新型钢桁梁-混凝土箱梁结合段构造形式与力学性能分析

邓淑飞，刘永健，宗 昕

(1. 云南省设计院集团有限公司，云南昆明 650228； 2. 长安大学公路学院，陕西西安 710064； 3. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056)

0 引 言

混合梁由主跨钢梁和边跨混凝土梁组成，具有整体刚度大、跨越能力强、主跨变形小的优点，在公路和铁路桥梁中被大量应用于梁桥或用作斜拉桥和悬索桥的主梁[1-3]。钢-混结合段是混合梁的重要组成部分，承担着在钢梁和混凝土梁间传递内力的作用，需要具有足够的强度又要保持刚度的平稳过渡[4-6]。结合段有无格室、格室构造形式以及结合段剪力连接件形式等是影响结合段力学性能的关键，也是当前设计和研究的重点内容[7-8]。

根据有无格室，钢-混结合段分为有格室结合段和无格室结合段两种类型。有格室钢-混结合段根据承压板所在位置分为前承压板式、后承压板式和前后承压板式。无格室钢-混结合段一般为后承压板式[1]。以往对有格室钢-混结合段研究较多，王军文等[4]对一混合箱梁连续刚构桥的有格室后承压板钢-混结合段进行数值模拟，发现除预应力锚固点和角隅处的混凝土存在应力集中外，结合段总体受力合理。黄彩萍[1]测试了两座混合梁斜拉桥有格室后承压板钢-混结合段试验模型的受力行为，并开展了非线性有限元模拟，形成了较系统的结合段设计计算方法。李小珍等[9]制作了一混合梁独塔斜拉桥的有格室后承压板钢-混结合段试验模型，测试表明PBL作为连接件的结合段受力合理、传力平顺。张景峰等[10]对一有格室后承压板结合段开展了考虑材料、几何非线性的有限元模拟，发现用非线性弹簧模拟栓钉连接件结果与试验更接近。周阳[2]以中国首座铁路混合梁斜拉桥(甬江大桥)为工程背景，制作了有格室前后承压板钢-混结合段的足尺试验模型，测试了静力行为和疲劳性能。Yang等[11]对一铁路双边箱混合梁斜拉桥有格室前后承压板钢-混结合段进行了缩尺模型试验，结合数值模拟进一步分析了结合段的力学行为。He等[12]通过模型试验和有限元模拟研究了超高性能混凝土组成的有格室后承压板钢-混结合段的受力行为，各构件材料均处于弹性工作范围。姚亚东等[13-14]对甬江大桥钢-混结合段基本的静力性能和收缩、徐变等时变性能作了研究，发现混凝土收缩、徐变对结合段构件的应力和传力分配有显著影响。对无格室钢-混结合段的力学性能研究相对较少，胡建华等[6]对一混合梁自锚式悬索桥的无格室后承压板钢-混结合段作了缩尺模型试验，分析了结合段的基本受力行为。Kim等[15]制作了一装配式混合梁的足尺试验模型，加载测试结果表明混凝土梁段要先于结合段发生破坏，结合段具有足够的强度和延性。张凯等[16]通过数值模拟比较了采用栓钉和PBL两种连接件时钢-混结合段的力学行为，结果表明其整体力学行为相近。上述研究主要是对确定的设计构造下钢-混结合段力学性能的合理性进行验证，较少对不同的结合段构造、尺寸等进行对比分析以提出优化设计方案。

剪力连接件的有效性是钢-混结合段能良好工作的重要保障，不同于组合梁的剪力连接件，结合段内的连接件尺寸更大、埋置更深，需要作专门的研究[17]。相比于栓钉连接件，PBL连接件刚度更大，在施工阶段能作为钢板的加劲肋，近年来对结合段内剪力连接件的研究多以PBL连接件为对象，Xiao等[18]开展了不同尺寸的PBL连接件对比推出试验，发现高度大的PBL连接件具有更高的抗剪承载力和延性，在承载力计算公式中应考虑PBL高度的影响。在PBL孔内设置贯穿钢筋能提高连接件性能[19]，Di等[20-22]开展了一系列结合段内PBL贯穿钢筋剪力连接件的推出试验和数值模拟研究，根据简化力学分析提出了抗剪承载力计算公式。He等[23-24]对普通混凝土和超高性能混凝土组成的结合段PBL贯穿钢筋连接件作了推出试验研究，同样基于机理分析提出了抗剪承载力的相关计算公式。目前主要对在结合段内采用单一类型的栓钉或PBL连接件力学性能作了分析，对于两者结合的组合连接件力学性能研究较少。

