斜拉橋主梁鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)及分析

楊樂杰

（上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司，上海市 200437）

0 引言

根據(jù)主梁材料不同，傳統(tǒng)斜拉橋大致可分為混凝土斜拉橋和鋼斜拉橋[1]。混凝土斜拉橋有較好的抗壓性能，且造價(jià)合理，但其本身材料自重大、施工復(fù)雜等因素限制了其跨越能力；鋼斜拉橋可有效提高橋梁的跨越能力，但同時(shí)也有造價(jià)昂貴、抗壓性能較差、結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)等缺點(diǎn)。因此，工程師們根據(jù)材料特性將鋼和混凝土兩種材料，沿縱橋向分段使用到斜拉橋主梁中去，其中主跨大部分梁體為鋼結(jié)構(gòu)，邊跨或者伸入主跨的部分梁體為混凝土結(jié)構(gòu)，即為鋼-混結(jié)合梁斜拉橋。

未來橋梁發(fā)展的方向定位于新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝。鋼-混結(jié)合體系的橋梁在結(jié)構(gòu)上較好的解決了主跨與邊跨跨徑比例不協(xié)調(diào)的問題，同時(shí)邊跨混凝土梁對(duì)主跨鋼箱梁起到很好的錨固作用，減小主跨的內(nèi)力和變形，提升結(jié)構(gòu)整體剛度，還具有較好的經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性[2]，因此，鋼-混結(jié)合梁在斜拉橋中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文詳述了奉賢區(qū)金莊公路跨金匯港大橋主梁鋼-混結(jié)合段的設(shè)計(jì)分析過程，以便為同類型中小跨徑斜拉橋主梁鋼-混結(jié)合段的設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

奉賢區(qū)金莊公路（金海公路—現(xiàn)狀金錢公路）新建工程位于上海市奉賢區(qū)北部，是銜接金匯鎮(zhèn)和莊行鎮(zhèn)之間的一條東西向二級(jí)公路，同時(shí)也是奉賢區(qū)跨越金匯港聯(lián)系兩岸地區(qū)的重要跨河通道。金匯港大橋全長(zhǎng)598 m，跨徑布置為：3×35 m+（70m+120m）+3×35m+（3×35m+33m）+3×20m；橋梁寬度為37.5m，雙向四車道布置。主橋采用獨(dú)塔雙索面結(jié)構(gòu)，主塔包括塔冠總高度104.028m（橋面以上為91.45m）；主梁采用鋼-混凝土混合梁結(jié)構(gòu)；全橋采用塔-梁-墩固結(jié)體系，見圖1、圖2。

圖1 金匯港大橋效果圖

圖2 主橋立面示意圖（單位：mm）

2 主梁鋼-混結(jié)合段構(gòu)造形式及特點(diǎn)

2.1 主梁構(gòu)造形式及特點(diǎn)

主梁混凝土部分采用單箱三室整體式箱梁，總寬33.2 m（不包含人行道寬度），設(shè)計(jì)道路中心線處主梁一般高度為2.5m。主塔處主梁經(jīng)過變高處理，以滿足受力需要。主梁高度從2.5m漸變至4.0m，漸變段長(zhǎng)度為6.4m，見圖3。

圖3 混凝土主梁一般斷面（單位：mm）

主梁頂板厚260 mm，底板厚從跨中位置的250mm漸變至支點(diǎn)處的500mm。主梁常規(guī)腹板標(biāo)準(zhǔn)寬度為450mm，支點(diǎn)處腹板寬度為650mm。拉索區(qū)正對(duì)處腹板應(yīng)錨固拉索需要，將腹板加厚，標(biāo)準(zhǔn)腹板寬度為600mm；支點(diǎn)處加寬至800mm。拉索橫梁設(shè)置根據(jù)拉索位置確定，分為2.75m和4.0m兩種間距。拉索橫梁采用T形梁構(gòu)造，橫梁腹板寬度為300mm。

主梁鋼箱梁部分與混凝土箱梁類似，采用單箱三室整體式結(jié)構(gòu)。主要尺寸為：頂板寬度37.5m，底板寬度20.92m；道路中心線處梁高2.5m，頂板設(shè)2%橫坡，底板水平；鋼箱梁內(nèi)設(shè)兩道直縱腹板，形成單箱三室斷面，見圖4。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)主梁一般斷面（單位：mm）

