吳江學院路大橋鋼混結合段應力分析

石雪飛 黃 力 阮 欣

（同濟大學橋梁工程系 上海 200092）

0 引 言

近年來，隨著我國交通基礎設施大規模建設的興起，混合梁斜拉橋建設得到快速發展［1］.2010年建成的主跨達926m 的鄂東長江大橋和816m的荊岳長江大橋，均采用混合梁斜拉橋方案，相關研究探討了其結合段簡化計算方法以及合理構造等，積累了較為全面的研究成果.鄂東長江大橋和荊岳長江大橋均為超大跨徑混合梁斜拉橋，雖研究成果具有普遍適用性，但對于中小跨徑獨塔混合梁斜拉橋，在受力和構造上均有所不同.因此，為研究基于中小跨徑斜拉橋混合梁結合段的傳力機理和構造形式，本文以吳江學院路大橋為例進行應力分析.

吳江市學院路跨京杭運河大橋采用123m＋75m 獨塔雙索面斜拉橋方案，塔、梁、墩固結，邊跨設置輔助墩.邊跨和主跨距離橋塔中心線22.1m內為混凝土主梁，主跨其余部分設置為鋼主梁.主橋主梁形式為分離式雙邊箱主梁，如圖1所示為鋼主梁1／2橫斷面示意圖，圖2為混凝土箱梁1／2橫斷面示意圖.

圖1 斜拉橋鋼主梁橫斷面圖（單位：mm）

圖2 斜拉橋混凝土主梁橫斷面圖（單位：cm）

鋼箱梁與混凝土箱梁結合位置選擇在主跨第3號斜拉索錨固橫梁處.如圖3所示，結合段實體混凝土長度為1.5m，結合段鋼箱梁套在預應力混凝土箱梁外側，并與其澆注成為一體.箱梁頂、底板及端承壓板通過開孔鋼板、焊釘與混凝土梁體連接成整體，并利用混凝土梁內縱向預應力和結合段縱向勁性骨架形成彎矩的傳遞.通過端承壓板緊貼在混合段鋼橫梁端面上傳遞軸向力［2］.梁中剪力通過開孔板中混凝土抗剪得到傳遞.2種梁體在結合段和鋼箱梁間設置了過渡段，長度為4.6m，通過在鋼箱梁上、下翼緣的U 形加勁肋上加焊T 肋并逐漸變高變寬，使結合段剛度突變得到緩解.

圖3 鋼混結合段構造圖（單位：mm）

1 空間有限元數值計算

1.1 模型建立

本橋主梁鋼混結合段共8m 長，為能真實模擬結合段最外側兩截面處受力情況，接近圣維南原理要求，實際建模中結合段分別向鋼主梁側延伸3m，向混凝土主梁側延伸4.7m，計算模型全長15.7 m，如圖4.結合段模型布置有2 對斜拉索，分別為WC3和WC4.

圖4 結合段局部模型在整體模型中示意圖（單位：m）

1.1.1 Miads模型 Midas空間桿系模型（見圖5）考慮了恒載、活載、預應力、沉降、溫度變化、收縮徐變作用.計算中根據規范對各種荷載工況進行組合，確定局部模型受力最不利荷載工況組合.

圖5 Midas空間桿系模型

1.1.2 Ansys模型 先用大型通用有限元軟件Ansys建立全橋雙主梁桿系模型.主塔和主梁使用Beam188單元，拉索采用Link8 單元.橫梁使用Beam4單元，按實橋位置輸入，橫梁剛度取實橋等效剛度.

再利用Ansys建立鋼混結合段局部實體模型（見圖6），采用Shell63殼單元模擬鋼箱梁頂、底板及相關加勁肋、橫隔板等；采用Solid45單元模擬混凝土箱梁及相關混凝土橫隔板、橫梁；采用Link8［3］單元模擬梁體縱向、橫向預應力鋼束和斜拉索.預應力和斜拉索索力采用附初應變方法施加.

圖6 鋼混結合段實體模型示意圖

最后將鋼混結合段局部實體模型接入對應Ansys空間桿系模型中，以鋼混結合段結合面為控制斷面，利用Midas空間模型得到各最不利工況組合與活載的影響線加載位置，進行數值計算.圖7為鋼混結合段實體模型在全橋桿系模型中的計算示意圖.