贵黔高速鸭池河特大桥[25]主跨为钢桁梁，边跨为混凝土箱梁，桥塔位置的钢-混结合段是一种新型构造，需要对其力学性能进行分析评估并探索合理的构造形式。本文通过数值模拟对其受力行为作了详细分析，研究了不同的构造形式对这种新型钢桁梁-混凝土箱梁结合段力学性能的影响，可为此类结构的设计提供参考。

1 工程背景

贵黔高速鸭池河大桥是一座跨径布置为72 m+72 m+76 m+800 m+76 m+72 m+72 m的双塔双索面半飘浮体系混合梁斜拉桥，800 m主跨为钢桁梁，两侧72 m+72 m+76 m边跨为预应力混凝土箱梁，边中跨比为0.275，该桥是目前世界上跨度最大的钢桁梁-混凝土箱梁混合梁斜拉桥[图1(a)]。中跨钢桁梁桁高8 m，桁宽28 m，标准节段长8 m，节间采用N型桁架布置。边跨混凝土箱梁采用预应力混凝土双边箱梁结构，总宽28 m，梁高8 m。主梁标准断面见图1(b)。

钢桁梁和混凝土箱梁采用结合段连接，结合段设置在距离桥塔中心线向中跨侧2 m处，结合段构造见图2。钢-混结合段全长14 m，由钢桁梁部分、钢箱过渡部分及内伸至混凝土横梁的上下翼缘板组成，其中钢桁梁段上下弦杆截面内高为1 520 mm，内宽为840 mm，腹板设置1道板式加劲肋，外伸宽度为200 mm；钢箱过渡段由钢桁梁段通过增加实体腹板和底板演变而来，腹板上设置板式加劲肋，底板上设置倒T形加劲肋，内伸至混凝土横梁的钢板长度为4 000 mm。为保证钢-混接头的有效性和结合面处于均匀的受压状态，沿箱梁四周及腹板布置了纵向预应力钢绞线，预应力钢绞线在钢箱梁一侧锚固在钢承压板上，在承压板及钢箱顶、底板设置有剪力钉。通过渐变顶板的U形加劲肋、底板的倒T形加劲肋及腹板实现混凝土梁与钢梁间刚度的平稳过渡。

2 有限元模型建立

2.1 模型简化及构造参数选取

本文采用通用商业有限元软件ABAQUS建立结合段三维有限元模型，分析其受力性能。依据圣维南原理，距离结合段位置相对较远梁段的受力状态对结合段的受力影响较小，所以在建立结合段局部模型时，忽略较远梁段对结合段传力的影响。选取26 m梁段对结合段进行局部分析，其中混凝土梁段长度为12 m，结合段长度为4 m，钢箱过渡段长度为6 m，钢桁梁段长度为4 m。

以结合段的剪力连接件类型、结合段长度以及钢箱过渡段长度为构造参数，分析它们对结合段受力性能的影响。选取了3种剪力连接件，分别为栓钉连接件、PBL连接件和栓钉与PBL组合连接件；选取了5种结合段长度，分别为4、5、6、7、8 m；选取了3种过渡段长度，分别为6、7、8 m。

建模过程中，对整个梁段只作线性分析，不考虑非线性条件对结构的影响，这样既能满足结构受力分析的工程精度要求，也提高了计算效率。

2.2 材料属性与单元选择

钢板和PBL连接件选用四节点线性四边形减缩积分的壳单元(S4R)和三节点线性三角形的壳单元(S3)模拟，混凝土选用八节点线性六面体减缩积分的实体单元(C3D8R)模拟，栓钉选用两节点线性空间梁单元(B31)模拟，预应力钢绞线和精轧螺纹钢选用两节点线性空间桁架单元(T3D2)模拟。所有部件均为线弹性材料，材料和单元的各个参数见表1。

表1 模型材料属性Table 1 Properties of Model Materials

2.3 部件间的相互作用关系

栓钉、PBL连接件与结合段钢板通过“绑定”关系连接，结合段钢板与混凝土之间建立法向“硬”接触+切向“库伦摩擦”接触关系，栓钉、PBL连接件、预应力钢绞线和精轧螺纹钢均“嵌入”混凝土中。

2.4 有限元模型和网格划分

经过网格敏感性分析和优化，在最终选用的网格尺寸下，单个模型单元总数量超过20万个，最多将近40万个，单元数量与模型尺寸有关，图3为结合段整体计算模型和各部分的网格。

