混合梁斜拉橋鋼混結合段設計

蔡建業

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 武漢 430063)

混合梁斜拉橋鋼混結合段設計

蔡建業

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 武漢 430063)

鋼混結合段的設計是混合梁斜拉橋的關鍵技術之一,鋼混結合段的位置、類型及細部構造設計直接影響到橋梁的安全性和耐久性。結合寧波市福明路斜拉橋鋼混結合段的設計,介紹鋼混結合段位置的確定、結構形式的選擇、細部構造及結構計算分析。分析表明本橋鋼混結合段受力合理,傳力平順,剛度過渡平穩。

斜拉橋； 橋塔；鋼混結合段；合理位置；結構設計

1 概況

寧波市福明路上跨寧波東站主橋跨徑布置為(55+45+220+45+55) m，橋面總寬34.5 m，雙向六車道，為一聯雙塔雙索面斜拉橋，采用半漂浮體系，主梁采用混合主梁，其中兩側邊跨各采用預應力混凝土箱梁，中段采用鋼箱梁，在鋼箱梁兩端與預應力混凝土箱梁相交位置放置2 m長的鋼混結合段。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位：m)

2 鋼混結合段構造

2.1 鋼箱梁

鋼箱梁頂面寬34.5 m，設2%的橋面橫坡，底部為半徑25 m的圓弧，兩側配有風嘴，橋梁中線外梁高3.3 m。鋼箱梁頂面鋼板厚14(16) mm，在其下順橋向焊有8 mm厚間距600 mm的U形肋，穿越3.4 m間距的橫隔板，組成正交異性結構的鋼橋面板。在橫隔板之間設置一道板厚12 mm的橫肋。箱梁底板厚12 mm，以間隔750、780 mm的U形肋加固。箱梁縱向設有2道厚28 mm的外腹板，其外側與斜拉索錨點的錨箱焊接。在外腹板間設置了2道內腹板，間距10 m，均為實腹板。橫隔板均為實腹結構，板厚12 mm。如圖2所示。

圖2 橫斷面布置(單位：m)

2.2 預應力混凝土箱梁

預應力混凝土箱梁，單箱三室結構、結構外形與鋼箱梁保持一致。橋面寬34.5 m，梁高3.3 m。截面頂板0.25 m厚，底板厚0.25 m，內腹板厚0.4 m，如圖2所示。

2.3 鋼混結合段構造

圖3 鋼混結合段構造(單位：mm)

鋼梁兩端分別與混凝土箱梁通過結合段連接，結合段的鋼箱梁套在預應力混凝土箱梁之外，并且全斷面與之結合使其成為一體，如圖3所示。為了保證鋼混結合段混凝土梁及鋼梁之間的剪力傳遞，以及防止鋼板與混凝土之間的剝離，在鋼箱梁頂、底板延伸段以及承壓鋼板上布置了圓柱頭剪力釘，并利用混凝土箱梁內的縱向預應力束加以錨固，形成彎矩的傳遞。梁中的剪力則通過腹板及縱隔板上設置PBL剪力鍵以傳遞剪力，同時也通過端面焊釘傳遞。而2種梁體在剛度上的突變，則由在鋼箱梁上、下翼緣板的型肋逐漸變高而得到緩解。鋼混結合段端板采用60 mm厚鋼板，其橫向焊縫須在工廠進行，確保焊縫熔透。應對焊縫進行消應處理，同時保證板面的平整度。

3 材料參數

主梁采用C60混凝土，鋼箱梁、鋼錨箱采用Q345qD，鋼材容許應力值按《公路橋梁鋼結構設計規范》中規定執行，對于板厚≥16 mm鋼板，考慮板厚影響，容許應力按不同板厚屈服點的比例進行調整，外力組合容許應力提高系數按規范執行。鋼材參數見表1。

表1 鋼材參數 MPa

4 有限元計算分析

4.1 模型選取

取鋼混結合段進行局部分析。根據圣維南原理，為避免邊界條件對所研究段的影響，考慮分析梁段長度近似取梁寬，使鋼混結合段大致位于模型梁段中部，同時考慮梁段的邊界條件特點和鋼梁的節段劃分，取模型梁段長28.0 m建立ANSYS空間有限元實體模型，其中混凝土梁段長12.4 m，結合段長2.0 m，鋼梁段長13.6 m(4個節段)，有限元分析梁段示意如圖4所示。

圖4 有限元分析梁段示意(單位：m)

4.2 建模原則

混凝土箱梁采用Solid65、Solid95實體單元，鋼箱梁頂底板、腹板、縱橫隔板、加勁肋和端板均采用Shell63殼單元進行模擬，共建立了324 811個節點和271 997個單元。劃分網格時，混凝土箱梁部分的單元大小盡量精細、勻順過渡，單元網格尺寸為0.2～0.4 m，結合段混凝土劃分成六面體單元，其余部分自由網格劃分；鋼箱梁部分各構件單元網格尺寸一般取0.1～0.2 m；模型中主梁不考慮橋面縱坡，但考慮橫坡，底板曲線段按真實線形考慮；不考慮剪力釘和PBL剪力鍵，T3、T4、DB、F2及D2與混凝土箱梁共用節點模擬兩者連接；不考慮錨箱，加載時將荷載加至錨箱與腹板相互作用區域；考慮縱隔板內伸段；暫不考慮預應力束。坐標系方向X-橫橋向、Y-豎向、Z-縱向。模型的實體圖及單元網格詳見圖5和圖6。

