四线铁路钢混连续梁桥结合段力学性能分析

高哲凝

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063）

1 引言

钢混混合梁充分利用钢材的质轻、高强和混凝土技术成熟、抗压能力强、造价低等属性[1-2]，在受力性能、跨越能力、经济性等方面具有显著优势[3]。钢混结合段使得钢主梁与混凝土主梁相互结合、共同受力[4]，满足两者之间刚度过渡平顺、传力合理，是钢混混合梁受力最关键的环节[5-6]，其构造与施工也非常复杂，开展相关力学性能研究显得尤为重要。由于钢混结合段整体体量大，开展模型试验研究整体费用高且费时费力[7-9]，致使钢混结合段的有限元精细化仿真分析成为必要的替代方案。本文以流溪河特大桥为工程背景，采用有限元软件ANSYS，对钢混结合段的受力情况进行分析，为桥梁设计提供借鉴与参考。

2 工程概况

新建广州至湛江高速铁路广州白云站至江村西线路所联络线流溪河特大桥为70 m+160 m+70 m 四线钢混连续梁桥，设计速度160 km/h。主桥长300 m（含两侧梁端至支座中心线各0.8 m）。

钢混结合段采用带格室后承压板构造，钢梁腹板及顶底板外包结合段混凝土，混凝土梁的预应力钢束分批锚固在钢承压板和钢箱梁上[10-11]。为满足钢材和混凝土间的传力需求，在承压板和顶板、底板表面均布置焊钉连接件[12]，同时在格室内腹板、顶板、底板处均布置PBL 连接件。混凝土过渡段采用顶底板及腹板变高加厚过渡，钢梁部分过渡段采用在顶底板设置变高度倒T 肋的方式过渡，钢混结合段的立面如图1 所示。

图1 钢混结合段构造图（单位：mm）

3 计算模型

采用大型通用有限元软件ANSYS，对钢混结合段进行有限元仿真分析。本节采用实体单元solid65 模拟混凝土实体部分；板单元shell63 模拟钢箱桁梁各钢构件[13]；弹簧单元combin39模拟栓钉，link8 单元模拟预应力钢束；建立钢混结合段模型计算并分析该节段的受力及变形。模型示意图如图2 所示。为尽量减小节段模型边界条件对计算结果的影响，结果分析时不考虑模型两端一个节段长度范围[14]。

图2 钢混结合段模型示意图

模型混凝土段靠近主墩的一端施加固定约束，钢箱梁段远离主墩的一端质心处施加整体模型计算的主力工况下内力弯矩277 524 kN·m，剪力16 384 kN。

4 计算结果

4.1 钢梁应力分析

根据计算结果提取钢梁顺桥向正应力、等效应力如图3、图4 所示。

图3 钢梁顺桥向正应力（单位：M P a）

图4 钢梁等效应力（单位：M P a）

钢梁顺桥向正应力为上拉下压，越靠近钢混交界面应力值越大。顶板拉应力在靠近钢混结合段的位置最大约为54 MPa；底板压应力最大处约为72 MPa。钢梁等效应力较小符合规范要求，在靠近钢混结合段位置中腹板加劲肋与承压板相交位置有应力集中，应力值约为96 MPa。

钢梁内桁架应力情况良好，等效应力在15 MPa 以下，桁架连接板应力情况良好，等效应力在28 MPa 以下最大应力值出现在内侧板下角点位置。

4.2 混凝土梁应力分析

混凝土段顺桥向应力受压为主，最大压应力10 MPa，满足设计强度要求。在钢混结合段位置顶面有少部分拉应力，与承压板接触面上有少量拉应力，最大拉应力2 MPa，经裂缝检算，最大裂缝0.56 mm，满足设计要求。

4.3 钢混结合段应力

根据计算结果，提取钢混结合段钢结构、栓钉等部位的应力，结果如图5、图6 所示。

图5 钢混结合段钢结构等效应力（单位；M P a）

图6 钢混结合段钢结构顺桥向正应力（单位：M P a）

钢混结合段钢结构等效应力在靠近承压板的一端较大，并且在钢格室与内外腹板相交周边有应力集中，最大应力为70 MPa。钢混结合段钢结构顺桥向应力受压为主，在与承压板相交处最大，顶板为拉应力最大处约50 MPa，底板为压应力最大处约58 MPa。

腹板栓钉顺桥向剪切力为主，最大约为36 kN，竖向剪切力最大约为18 kN。钢格室板栓钉顺桥向剪切力为主。靠近承压板位置少量栓钉达到31 kN，整体在24 kN 以下，竖向剪切力较小，最大约为6 kN。顶底板栓钉主要受到顺桥向剪切力，最大约为36.5 kN，横桥向剪切力最大约为11.7 kN。

5 结语

通过建立局部有限元计算模型，分析了大跨钢混混合梁结合段受力特性。计算了主力工况下钢混结合段各构件的受力状况，得到以下结论。

1）钢梁顺桥向正应力为上拉下压，越靠近交界面应力值越大。顶板拉应力在靠近结合段的位置最大约为54 MPa；底板压应力最大处约为72 MPa。在靠近结合段位置中腹板加劲肋与承压板相交位置有应力集中，应力值约为96 MPa。

2）混凝土段顺桥向应力受压为主，最大压应力10.0 MPa。在结合段位置顶面有少部分拉应力，与承压板接触面上有少量拉应力。

3）钢混结合段钢结构等效应力在靠近承压板的一端较大，最大应力为70 MPa。钢混结合段钢结构顺桥向应力受压为主，在与承压板相交处最大；顶板为拉应力，最大处约50 MPa；底板为压应力，最大处约58 MPa。

4）钢混结合段整体应力水平较低，传力较均匀，总体构造设计合理，满足混合梁钢材与混凝土间的传力需求。