2.5 边界条件及加载

模型两侧端面均远离结合段，符合圣维南原理。

相比于钢梁，混凝土箱梁刚度较大，截面整体变形更接近平截面假定，故在混凝土梁端面施加了固接约束，在钢梁侧的各杆件和桥面板端部施加荷载，结合段底部支座区域约束竖向位移。加载内力在全桥整体杆系模型计算结果中提取，选取使结合段产生最大竖向弯矩的荷载基本组合[1.32(恒荷载+支座沉降)+1.4×1.1(汽车荷载)+0.77(整体温差+主梁温差+索梁温差+桥塔温差+汽车制动力)+0.605(纵向风荷载)]作为加载工况，结构整体主要承受轴压力、竖向正弯矩和向上的竖向剪力，通过“耦合”命令将杆件各节点自由度耦合在杆件端面形心处，荷载作用施加于该参考点上，如图4所示。

3 力学性能分析

3.1 连接件受力性能

结合段连接件有顶板连接件、底板连接件和腹板连接件，其中顶、底板连接件通过顺桥向剪力在钢梁和混凝土梁间传递弯矩和轴力，腹板连接件通过竖向剪力在钢梁和混凝土梁间传递剪力。定义传力比[式(1)]分析沿某个方向内力在钢梁和混凝土中的分布和传递效率，即

(1)

式中：ρi为第i排(列)连接件的传力比；Qi为第i排(列)连接件的剪力；n为连接件的排(列)数。

顶板和底板上顺桥向每排栓钉传递纵向剪力的比例如图5(a)所示。顶板栓钉在距承压板约3 m范围内均匀传力，传递了约62%的纵向力，在末端约1 m范围内栓钉剪力增大，传递了约38%的纵向力。底板栓钉传力极不均匀且剪力方向发生了改变，两端栓钉的剪力较大，中间栓钉的剪力先减小后反向增大，这是因为结构整体承受轴压力和较大的正弯矩，顶板轴压力通过栓钉逐渐传到混凝土中，使结合段内靠近和远离承压板的混凝土与钢底板间形成了相反的相对滑动趋势。顶板和底板上沿横桥向每列栓钉传递纵向剪力的比例如图5(b)所示。顶板两侧约1.5 m范围内的栓钉剪力较大，传递了约23%的纵向力，中间区段栓钉剪力较均匀，只在小纵梁位置传力比略有增大。底板同样是位于外侧的栓钉剪力较大，向中间剪力减小直至反向，其原因是顶板传递到混凝土较大的轴力使其相对于底板产生滑动趋势，而底板中间区段栓钉剪力凸起位置是钢梁下纵平联传力导致的。

承压板上沿竖直方向每排栓钉传递竖向剪力的比例如图6(a)所示。承压板上下侧剪力钉布置较多，传递了约25%的剪力，中间区段栓钉剪力符合中间向两端减小的分布规律。承压板上沿横桥向每列栓钉传递竖向剪力的比例如图6(b)所示。承压板两侧剪力钉布置较多，传递剪力占比较大，中间区段位于小纵梁位置的栓钉剪力较大，小纵梁之间的栓钉剪力减小。

3.2 结合段混凝土受力性能

结合段混凝土承担在钢梁和混凝土梁间传递内力的作用，承受承压板、剪力连接件传递的内力以及预应力荷载等。图7为结合段混凝土的主压应力和主拉应力。在承压板下以及预应力筋锚固处主压应力较大，最大主压应力为-20.79 MPa，其余位置主压应力水平较低；除角隅处混凝土主拉应力超过了抗拉强度外，其余位置主拉应力均较小。

为分析结合段混凝土内的应力分布和传力情况，选取距承压板0、1、2、4 m处的横截面，提取截面上缘和混凝土箱梁外腹板中心线对应位置处的纵向正应力进行对比，如图8所示，它们是横截面上应力较大的两个位置。

图9给出了结合段沿顺桥向不同位置横截面上缘混凝土的正应力。从钢桁梁两侧弦杆上的传递轴力较大，导致截面上缘两端的正应力最大，向中间减小。凸起的位置应力较小，这些位置在小纵梁和加劲肋处，轴力通过它们直接传到了承压板后向混凝土内部传递。随着截面远离承压板，内力逐渐向混凝土内部传递，所以截面上缘的平均应力逐渐减小。在距承压板2 m范围内，截面上缘应力迅速减小，表明轴力在该范围内迅速向内部传递。在2～4 m范围内，截面上缘应力基本不再变化。

图10为结合段沿顺桥向不同位置横截面外腹板中心线上混凝土的正应力。在轴压力、竖向正弯矩以及预应力荷载共同作用下，压应力沿竖向为非线性分布，中心线上侧压应力最大。随着截面距承压板的距离增加，内力逐渐从上、下缘向截面内部传递，截面应力分布趋于均匀。