圖5 空間計算模型

4.3 邊界條件

在混凝土箱梁段橋塔位置取支座面作為約束面，約束該支座面的所有節點DX、DY和DZ。

4.4 荷載工況及組合

(1)施加的荷載

圖6 鋼混結合段單元網格

模型主要分析在恒載和各工況組合作用下鋼混結合段的受力情況，所以加載的工況考慮恒載、人群荷載及汽車荷載。所加的人群荷載及汽車荷載分別為整體計算鋼混結合段處截面內力為Nmax、Nmin、Qmax、Qmin、Mmax和Mmin時相應的斜拉索力及左右兩端截面主梁內力。

(2)荷載組合

荷載組合為恒載+汽車效應+人群效應的6種組合工況，詳見表2。

表2 各荷載組合工況效應索力及端截面內力

(3)荷載加載方法

①在混凝土箱梁端和鋼箱梁端處設置剛性面，并將荷載施加到剛性面，荷載通過剛性面傳遞；

②模型中未直接模擬斜拉索，索力按空間力作用至實際錨箱構造對應的腹板節點上。

5 計算結果分析

(1)恒載作用

①恒載作用下在未加預應力的情況下，鋼混結合段處混凝土的正應力最大值為1.21 MPa，最小值為-8.9 MPa，均局部出現在鋼梁外側腹板對應的位置處，應力集中，衰減較快；結合段混凝土的正應力主要分布在1.21～-8.9 MPa；結合段鋼板最大正應力7.01 MPa，最大壓應力為-53.4 MPa。

②恒載作用下鋼混結合段附近鋼箱梁構件的最大正應力為19.7 MPa，最大壓應力為-165 MPa，最大剪應力為29.5 MPa。

(2)荷載組合工況

各組合工況計算結果見表3～表5。

表3 荷載組合計算結果匯總表一 MPa

表4 荷載組合計算結果匯總表二 MPa

表5 荷載組合計算結果匯總表三 MPa

根據有限元計算結果，C1～C3段最大和最小正應力局部出現在鋼梁外側腹板對應的位置處結合段上緣，為應力集中，衰減較快；S1段最小正應力出現在腹板上緣與DB板焊接處，最大正應力出現在腹板下緣；最大剪應力出現在腹板上緣與DB板焊接處。綜合分析計算結果如下。

①在未加預應力的情況下，各工況組合下鋼混結合段混凝土的正應力最大值為1.7 MPa，最小值為-9.91 MPa，均局部出現在鋼梁外側腹板對應位置處結合段上緣，為應力集中，衰減較快；結合段混凝土的正應力主要分布在1.7～-9.91 MPa，最大主拉應力1.85 MPa，最小主壓應力-10 MPa。從總體計算得到的預應力產生的上緣應力為-5 MPa，預應力產生的下緣應力為-7.9 MPa，可抵消荷載產生的拉應力，且壓應力滿足規范要求。

②鋼混結合段附近鋼箱梁構件的最大正應力為38.7 MPa，最小正應力為-182 MPa，最大剪應力為31.3 MPa，滿足規范要求；

③鋼混結合段附近鋼箱梁構件縱向加勁肋的換算應力為68.8 MPa，滿足規范要求。

6 結語

通過對鋼混結合段的分析研究，考慮了各種可能出現的工況組合，計算結果表明鋼混結合段整體上處于較平均的應力狀態，結構傳力體系清晰明確，鋼混結合段受力合理，各項指標均滿足規范要求。目前本橋已建成通車，運營情況良好，驗證了本設計的安全性和可靠性，并為類似鋼混結合段的設計，提供了參考借鑒依據。

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DesignforSteel-ConcreteJointSegmentofCable-stayedBridgewithHybridGirder

CAI Jian-ye

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

The design of steel-concrete joint segment is one of the key technologies of a cable-stayed bridge with hybrid girder, while the design of location, type and detail structure of steel-concrete joint segment will directly affect the safety and durability of the bridge. This paper introduces the design of the steel-concrete joint segment of the Fuming Road cable-stayed bridge in Ningbo City, including the determination of location, the selection of structure types, the detail structure, the structure calculation and analysis of steel-concrete joint segment. The results show that this bridge structure is under rational stress state, the force transmission is smooth and the rigidity transition is steady.

cable-stayed bridge; pylon; steel-concrete joint segment; rational position; structure design

2013-10-10

蔡建業(1983—)，男，工程師，2008年畢業于西南交通大學，工學碩士。

1004-2954(2014)01-0068-04

U448.21+6; U448.27

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.01.017