混合梁斜拉橋結合段加勁過渡區受力機理分析

■吳江鴻

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

混合梁斜拉橋結合段加勁過渡區受力機理分析

■吳江鴻

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

為揭示混合梁斜拉橋鋼混結合段加勁過渡區承載能力及破壞機理，以鋼梁加勁過渡段局部模型試驗為基礎，建立考慮殘余應力、初始缺陷等因素的鋼梁加勁過渡區非線性計算模型，模擬分析過渡區應力集中和屈曲等受力特點。通過比較有限元計算和試驗結果，表明采用A NS Y S建立殼單元有限元模型能夠較好地模擬加勁過渡區的承載性能；基于加勁過渡區受壓數值模擬分析，認為其破壞過程是局部剛度削弱引起屈曲，從而導致結構加勁過渡區整體屈曲發生。

混合梁結合段加勁過渡區受力機理有限元

1 序言

混合梁斜拉橋結構體系具有方便架設、保證支座不產生負反力、提高邊跨剛度、有效控制主梁豎向變形、減少斜拉索疲勞影響等諸多優點[1]。結合段處是混合梁剛度的突變點，大橋需要通過混合梁結合段來實現剛度的平穩過渡。若設計不當則容易造成剛度的跳躍，產生變形突變和折角，出現橋面行車不平順、跳車等現象，進而產生沖擊荷載對結合段及其附近鋼箱梁和混凝土箱梁的橋面系造成局部破壞。

鋼混結合段主要包括鋼梁加勁過渡段、鋼混結合部、混凝土梁加強過渡段三部分組成。鋼梁加勁過渡段一般由母板、后承壓板、U肋、復合加勁肋、橫隔板等組成。其目的在于將來自橋面板較大的軸力擴散至全截面，達到整個結構的傳力平順。劉榮[2]通過有限元計算模擬3種鋼梁加勁過渡段形式，對傳統復合加勁肋力學性能進行比較，探討了復合加勁端部應力集中特點。辛灝輝[3]對2種新型加勁過渡段進行模型試驗，揭示了其復合加勁端部局部屈曲的發生機理。

本研究以實橋混合梁鋼混結合段尺寸為基礎，開展鋼梁過渡段1∶2縮尺的承載性能模型試驗，并通過有限元建模研究鋼梁加勁過渡段端部的受力機理、破壞模式及承載能力。

2 加勁過渡段模型試驗

最近建設的幾座混合梁斜拉橋為了減少鋼梁加勁過渡段端部的應力集中，一般將焊接在U肋上的T肋在端部改為板肋。模型試件如圖1所示，試件母板長1720mm，寬1040mm，厚10mm。U型加勁肋通長加勁，厚4mm。變高度T型加勁肋加勁長1000mm，豎板橫板厚均為12mm。為改善突變截面的應力集中現象，T肋豎板前端延長300mm。

圖1 模型試件構造及尺寸（單位：mm）

圖2模型試件

圖2 為模型試件，在后承壓板開洞并使用螺栓固定在試驗臺底部，前承壓板與試驗臺作動器連接。圖3為加載示意圖，采用電液伺服協調加載系統分級加載，并記錄結構荷載位移曲線及相關數據。原橋在最不利工況下（成橋恒載+公路I級活載及人群荷載+溫度作用+沉降作用），結合段截面軸力約在150000kN。由于模型僅包含三根肋且設計相對偏安全，模型構件對應的2.5倍設計荷載約為2000kN。故試驗加載在2000kN以下采用力控制，2000kN以上采用位移控制加載。

圖3 加載示意圖

3 有限元模型及比較分析

3.1 模型建立

采用大型通用有限元軟件ANSYS進行有限元模擬，使用可以考慮彈塑性本構、大變形大位移的SHELL181建立殼單元模型。構件網格劃分及邊界條件如圖4所示。單元尺寸為板件厚度的3～4倍，滿足結構受力分析要求。與作動器連接的頂部建立剛域，施加分布加載的位移荷載，并約束水平方向自由度。底部單元節點約束三個方向自由度，以模擬構件底部與結構固結。

圖4 有限元模型建立及邊界條件

鋼材材料性質測試結果如表1所示。以測試結果數據為基礎，采用雙線性隨動強化模型引入材料的本構關系。

表1 鋼材材料性質測試結果

有限元計算中引入殘余應力及初始缺陷，殘余應力分布依照FHWA取值[4][5]，如圖5所示。殘余壓應力取值為0.25fy，殘余拉應力取值fy，且滿足截面自平衡。初始缺陷依照歐洲規范Eurocode3[6]，采用有限元一階彈性屈曲模態，對應彈塑性計算取值為板寬1/150。

圖5 殘余應力分布

3.2 與試驗結果的比較分析

圖6是模型試件在軸向力作用下荷載-位移曲線。試件受壓過程共分成3個節段，分別是彈性受力階段、彈塑性受力階段和承載力下降段。三個階段的剛度逐漸變化，在彈性受力階段和彈塑性受力階段，試件剛度與試驗結果相近。