頂板為正交異性橋面板，根據(jù)各區(qū)段受力情況，頂、底板一般區(qū)段采用16mm厚度；橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距2.5m，一般橫隔板腹板厚度12mm，拉索處橫隔板厚度16mm；兩道直腹板和兩道斜腹板，均為整體實(shí)腹板，一般腹板厚度20mm，拉索對(duì)應(yīng)直腹板厚度為30mm。

2.2 主梁鋼-混結(jié)合段構(gòu)造特點(diǎn)

鋼-混結(jié)合段位于主跨部分距離主塔中心線11m處，長(zhǎng)度為2.0m。采用“鋼格室+PBL鍵+焊釘+預(yù)應(yīng)力”連接構(gòu)造，屬于有格室后承壓板形式，承壓板厚度為40mm。鋼箱梁頂?shù)装寮捌淇v向加勁板深入混凝土梁段，通過剪力孔中鋼筋與混凝土形成連接。為保證鋼混接頭處于有效連接狀態(tài)，且結(jié)合面處于均勻的受壓狀態(tài)，除在混凝土箱梁內(nèi)設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線外，同時(shí)還配置φ25精軋螺紋鋼筋，分別錨固在混凝土梁和承壓鋼板上。

結(jié)合段的鋼箱梁套在混凝土箱梁外側(cè)，并與混凝土箱梁澆筑為一體，PBL傳剪板深入混凝土主梁內(nèi)2.0 m，PBL傳剪板的剪力孔中貫穿設(shè)置φ20普通鋼筋，加強(qiáng)鋼主梁與混凝土的連接。鋼箱梁一側(cè)頂、底板及腹板均設(shè)置縱向加勁肋，使得鋼箱梁與混凝土箱梁之間剛度突變能夠平緩過渡，見圖 5、圖 6。

圖6 結(jié)合段兩側(cè)箱梁斷面構(gòu)造圖（單位：mm）

3 鋼-混結(jié)合段有限元分析

3.1 實(shí)體模型建立

主梁鋼-混結(jié)合段的局部應(yīng)力分析采用A NS Y S有限元軟件，利用空間混合有限元方法進(jìn)行計(jì)算。主梁鋼-混結(jié)合段長(zhǎng)2.0m，為較為真實(shí)的模擬這一區(qū)段的受力情況[3]，依據(jù)圣維南原理，建立ANSYS實(shí)體模型時(shí)，除結(jié)合段2m和鋼箱梁過渡段3m外，分別向混凝土梁部分和鋼箱梁部分延伸6.4m和7.25m，建模段全長(zhǎng)6.4m+2.0m+3.0 m+7.25m=19.45m。

3.2 單元選擇及劃分

實(shí)體模型中，過渡段鋼箱梁采用sh ell63殼單元模擬，混凝土采用s ol id187體單元模擬，預(yù)應(yīng)力束和精軋螺紋鋼采用l ink8桿單元模擬，遠(yuǎn)離結(jié)合段附近的鋼箱梁和混凝土箱梁采用beam4梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，見圖7。

3.3 邊界條件

圖7 結(jié)合段有限元模型

本文假定模型左右兩斷面為剛性，即符合平截面假定，在空間梁?jiǎn)卧c鋼箱梁殼單元以及混凝土體單元的結(jié)合位置建立相應(yīng)的約束方程，得到鋼-混結(jié)合段的有限元計(jì)算模型。在有限元計(jì)算時(shí)位移邊界條件設(shè)定如下：混凝土梁?jiǎn)卧拷账汗探Y(jié)位置的節(jié)點(diǎn)固結(jié)，而鋼箱梁?jiǎn)卧拷缰械墓?jié)點(diǎn)，采用力邊界條件施加集中力和集中力矩。考慮鋼-混結(jié)合段最不利受力狀態(tài)，提取主橋總體M ID A S模型計(jì)算結(jié)果（見表1）。斜拉索索力施加在鋼箱梁梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)上，索力換算結(jié)果見表2。混凝土中的預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力為1 395MPa，精軋螺紋鋼張拉控制應(yīng)力為837MPa。

表1 邊界約束條件

表2 斜拉索索力換算值

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 結(jié)合段部位鋼箱梁應(yīng)力狀態(tài)

