雙斜塔雙索面混合梁斜拉橋主梁鋼-混結合部受力分析

□文/李 焱 謝 斌

雙斜塔雙索面混合梁斜拉橋主梁鋼-混結合部受力分析

□文/李 焱 謝 斌

鄂爾多斯4號大橋主橋為雙斜塔雙索面混合梁斜拉橋。該橋主梁寬高比大，主梁鋼-混結合部構造和受力較為復雜。文章通過有限元法對鋼-混結合部進行深入分析和研究，掌握了結合部鋼與混凝土的應力分布情況、傳力機理及承載能力性能，對應力集中部位進行了優化設計，確保結合部受力的可靠性和合理性。

混合梁斜拉橋；主梁；鋼-混；結合部；受力

由于混合斜拉橋能較好地適用于地形受限位置,具有邊主跨比小,主跨跨越能力大的特點，加之鋼梁改為混凝土梁后降低了工程造價，近年來在國內得到較為廣泛地采用，尤其在跨徑＞400 m時，混合梁斜拉橋在跨越能力和經濟性方面具有較為明顯的優勢。

1 工程概況

鄂爾多斯4號大橋主跨450 m，兩邊跨為 (40+2×42+51)m，采用半漂浮結構體系。橋塔高128 m，向主跨側傾斜12°。主梁全寬37 m，標準梁高3.0 m，采用流線型扁平鋼箱斷面形式，兩側設有風嘴及導流板。鋼與混凝土的結合部設置在主跨側距橋塔12 m處（見圖1），中跨426 m采用鋼梁，其余部位為混凝土連續梁，結合段長4.0 m，此結合段是混合梁斜拉橋中最為重要的構造之一。

圖1 結合部立面布置

2 鋼-混結合部設計

大橋的結合部構造形式（見圖2）是在充分考慮結構和力學的合理性、應力的傳遞性、鋼箱的制作性后確定的并通過數值分析研究在各種最不利荷載組合下，鋼混結合段各部分共同工作的特點，力的傳遞途徑及力的分布規律。

圖2 結合部構造形式

結合部設計方案端承板采用60 mm厚鋼板，保證了軸向力傳遞均勻及大直徑鋼絞線錨固要求；采用斜率1∶8的狹長閉合隔倉，使得軸力傳遞更為順暢；在端承板、鋼腹板及閉合隔倉內均設置剪力釘，提高了結合部的抗剪強度；強大的預應力鋼束與精軋螺紋鋼筋配合使用，有效地抵抗活載產生的彎矩，剪力釘與混凝土結合面增大，混凝土防裂能力得到提高，結構可靠性顯著增強，見圖3。

圖3 結合部斷面構造

3 模型建立

3.1 單元劃分

對主梁鋼-混結合部建立空間有限元模型進行局部應力分析。根據圣維南原理，為避免邊界條件對所研究節段的影響，分析模型為鋼-混結合部、混凝土梁段側混凝土第一個實心斷面，以及鋼梁側緊鄰固結段4個節段。分析長度為1.5 m（混凝土梁段）+4.0 m（鋼-混結合部）+12.0 m（鋼梁段）。

混凝土結構采用3D六面體實體單元，鋼結構采用四邊形平面單元進行節段有限元模型建立，見圖4。

圖4 有限元模型

3.2 邊界處理

分析模型根據單梁模型內力值，等效為簡支結構進行計算，因此，梁端兩側分別采取簡支約束。梁端加載面處理根據平截面假定，建立剛性單元，將該面腹板及頂底板單元約束，使其在外力作用下保持平面并在各自質心位置建立單節點單元，與其截面建立主從約束關系，截面內力值加載于節點上。