試件的承載力Pu在3890kN，為0.78Py，有限元計算承載力與試驗值誤差在2.3%。其中P為結構受壓承載力，Py為結構最薄弱截面全截面受壓屈服的理論承載力。

圖6模型試件荷載-位移曲線比較

圖7 是試件受壓破壞模態，試件出現了較為明顯的局部屈曲和整體屈曲。在試驗過程中，由于局部屈曲與整體屈曲的發生時間相近，無法比較先后關系。局部屈曲的位置在復合T肋加勁的末端，整體屈曲出現的彎折也在此附近。U肋頂面與側板均出現局部屈曲，頂面內凹，側板外凸。試件在T肋延長段末端出現整體屈曲，彎折明顯。對比屈曲發生的位置及趨勢，有限元的計算結果與試驗結果均吻合。

4 加勁過渡區受力機理分析

鋼混結合段加勁過渡區在加載初期處于彈性受力階段，剛度保持不變，結構的承載力是與結構的軸向位移成正比，達到構件的彈性承載力Pe在0.45Py左右。

加勁過渡區應變狀態如圖8所示，隨著荷載繼續增加，加勁過渡區進入彈塑性受力階段。塑性應變最早產生自過渡區突變截面，位于T型加勁板豎板的延長前端。此處過渡區U肋截面由于應力集中和一定的初始缺陷，含有殘余壓應力的部分截面進入屈服，導致截面剛度下降。此階段過渡區斜率逐漸降低，加勁過渡區剛度不斷下降，達到加勁過渡區的彈性承載力Pu≈0.78Py。當結構承載力到Pu時，突變截面全截面進入塑性，突變截面以上的母板區域出現較大塑性區。由于應力集中，位于U肋頂面的塑性區塑性發展最大。

圖7 試件破壞模態

圖8 加勁過渡區塑性應變狀態

為進一步了解結構塑性應變隨承載力的發展，加勁過渡區各板件位于突變截面處的塑性應變隨荷載變化如圖9所示。

加勁過渡區受壓的塑性發展可分為三部分：即（1）承載力達到Pe后，構件U肋頂面塑性應變逐漸增加；（2）在承載力增至0.6Py時，含有殘余壓應力的母板板件塑性應變逐漸發展；（3）達到Pu后，母板各塊板件塑性變形迅速發展，U肋頂面塑性應變基本已不再發展。

通過塑性應變發展可知，在承載力上升段，剛度削弱分成兩次：第一次是U肋頂面進入塑性；第二次是含殘余壓應力的母板進入塑性。在承載力上升過程中，U肋的屈曲逐漸發展；而母板的屈曲發生在承載力的下降過程中。

圖10為各部分板件屈曲位移隨受壓荷載變化的曲線。荷載到達Pu，由于局部缺陷的影響引起變截面處U肋局部屈曲，U肋側板面外位移反向增大。母板面外位移在達到Pu前較小，當U肋加勁效果因屈曲降低后，母板承擔比例增加，面外位移迅速增大，最終引起朝向U肋方向的整體屈曲。

圖9 板件塑性應變隨荷載的變化

圖10 板件屈曲位移隨荷載的變化

5 結論

（1）基于ANSYS有限元模擬混合梁結合段加勁過渡區，計算極限承載力與試驗結果誤差為2.3%，剛度變化趨勢與試驗測試結果相近，破壞形態與試驗現象吻合。

（2）加勁過渡區破壞原因是應力集中導致含有殘余壓應力與初始缺陷的U肋頂面及側面的局部屈曲，削弱了截面剛度，在模型進一步承載過程中，受力偏心導致結構整體屈曲發生。

（3）加勁過渡區剛度削弱其原因一是因為復合T肋延長板導致U肋截面應力集中，塑性變形最先發生在U肋頂面及側面；二是因為母板含有殘余壓應力板件進入塑性，最終母板與U肋均發生局部屈曲并喪失剛度。

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

[2]Liu Rong,Liu Yuqing.Analysis of auxiliary ribs in steel–concrete joint of hybrid girder[J].Journal of Constructional Steel Research. 2015,112:363-372.

[3]Xin Haohui,Liu Yuqing,He Jun,Zhang Youyou.Experimental and analytical study on stiffened steel segment of hybrid structure[J].Journal of Constructional Steel Research.2014,100:237-258.

[4]肖維思,王佳,劉玉擎,黃李驥.高強度U肋加勁鋼板殘余應力測試及模擬分析[J].同濟大學學報:自然科學版,2016,44（11）:1645-1652.

[5]Department of Transportation Federal Highway Administration（FHWA）.（2012）.Manual for Design,Construction,and Maintenance of Orthotropic Steel Deck Bridges,No.FHWA-IF-12-027.

[6]European Committee for Standardization,（2005）.Eurocode 3:Design of steel structure–Part 1–5:Plated Structural Elements,Brussels,EN 1993-1-5.