3.3 结合段钢板受力性能

结合段钢结构由顶板、底板和承压板组成，顶板、底板分别与钢箱过渡段的桥面板和底板连接，通过剪力连接件将轴力传递到混凝土中，承压板与钢箱过渡段的弦杆腹板、桥道系小纵梁以及各类加劲肋连接传递轴力和剪力，同时作为预应力束的锚固端。图11为结合段钢板的Mises应力云图，由于结构整体承受轴压力和正弯矩，所以顶板应力要大于底板，又由于预应力束锚固引起应力集中，所以最大应力在承压板的预应力束锚固处。此外，由于钢桁梁两侧弦杆传递了较大的轴力，所以钢板应力横向分布不均匀，两侧应力较大。沿顺桥向远离承压板轴力逐渐通过剪力钉传到混凝土中，所以钢板应力减小。

为了分析钢板应力在横桥向的分布和顺桥向的变化情况，提取距承压板不同距离处的钢顶板顺桥向应力，如图12所示。结合段钢顶板应力横向分布不均匀，两侧应力较大，向中间应力减小，在小纵梁位置应力有突增。随着远离承压板，内力逐渐通过剪力连接件传递到了混凝土，钢板平均应力减小，横向分布趋于均匀。

3.4 钢箱过渡段受力性能

钢箱过渡段是在钢桁梁和结合段间起传递内力和刚度过渡的结构，由两侧钢桁架、顶底侧钢板、各类加劲肋以及横联组成。钢箱过渡段的Mises应力如图13所示，顶板及其加劲肋、两侧桁架腹板部分位置应力较大，其余位置应力水平均不高，各处传力基本平顺，没有出现明显的应力集中。

4 不同构造形式对比分析

改变连接件类型、结合段长度以及过渡段长度，研究不同的构造形式下结合段的力学行为，构造变量如图14所示。采用了3种不同的连接件：栓钉连接件、PBL连接件和栓钉与PBL组合连接件，选取了5种结合段长度(4、5、6、7、8 m)，选取了3种过渡段长度(6、7、8 m)。

连接件类型主要对钢板和混凝土间的传力效率有影响，图15为由结合段钢顶板轴力计算的传力比。随着远离承压板，钢板中的轴力逐渐通过剪力连接件传到混凝土中，PBL连接件和组合连接件在两端约0.5 m范围内迅速传递内力，传力比曲线的斜率表征了连接件的剪力大小，PBL连接件和组合连接件两端的剪力较大，中间剪力较小，相比之下栓钉连接件的剪力分布要均匀一些。

结合段要保证内力在钢梁和混凝土梁间顺利传递，图16给出了不同长度结合段的传力情况。结合段的长度增加对靠近承压板处的内力传递没有太大影响，远离承压板处连接件的剪力也基本相同；结合段长度主要影响中间区段的内力传递，长度增加会使中间区段连接件的剪力减小，但是也导致连接件的剪力不均匀程度增加，连接件使用效率降低。

钢箱过渡段在钢桁梁和结合段间传递内力，其构造主要影响传递到结合段上的内力分布，由于顶板受力较大，以结合段钢顶板的应力为研究对象，过渡段长度对结合段受力影响如图17所示。过渡段长度变化时，顶板顺桥向应力分布规律基本一致，但总体应力在减小，其原因是更多的轴力通过小纵梁和顶板加劲肋传到了结合段承压板上。

5 结语

(1)结合段顶、底板连接件的纵向剪力在顺桥向和横桥向分布都是不均匀的，顺桥向在靠近承压板和远离承压板处剪力较大，横桥向在两侧桁架弦杆对应位置剪力较大，横桥向的剪力分布不均匀程度要更严重，设计时应予以考虑。承压板连接件的竖向剪力符合中间大两端小的分布规律。

(2)结合段能够起到平顺传力的作用，在靠近承压板的一定范围内内力迅速从钢顶、底板通过连接件传到混凝土内部，钢板应力逐渐减小，横向不均匀程度降低，混凝土应力逐渐增大，竖向分布逐渐趋于均匀。

(3)PBL连接件和组合连接件在靠近承压板和远离承压板的两端传力占比较大，相比之下栓钉连接件的剪力分布更为均匀，传力更平顺。结合段长度增加降低了中间区段连接件传递的剪力，对两端的内力传递影响不大，总体而言剪力分布更不均匀，因此不能盲目增加结合段的长度。过渡段长度增加不会改变单一板件上的应力分布，但会改变不同板件传力的相对比例，适当增加过渡段长度有利于内力的平稳传递。