3.3 預應力鋼束處理

Midas FEA三維實體分析軟件自帶鋼筋單元，采用程序中實體預應力單元真實地模擬主梁內縱橫向預應力鋼束。

3.4 分析工況

模型考慮分析荷載為恒載+公路I級+人群荷載。

模型本身自重由程序自動加載。二期恒載通過面荷載形式施加于頂面單元。梁端內力荷載根據分析軟件Midas Civil 2010單梁模型結果，以鋼-混結合部結合面作為內力極值斷面（67單元），求出梁端截面內力值，見表1。

表1 梁端截面極值工況加載

4 結合部應力狀態分析

為排除節段模型兩端邊界條件和加載條件對實際結構模型應力分布的影響，在后處理中僅對模型中的結合部進行受力分析，即結構的重點關心區域。

4.1 結合部混凝土結構應力狀態

1）主拉應力見圖5。

圖5 混凝土主拉應力

結合段混凝土結構主拉應力大部分為-0.85a～3.75 MPa。從圖6可以看出，除預應力錨固部位外，承壓板結合部位角點位置同樣出現一定應力集中現象。主拉應力＞4.5 MPa，見圖6。

圖6 混凝土主拉應力＞4.5 MPa

2）主壓應力見圖7。

圖7 混凝土主壓應力

結合段混凝土結構主壓應力大部分為-14.1～-0.05 MPa。從圖8可以看出，與承壓板結合部位預應力錨固段出現明顯應力集中現象。主壓應力量值＜-15.5 MPa，見圖8。

圖8 混凝土主壓應力＜-15.5 MPa

4.2 結合部鋼結構應力狀態

1）主拉應力見圖9。

圖9 鋼主拉應力

結合段鋼結構主拉應力大部分為-22.8～50.7 MPa。從圖9可以看出，頂面截面突變處角點出現明顯應力集中現象，但是該處結構處理上具有過渡鋼板，實際應力會等到很好改善。主拉應力＞70.0 MPa，見圖10，較大主拉應力出現在與填充混凝土相接的承壓鋼板?？傮w結合段鋼結構主拉應力量值較小。

圖10 鋼主拉應力＞70.0 MPa

2）主壓應力見圖11。

圖11 鋼主壓應力

結合段鋼結構主壓應力大部分為-144.5～27.4 MPa。從圖11可以看出，頂面截面突變處角點出現明顯應力集中現象，但是該處結構處理上具有過渡鋼板，實際應力會等到很好改善。主拉應力＜-105 MPa，見圖12。結合段鋼梁主壓應力量值較小。

圖12 鋼主壓應力＜-105.0 MPa

5 結論

1）結合部沿靠近承壓板方向，鋼梁面板和T肋順橋向應力呈遞減。

2）承壓板主要通過與格室混凝土的相互擠壓作用傳力；軸力可以有效通過格室內連接件和鋼-混摩擦作用傳遞至格室內混凝土，鋼格室內表面板的傳力貢獻不顯著。

3）混凝土梁段的應力變化較為平緩，從鋼梁傳遞到混凝土梁的內力來不及擴散至混凝土整個截面，導致混凝土斷面處于非全截面受壓狀態。

4）鋼-混結合部主要通過承壓板和鋼-混結合部內剪力釘傳遞軸向荷載，在傳力時，承壓板承擔了較多的軸向荷載。

5）鋼-混結合橫梁與其后混凝土箱梁連接的變截面處局部出現較大的拉應力集中，在混凝土頂、底板與鋼-混結合橫梁連接處的倒角區域，通過增加防裂鋼筋，以防止其受力不合理而導致的開裂。

[1]劉玉擎.組合結構橋梁[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1996.

[3]嚴國敏.現代斜拉橋[M].成都：西南交通大學出版社，1996.

[4]黃 玲.混合梁斜拉橋鋼—混結合段受力行為與傳力機理研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[5]劉玉擎.混合梁接合部技術的發展[J].世界橋梁，2005，（4）：9-12.

□謝 斌/天津市市政工程設計研究院。

U441

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1008-3197（2015）06-57-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.020

2015-11-25

李 焱/男，1981年出生，高級工程師，同濟大學，從事橋梁與隧道工程設計研究工作。