如图5所示.

图5 主梁边跨应力监测断面测点布置

2.3 静载试验数据分析

主梁墩顶最大负弯矩LS-2断面主梁测点不同加荷等级下应变试验值见表2. 表2中，各测点的平均应变均小于理论计算值，主要测点各工况各测点应变效验系数在0.55～0.89之间，说明实际结构刚度比计算模型略大，有良好的安全储备.

表2 主梁墩顶最大负弯矩LS-2断面主梁测点应变(με)

3 有限元模拟

3.1 模型建立

钢-混结合段的有限元模型建立包含钢混结合部、钢梁过渡段、混凝土梁加强段等部分，有限元模型如图6所示.开展不利工况下结合段有限元受力分析，斜拉桥钢混结合段以轴力及面内弯曲作用为主，考虑结构及受力的对称性，选取1/2桥宽进行计算.该有限元模型包含约75万个单元，约63万个节点.

图6 钢-混结合段有限元模型

根据钢-混结合段情况，采用ANSYS分析软件建立有限元节段梁模型总长约9.5 m.结合部钢格室内填混凝土采用Solid186实体单元模拟，该单元共有20个节点，每个节点有3个自由度.钢结构采用Shell181壳单元模拟，该单元每个节点具有6个自由度.开孔连接件和焊钉连接件采用Combin14弹簧单元模拟，以3个弹簧单元为1组，模拟连接件面内2个方向剪切及法向拉伸作用.预应力筋采用Link8杆单元模拟，钢绞线张拉力作为单元初始应力模拟[5].钢与混凝土结合面处设置接触单元对，以传递二者间的法向作用力，从安全角度出发，此处暂不考虑钢与混凝土之间的摩擦力.

3.2 材料性能

钢材采用Q345钢，容重为78.5×(1+1.5%)kN/m3，弹性模量210 GPa，泊松比为0.3；混凝土采用C55等级，容重为26 kN/m3，弹性模量为35.5 GPa，泊松比为0.166 7.钢绞线弹性模量为195 GPa，标准强度fpk=1 860 MPa，其中张拉控制应力为0.75fpk=1 395 MPa，另25%计入预应力损失.焊钉连接件剪切刚度为302.4 kN/mm，开孔钢板连接件剪切刚度取为917 kN/mm.

3.3 边界条件

有限元模型在混凝土梁段端部施加固定约束，在钢梁段端部设置主节点，施加不利工况下主梁轴力、弯矩及剪力作用，钢梁断面各节点与主节点建立位移协调方程.同时依据对称性，对主梁对称面上的节点施加对称约束，如图7所示.

3.4 荷载工况

荷载工况采用在不利荷载组合“恒载+支座沉降+汽车荷载+整体温度+索温差+塔壁温度+主梁梯度温度+制动力+活载纵风”的作用下，钢混结合面承受的最不利内力[6].考虑到斜拉桥主梁钢混结合段弯矩及轴力作用较大，选取最大轴力工况(工况1)、最大负弯矩工况(工况2)和最大正弯矩工况(工况3)3个最不利受力工况，分别施加不利内力，分析混合梁斜拉桥主梁钢混结合段不利荷载作用的受力特性，如表3所示.

图7 钢混结合段边界条件

表3 实桥不利组合荷载工况

4 模拟结果分析

4.1 模型验证

将主梁墩顶最大负弯矩工况的内力(见表3)施加于有限元模型，得到模型的计算应变值，见表2.由表2可见，计算值和试验值吻合较好，即可采用建立的有限元模型用于结合部受力分析.

4.2 结合部应力

限于篇幅，文中只列出最大轴力工况(工况1)时结合部的应力分析情况.钢箱梁段的高应力经过钢梁过渡段的降低后，传至钢格室，依次分析了上格室钢板、下格室钢板、钢格室开孔钢板及钢格室内填混凝土纵桥向应力分布情况.

上格室钢板的纵桥向正应力云如图8所示，可以看出：后承压板在应力传递过程中的作用很大，在顶板上压应力通过后承压板后，迅速地从40 MPa以上下降至20 MPa以下.

图8 上格室钢板纵桥向正应力分布(单位：MPa)

下格室钢板纵桥向正应力分布如图9所示，可以看出：顶板上压应力通过后承压板后，迅速从约40 MPa下降至约15 MPa；同时下格室的钢板除在靠近后承压板处有小范围的应力集中外，大部分应力分布较为均匀.