圖7 鋼混結合段在全橋模型中位置示意圖

1.2 計算假定及荷載作用

1.2.1 計算假定 （1）鋼混結合段局部實體模型中假定鋼主梁與混凝土之間采用剛性連接.為驗證此假定，建立考慮剪力釘、開孔板等構造鋼格式精細化模型（見圖8）［4］，由計算結果可知鋼與混凝土之間相對位移在73μm 以下，故在整體模型計算中假定沒有相對滑移前提是成立，受篇幅限制略去詳細計算結果；（2）計算的各最不利工況組合及活載加載影響線位置取自Midas空間桿系模型結構分析結果.

1.2.2 荷載作用 計算模型中考慮恒載、汽車活載、預應力作用、基礎沉降、整體溫度變化作用、鋼混結合段混凝土收縮、徐變效應、鋼混結合段梯度非線性溫度.

1.3 作用工況

鋼混結合段最不利受力狀態考慮了施工階段和成橋階段兩種狀態，以結合面為控制斷面，運用Midas空間桿系模型進行分析.得出在全橋整體計算中的四種最不利工況荷載組合：（1）結合面最大軸力工況；（2）結合面最大正彎矩工況；（3）結合面最大負彎矩工況［5］；（4）結合面最大剪力工況.再在ANSYS混合模型中按照上述荷載組合及影響線位置進行活載加載.

圖8 鋼格室精細化模型

1.4 邊界條件

由于本研究是采用將鋼混結合段實體模型接入全橋空間桿系模型中進行計算，不存在結合段邊界條件問題.在桿系模型與結合段實體模型接入點處采用剛域方法進行連接.

2 計算結果與分析

2.1 結合段鋼箱梁應力

鋼混結合段總體應力水平如圖9所示，分別為鋼梁段縱橋向和Mises應力分布.在最大正彎矩工況下鋼梁段縱橋向應力水平較低，結合段鋼梁縱橋向正應力范圍在40～90 MPa之間.鋼混結合段鋼梁Mises應力分布與縱橋向應力相近，應力水平一般在100 MPa以下，最大Mises應力為142 MPa，遠小于其屈服應力［6］.

2.2 結合段混凝土應力

鋼混結合段混凝土縱橋向和橫橋向正應力分布如圖10，除斜拉索錨固區應力集中現象，其應力水平在－12～1.5MPa之間.在橫向負彎矩作用下，結合段混凝土懸臂板根部有較小拉應力產生，建議增加橫橋向預應力鋼束.在斜腹板處由于預應力錨固存在明顯應力集中現象.

圖9 鋼混結合段鋼主梁應力云圖

圖10 鋼混結合段混凝土應力云圖

由圖11可知，鋼混結合段混凝土第一主應力范圍在－1～1.5 MPa，在混凝土主梁斜腹板和左側實心箱室處出現較大主拉應力，分別是由于該位置位于橫向預應力錨固點與斜拉索錨固區處.結合段混凝土第三主壓應力水平大致在－11～0 MPa范圍內.

圖11 鋼混結合段混凝土主應力云圖

3 結 論

1）鋼混結合段在恒載及活載作用下傳力明確可靠，構造合理.計算結果表明結合段鋼梁各構件應力分布均勻，變形平順；結合段混凝土應力變化平順，應力擴散均勻.

2）利用有限元計算分析鋼混結合段應力狀態時，必須較準確模擬結合段邊界條件與明確最不利荷載工況.可利用Midas建立全橋空間梁單元桿系模型，提供全橋內力值與各計算最不利工況影響線，確定最不利工況荷載加載大小與位置，再利用ANSYS混合模型較真實模擬局部模型實際邊界條件.

3）鋼混結合段局部實體模型計算中，以鋼主梁與混凝土之間無滑移假設為前提.建立鋼格室精細化模型，計算結果表明，在其最不利荷載作用下鋼主梁與混凝土之間滑移非常小，可認為兩者間無相對滑移.

［1］陳開利，余天慶，習 剛.混合梁斜拉橋的發展與展望［J］.橋梁建設，2005（2）：1－4.

［2］張仲光，黃彩萍，徐海鷹.混合梁斜拉橋鋼混結合段傳力機理研究［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2010，38（5）：117－120.

［3］王軍文，倪章軍，李建中，等.石板坡長江大橋鋼混結合段局部應力分析［J］.公路交通科技，2007，24（8）：99－102.

［4］劉 榮，余俊林，劉玉擎，等.鄂東長江大橋混合梁結合段受力分析［J］.橋梁建設，2013（3）：33－35.

［5］張國泉，戴少雄.獨塔斜拉橋鋼混結合段應力分析［J］.結構工程師，2007，23（3）：26－30.

［6］國家標準局信息分類編碼研究所.JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：中國標準出版社，2004.