中承式拱桥鱼腹形主梁钢混结合段受力研究

周志敏

重庆绿发恒越工程设计有限公司 重庆 402760

1 工程概况

主桥采用34+50+80+50m四跨梁拱组合体系，共长220m，跨越同茂大道段主梁采用钢箱梁，其余梁段采用预应力混凝土梁，采用大悬臂鱼腹梁，箱梁顶宽32.0m，底宽24.0m，主梁梁高采用2.0m，主跨采用钢箱拱肋，边跨拱采用钢筋混凝土拱，其余V腿部分采用预应力混凝土结构，下部结构采用桩基接承台形式。

图1 立面布置图（单位:m）

2 主梁钢混结合段

主梁钢混结合段长度为2.5m，包含1.5m的钢结构过渡段以及1.0m的混凝土段，混凝土段采用细石混凝土，PBL剪力板板厚20mm，开孔直径60mm，内置一根20钢筋。

图2 钢混结合段布置图（单位:m）

3 计算模型

采用大型通用有限元软件对钢混结合段进行分析，建立了有限元模型如图3，选取了钢箱梁段1.5m、承压钢板0.05m和混凝土段1.0m作为研究对象；对于混凝土，模型采用实体结构单元来进行单元划分；对于钢箱梁，由于钢箱梁底板、腹板以及T板厚度各不相同，为了反映真实情况，采用实体结构单元来划分，单元划分形式选择自动实体网格划分；对于预应力单元，采用的预应力单元进行划分，在有限元模型中，混凝土端面节点采用固接，对于钢箱梁端面节点，首先在截面形心处建立的主节点，端面节点为从属节点，两者之间建立主从约束（刚性连接），限制主节点x（横桥向）、y（纵桥向）、z（竖向）的位移。

图3 钢混结合段有限元模型

4 计算结果分析

4.1 总体计算荷载

表1 荷载工况组合下最不利荷载值

采用整体模型中提出钢混结合段的内力，利用软件中加入节点力的形式对钢混结合段进行局部受力分析[1]。

4.2 主拉应力

钢混结合段和各组成部分应力分布云图如下图：

图4 主拉应力云图

由上图可知，在最不利的工况下，钢箱梁的主拉应力峰值为10.3MPa，混凝土的主拉应力峰值为0.4MPa，远低于C50抗拉强度设计值1.83MPa；承压板的主拉应力峰值为5.9MPa，出现在底板边缘。钢混结合段主拉应力均低于材料抗拉强度设计值，应力结果满足规范要求[2]。

4.3 主压应力

钢混结合段和各组成部分主压应力分布云图如下：

图5 主压应力云图

由上图可知，在最不利的工况下，钢箱梁的主压应力峰值为10.3MPa，出现在顶板边角处；混凝土的主压应力峰值为0.6MPa，远低于C50抗压强度设计值22.4MPa；承压板的主压应力峰值为4.3MPa。钢混结合段主压应力均低于材料抗压强度设计值，应力结果基本满足规范要求[3]。

4.4 横桥向应力

钢混结合段和各组成部分应力分布如下图。

图6 横桥向应力结果

由上图可知，在最不利的工况下，钢箱梁段的横桥向应力大部分在-3.8MPa 和3.8MPa 以内，其中负号为压应力，正号为拉应力；混凝土横桥向应力较小，在-0.1～0.1MPa范围内；承压板横桥向应力在-1.4～1.6MPa范围内，最值均出现在焊缝位置处，应力结果基本满足规范要求[4]。

4.5 竖向应力

钢混结合段和各组成部分应力分布如下图。

图7 竖向应力结果

由上图可知，在最不利的工况下，钢箱梁段的竖向应力大部分在-3.7MPa 和3.8MPa 以内，其中负号为压应力，正号为拉应力；混凝土竖向应力较小，在-0.1～0.1MPa范围内；承压板竖向应力在-2.1～1.6MPa范围内，最值均出现在焊缝位置处。综上，应力结果基本满足规范要求[5]。

4.6 钢束应力分析

考虑弹性变形损失后的钢束应力在最不利的工况下，钢束应力在-383.1～319MPa之间，其中负号为压应力，正号为拉应力。预应力钢束应力结果基本满足规范要求[6]。

5 结束语

通过对中承式拱桥鱼腹形主梁钢混结合段受力研究在不同荷载作用下的受力分析，有以下的设计体会：

总体设计中调整吊杆力使得钢混结合段位置受力均衡，对于钢混结合段的局部设计非常有利；另外钢混结合段采用预应力的形式施加预压力，使得混凝土以及钢结构均基本处于受压状态，构造合理，部分结合点出现拉应力，充分利用了混凝土的材料特性；特别注意钢结构的承压板以及承压板加劲肋的板件稳定性受力，在钢混结合段位置局部采用钢筋网抗裂是有必要的。