特大跨連續(xù)剛構(gòu)橋鋼混接頭有限元分析

廉瑞強

(重慶大學(xué)，重慶 400045)

1 重慶長江大橋復(fù)線橋概況

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

2 鋼—混凝土接頭結(jié)構(gòu)

1)鋼—混凝土接頭構(gòu)造。重慶長江大橋復(fù)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(gòu)造圖見圖3。

重慶長江大橋復(fù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)計算。重慶長江大橋復(fù)線橋主跨鋼—混凝土接頭內(nèi)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(jié)摩阻三種途徑來進行。鋼壁面與混凝土之間粘結(jié)摩阻由于有較大的不定因素而難于掌握，因此，只把它當(dāng)作強度的安全余量來看待。內(nèi)力的傳遞主要由承壓板、預(yù)應(yīng)力鋼筋和PBL剪力鍵來完成。為使接頭不會出現(xiàn)裂縫，在接頭部位，考慮足夠的壓力儲備，增加局部預(yù)應(yīng)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(jù)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(gòu)件均采用三維實體單元，這樣也可以反映應(yīng)力各方向的分布狀況。

2)三維模型參數(shù)。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(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量為1.9E11Pa。分析時，結(jié)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(jié)合部分1.5 m。由于橋體結(jié)構(gòu)關(guān)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(nèi)力包括軸力、剪力、彎矩，鋼—混凝土接頭正常使用極限狀態(tài)正彎矩及對應(yīng)內(nèi)力如表1所示。

表1 鋼—混凝土接頭正常使用極限狀態(tài)正彎矩及對應(yīng)內(nèi)力

3.2 有限元分析結(jié)果

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

2)腹板PBL剪力鍵分析結(jié)果。使用極限狀態(tài)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(yīng)力約為8.5 MPa，較小剪應(yīng)力約 -12.5 MPa。

3)鋼混接頭混凝土梁分析結(jié)果。使用極限狀態(tài)正彎矩作用下，鋼—混凝土接頭混凝土頂板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在其與純混凝土段接頭處，約為-3.7 MPa;底板最大拉應(yīng)力也出現(xiàn)在其與純混凝土段接頭處，約為3.0 MPa。而由預(yù)應(yīng)力加載后測試結(jié)果表明，底板的開裂應(yīng)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(xiàn)開裂。模型最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)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(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)兩部分應(yīng)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(zhì)量，保證兩部分連接牢固。

4)鋼混接頭鋼梁分析結(jié)果。使用極限狀態(tài)正彎矩作用下，鋼—混凝土接頭鋼結(jié)構(gòu)頂板的壓應(yīng)力約為-32 MPa，底板的拉應(yīng)力約為24.5 MPa。拉壓應(yīng)力較大部位出現(xiàn)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(yù)應(yīng)力鋼筋)分析結(jié)果。使用極限狀態(tài)正彎矩作用下，鋼—混凝土接頭在施加預(yù)應(yīng)力鋼筋后，混凝土底板部位的拉應(yīng)力明顯降低很多，施加預(yù)應(yīng)力鋼筋后可以有效地防止混凝土底板部位由于拉應(yīng)力過大而出現(xiàn)裂縫。

4 結(jié)語

1)鋼—混凝土接頭結(jié)構(gòu)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(yīng)力梯度;3)鋼—混凝土接頭頂板及底板翼緣外側(cè)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(nèi)側(cè)剪力鍵鋼板應(yīng)力很小，接近零，未能充分發(fā)揮其作用;4)通過使用預(yù)應(yīng)力鋼筋的連接，使接頭部位底板產(chǎn)生足夠的軸向壓力來抵消產(chǎn)生的拉應(yīng)力，保證接頭部位由于正負彎矩作用而不會出現(xiàn)裂縫。

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