图9 下钢格室钢板纵桥向正应力分布(单位：MPa)

钢格室开孔钢板纵桥向正应力分布如图10所示，可以看出：开孔钢板最大拉应力为10 MPa，最大压应力为20 MPa.

图10 钢格室开孔钢板纵桥向正应力分布(单位：MPa)

钢格室内填混凝土纵桥向应力分布如图11所示，可以看出：考虑了预应力筋的影响，在预应力锚固处存在较大的应力集中，混凝土与后承压板、T形加劲肋和U肋接触处由于受挤压作用应力稍大，其他部位压应力均在6 MPa以下，整体应力水平不高；纵桥向应力在后承压板、焊钉和开孔钢板连接件的共同作用下，在进入钢格室400 mm处后应力分布趋于均匀，在800 mm处后应力分布已较为均匀，即后承压板、焊钉和开孔钢板连接件的传力效果较好，实现了钢梁中较高应力传递到了混凝土梁段中.

图11 钢格室混凝土纵桥向正应力分布(单位：MPa)

钢格室混凝土横桥向正应力，除混凝土底部设有2排横向预应力筋的锚固位置存在应力集中外，横向压应力水平都较低，均低于5 MPa.

4.3 传力途径

结合部轴力由顶底板、开孔钢板及其连接件和焊钉连接件等传递至混凝土[7]. 上格室焊钉连接件剪力分布如图12所示，可以看出：上格室顶板焊钉连接件沿横桥向最大剪力达到28 kN；上格室底板焊钉连接件沿横桥向最大剪力达到29 kN；承压板附近的焊钉剪力小，远离承压板的焊钉剪力大；横桥向设开孔钢板处焊钉剪力明显减小，钢格室中部焊钉剪力明显增大；而在横桥向中部设有通长的中腹板，存在明显的剪力滞效应，因此中腹板处的顶底板焊钉剪力突然变大.

(a) 顶板焊钉

(b) 底板焊钉图12 上格室焊钉连接件剪力分布

下格室焊钉连接件剪力分布如图13所示，可以看出：下格室顶板、底板焊钉连接件沿横桥向剪力最大剪力分别为37、20 kN；承压板附近的焊钉剪力小，远离承压板的焊钉剪力大；横桥向设开孔钢板处焊钉剪力明显减小，钢格室中部焊钉剪力明显增大；而在横桥向中部设有通长的中腹板，存在明显的剪力滞效应，因此中腹板处的顶底板焊钉剪力突然变大，下格室焊钉剪力比上格室焊钉剪力略大.

(a) 顶板焊钉

(b) 底板焊钉图13 下格室焊钉连接件剪力分布

钢梁段终将通过各部件把内力传递至混凝土段，对结合部混凝土进行受力分析，结合部各部件内力传递分布如图14所示.焊钉连接件和开孔钢板连接件作用力平稳地向混凝土传递，结合部混凝土应力集中得到缓解.

图14 结合部各部件传力曲线

钢梁过渡段通过后承压板传递至结合部混凝土67.2%的轴力，其后顶底板通过焊钉连接件和开孔钢板连接件将轴力平缓地传递至混凝土中，直至结合部轴力全部传递至混凝土中.焊钉连接件承担了16.9%的轴力，开孔钢板连接件承担了15.9%的轴力.

5 结论

1) 通过验证ANSYS 软件建立三维有限元模型的计算值，与成桥后桥梁静载试验的应力实测值吻合较好，判定可采用该模型用于结合部的局部受力分析.

2) 结合段钢梁经过钢梁加劲过渡段应力扩散，经结合部承压板、焊钉连接件及开孔钢板连接件传递，将钢梁作用力较为平顺地传递至混凝土梁段.

3) 钢格室内填混凝土在预应力锚固处存在较大的应力集中，纵桥向应力在后承压板、焊钉和开孔钢板连接件的共同作用下，传力效果较好.

4) 焊钉最大剪力约为37 kN，中心腹板及纵隔板处剪力略大.

5) 由结合部轴力传力比例显示，焊钉连接件承担约16.9%作用力，开孔钢板连接件承担了15.9%作用力，后承压板承担了67.2%作用力.