特大跨連續剛構橋鋼混接頭有限元分析

廉瑞強

(重慶大學，重慶 400045)

1 重慶長江大橋復線橋概況

重慶大橋復線橋是比鄰舊橋的新建橋梁工程，是重慶主城區一座非常重要的特大橋梁，主跨達330 m，刷新了連續剛構橋跨徑的世界紀錄。大橋體系采用長聯大跨徑鋼混組合式鋼構—連續組合橋梁，立面圖見圖1。

2 鋼—混凝土接頭結構

1)鋼—混凝土接頭構造。重慶長江大橋復線橋主跨鋼—混凝土接頭采用了填充混凝土后板式的方式(見圖2)。鋼—混凝土接頭構造圖見圖3。

重慶長江大橋復線橋主梁的鋼—混凝土接頭主要承受彎矩和剪力作用，因此，要求各種荷載產生的軸力、彎矩、剪力和扭矩的傳遞順暢可靠，在荷載作用下有一定的承載安全儲備，剛度過渡良好。

2)鋼—混凝土接頭結構計算。重慶長江大橋復線橋主跨鋼—混凝土接頭內力傳遞主要通過承壓板、PBL剪力鍵以及鋼壁面與混凝土之間的粘結摩阻三種途徑來進行。鋼壁面與混凝土之間粘結摩阻由于有較大的不定因素而難于掌握，因此，只把它當作強度的安全余量來看待。內力的傳遞主要由承壓板、預應力鋼筋和PBL剪力鍵來完成。為使接頭不會出現裂縫，在接頭部位，考慮足夠的壓力儲備，增加局部預應力束。

3)PBL剪力鍵。PBL剪力鍵是由帶孔的鋼板組成，在鋼板孔中可以橫穿鋼筋，其作用機理主要有三個方面，如圖4所示。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

1)建模原則和要求。為達到研究目的，實橋有限元分析可根據圣維南原理，在實橋上截取足夠長的一段立體作為分析對象，接頭各構件均采用三維實體單元，這樣也可以反映應力各方向的分布狀況。

2)三維模型參數。模型采用ANSYS軟件計算，單元材料屬性:混凝土的彈性模量為3.6E10Pa，泊松比為0.17;鋼板的彈性模量為2.1E11Pa，泊松比為0.3;預應力鋼筋的彈性模量為1.9E11Pa。分析時，結合段的計算模型總長17 m，模型中混凝土箱梁部分長13.5 m，鋼箱梁部分長3.5 m，二者結合部分1.5 m。由于橋體結構關于橋軸線對稱，為了減少計算量，取半橋模型進行計算，在橋軸線上施加對稱約束。計算模型見圖5。

鋼混凝土接頭的主要內力包括軸力、剪力、彎矩，鋼—混凝土接頭正常使用極限狀態正彎矩及對應內力如表1所示。

表1 鋼—混凝土接頭正常使用極限狀態正彎矩及對應內力

3.2 有限元分析結果

1)頂板PBL剪力鍵分析結果。在使用極限狀態正彎矩作用下，頂板PBL剪力鍵的壓應力約為-17 MPa，底板PBL剪力鍵的拉應力約為12 MPa。其較大值都出現在外層PBL剪力鍵上。

2)腹板PBL剪力鍵分析結果。使用極限狀態正彎矩作用下，腹板PBL剪力鍵承受的順橋向剪力比較均勻，較大剪應力約為8.5 MPa，較小剪應力約 -12.5 MPa。

3)鋼混接頭混凝土梁分析結果。使用極限狀態正彎矩作用下，鋼—混凝土接頭混凝土頂板最大壓應力出現在其與純混凝土段接頭處，約為-3.7 MPa;底板最大拉應力也出現在其與純混凝土段接頭處，約為3.0 MPa。而由預應力加載后測試結果表明，底板的開裂應力在7.85 MPa以上。因此，在該工況下，鋼—混凝土接頭混凝土部分不會出現開裂。模型最大拉壓應力出現在純混凝土段，這是由于純混凝土段要承受鋼—混凝土接頭的鋼結構和混凝土結構兩部分應力共同作用所致。所以，在大橋施工中要特別注意此處的施工質量，保證兩部分連接牢固。

4)鋼混接頭鋼梁分析結果。使用極限狀態正彎矩作用下，鋼—混凝土接頭鋼結構頂板的壓應力約為-32 MPa，底板的拉應力約為24.5 MPa。拉壓應力較大部位出現在鋼—混凝土接頭與純鋼箱梁連接處。

5)鋼混接頭混凝土梁(添加預應力鋼筋)分析結果。使用極限狀態正彎矩作用下，鋼—混凝土接頭在施加預應力鋼筋后，混凝土底板部位的拉應力明顯降低很多，施加預應力鋼筋后可以有效地防止混凝土底板部位由于拉應力過大而出現裂縫。

4 結語

1)鋼—混凝土接頭結構總體傳力明確，受力比較均勻;2)鋼—混凝土接頭與混凝土段的連接部位存在較大的應力梯度;3)鋼—混凝土接頭頂板及底板翼緣外側的PBL剪力鍵承受很大的剪力，對接頭部分剪力傳遞起主要作用;內側剪力鍵鋼板應力很小，接近零，未能充分發揮其作用;4)通過使用預應力鋼筋的連接，使接頭部位底板產生足夠的軸向壓力來抵消產生的拉應力，保證接頭部位由于正負彎矩作用而不會出現裂縫。

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