計(jì)算表明，除了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象外，鋼箱梁的應(yīng)力值均比較低，結(jié)合段部位鋼箱梁頂板和底板整體受壓，在順橋向，頂、底板壓應(yīng)力大部分在-10MPa以內(nèi)；橫橋向上，頂板、底板壓應(yīng)力大部分在-15MPa以內(nèi)；箱梁頂、底板的M is e s應(yīng)力大部分在25MPa以下，遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力。

鋼箱梁頂、底板的U肋及縱隔板均順橋向受壓，壓應(yīng)力大部分在-20MPa以下；U肋的M is e s應(yīng)力與其順橋向應(yīng)力分布規(guī)律相同，距離結(jié)合面3m范圍內(nèi)的頂板U肋的M is e s應(yīng)力為25MPa，底板U肋壓應(yīng)力大部分在36MPa以下，滿足規(guī)范要求。

鋼-混結(jié)合面處承壓板的受力主要是由縱向預(yù)應(yīng)力束的預(yù)拉力引起的。在預(yù)拉力作用點(diǎn)處的鋼板出現(xiàn)了局部的彎曲變形，使得局部鋼板的一側(cè)受拉一側(cè)受壓，局部的最大拉應(yīng)力為45 MPa，壓應(yīng)力為-40MPa，在遠(yuǎn)離預(yù)應(yīng)力束作用點(diǎn)的鋼板應(yīng)力較小，大部分在25MPa左右，滿足規(guī)范要求，見圖8～圖 10。

圖8 鋼箱梁翼緣板部分Mises應(yīng)力（單位：Pa）

圖9 鋼箱梁U肋及縱隔板應(yīng)力（單位：Pa）

圖10 鋼-混交接面處承壓板應(yīng)力（單位：Pa）

3.4.2 結(jié)合段混凝土應(yīng)力

通過計(jì)算得出，整個(gè)模型中混凝土絕大部分處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力值處于-11.5～1.92 MPa之間。實(shí)際上本次研究主要為靠近結(jié)合面部位的混凝土，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，靠近結(jié)合面處的混凝土受到預(yù)應(yīng)力鋼束作用，局部拉應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力接近2MPa，而越遠(yuǎn)離鋼-混結(jié)合面處混凝土上表面的主拉應(yīng)力越小，混凝土中應(yīng)力得到有效擴(kuò)散，圖11分別展示了0.1m處、0.3m處、0.5m處、1m處、2m處結(jié)合段混凝土主拉應(yīng)力分布。其它部位混凝土的上表面拉應(yīng)力最大不超過1 MPa；由于混凝土中的縱向預(yù)應(yīng)力束的拉力使得混凝土橫向受拉，混凝土箱梁的下表面與腹板相連部位的拉應(yīng)力較大，約1.4 MPa；其它部位的混凝土的拉應(yīng)力值較小。

圖11 混凝土不同位置橫截面上的主拉應(yīng)力分布圖（單位：Pa）

4 結(jié)語

通過以上分析得知，在正常使用狀態(tài)基本組合荷載作用下：

（1）結(jié)合段部位的鋼箱梁頂、底板在順、橫橋向整體受壓，整體應(yīng)力值較低；頂、底板的U肋均順橋向受壓，壓應(yīng)力大部分在-20 MPa以下，頂板U肋的M is e s應(yīng)力為25MPa，底板U肋壓應(yīng)力大部分在36MPa以下。

（2）鋼-混交界面處承壓板的受力主要是由縱向預(yù)應(yīng)力束的預(yù)拉力引起的，在預(yù)應(yīng)力作用點(diǎn)處的鋼板出現(xiàn)了局部的彎曲變形，使得局部鋼板的一側(cè)受拉一側(cè)受壓，但應(yīng)力值可控。

（3）結(jié)合段混凝土大部分區(qū)域受到壓力作用，最大壓應(yīng)力在12 MPa以下，在靠近結(jié)合面處的混凝土受到預(yù)應(yīng)力鋼束作用，局部的拉應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力接近2MPa，其它部位混凝土的上表面拉應(yīng)力最大不超過1MPa。

綜述，結(jié)合段部位及兩側(cè)梁體總體上處于受壓狀態(tài)，且應(yīng)力水平較低，構(gòu)件有良好的安全儲(chǔ)備，但仍可對(duì)構(gòu)造進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，以便取得更好的經(jīng)濟(jì)效果。