鋼-混凝土結合段在混合梁斜拉橋轉體施工中的受力分析

劉 濤

（中國鐵路設計集團有限公司，天津300251）

橋梁的修建使得道路能夠跨越各種障礙， 大大減少了通行的時間，便利了人們的交通。建橋時為了能夠盡量地避免對己投入運營的高速公路、鐵路、航道的交通運營造成可能的阻斷， 在挑選橋梁的施工方法時需要格外的慎重。 轉體施工法的出現則較好的化解了這一工程上的難題， 最大限度地減少了對所跨高速公路、鐵路和航道正常運營的影響。 目前，國內外將轉體法施工應用于混合梁的工程實踐較少， 本文以某市政橋梁上跨鐵路立交橋主橋項目為依托，對鋼-混凝土結合段在混合梁斜拉橋轉體施工過程中的受力進行研究。

該市政橋梁為獨塔單索面混合梁斜拉橋， 為盡量減少施工期間對鐵路運營安全的影響， 主橋采用轉體法施工。 同時減少道路兩側拆遷范圍， 降低投資，在國內首創了混合梁斜拉橋的轉體技術。主橋跨徑布置為169+90m，全長259m，轉體部分跨徑為145+78m（鋼梁側133.5m，混凝土梁側89.5m，并設2.25m鋼-混凝土結合段），轉體部分總重量達2.6萬t。

1 斜拉橋鋼-混凝土結合段布置

混合梁斜拉橋的鋼-混結合段是受力較為復雜的關鍵結構，內力和剛度均有突變，屬于結構上的不連續點。本橋主跨部分采用正交異性板鋼箱梁結構，邊配跨采用預應力鋼筋混凝土結構， 鋼箱梁與混凝土箱梁結合部位采用剪力鍵為主、 以預應力為輔的組合連接方式，而且此結構用于轉體施工尚屬首例。為確保橋梁的安全性和可靠性，有必要對橋梁的鋼-混結合段的局部受力性能進行分析研究，以弄清鋼-混結合段鋼與混凝土共同工作的情況， 力的傳遞途徑及力的分布規律，確保鋼-混凝土結合段在混合梁斜拉橋轉體施工過程中安全可靠。

本橋鋼-混結合段總長5.25m， 包括鋼與混凝土結合段2.25m，鋼箱梁加強段3m。 為避免主梁剛度變化過大，鋼-混凝土結合段設置了上、下鋼格室，內填充混凝土。通過調整鋼格室的尺寸及頂、底板加勁肋的高度，使結合段兩側的重心盡量接近，達到修正截面的偏心，減小附加彎矩的目的，鋼-混凝土結合段構造如圖1。

圖1 鋼-混結合段立面圖

該鋼-混結合段的傳力原則是將鋼箱梁中的應力通過鋼梁加勁部分得到分散， 再通過鋼格室的承壓板、隔板、PBL連接鍵、剪力釘及鋼板與混凝土之間的黏結力等作用傳遞到填充混凝土中， 并進一步傳遞到混凝土主梁中。 鋼-混結合面承擔并傳遞軸力、彎矩、剪力和扭矩。

2 模型的建立

為了分析在壓、彎、剪、扭作用下控制截面和控制點處的應力分布、傳力路徑、混凝土與鋼結構的作用力分配及剛度的平穩性， 考察結合段的整體及局部受力情況，研究結合段的綜合性能和破壞機理，本文使用有限元分析軟件進行鋼-混凝土結合段的力學建模分析。

利用有限元分析軟件Midas Fea建立計算模型，模型中未考慮普通鋼筋的影響，模型中考慮了縱、橫向預應力的影響， 同時考慮了預應力鋼束的應力損失。模型忽略鋼板和混凝土之間的黏結滑移，混凝土與鋼板通過PBL鍵和剪力釘連接受力，承壓板與混凝土進行受壓耦合。模型混凝土箱梁一側端面固結，鋼箱梁一側端面建立結構質點單元， 在結構質點單元施加端面內力。 這種加載方法會導致鋼箱梁截面局部區域應力偏大，結果失真，在建立模型時通過預留一定長度來減小這種方法對分析帶來的不利影響，即預留了多余的梁段。模型混凝土采用實體單元，共計2147870個；鋼箱梁采用板單元，共計202276個；預應力鋼束采用線單元，共89698個。

3 施工偏載工況下結合段的受力分析

由于本項目懸臂長度達到145m， 橋梁寬度達到36m，均為目前轉體施工單索面斜拉橋中懸臂長度及橋梁寬度之最，鋼-混結合段受到彎矩、剪力、扭矩共同耦合作用，且對橋面橫橋向不平衡受力非常敏感。為嚴格控制轉體施工過程中的不對稱荷載， 要求橋梁轉體過程中橋面上不能放置臨時施工機具及其他荷載。但考慮到鋼梁加工尺寸誤差、橋上不可挪動的施工機具等相關因素， 很難保證結構重量在橫橋向嚴格對稱，按照最不利因素考慮，鋼梁側考慮2.5%鋼梁重量模擬施工期間偏載效應。 從單梁模型中到混合段鋼梁側質點單元位置在偏載工況作用下內力，施加給局部模型，荷載如表1。

表1 偏載工況荷載

偏載工況作用下， 鋼箱梁梁段整體Von Mises應力如圖2。

圖2 鋼結構Mises應力圖

可以看到在偏載工況， 偏載力作用下鋼箱梁呈扭曲狀，鋼箱梁頂、底板，腹板、鋼隔室及U肋應力水平均較低，遠小于鋼板應力極限。結合段整體應力分布較均勻，說明結合段對應力起到了很好的分散作用。

混凝土梁梁段正應力如圖3。

圖3 混凝土順橋向正應力

忽略局部應力集中， 偏載工況下混凝土順橋向應力范圍在-0.2～0.2 MPa之間，應力值均較小且分布較為均勻。

圖4 混凝土豎向正應力

偏載工況下混凝土豎向應力水平較低， 應力范圍在-0.02～0.04 MPa之間，整體應力較為均勻。 混凝土梁梁段主應力如圖5，圖6。

圖5 混凝土（主拉應力）云

圖6 混凝土（主壓應力）云

從上圖可見， 偏載工況混凝土梁段最大主拉應力值很小， 出現在腹板位置， 應力范圍約在0～0.1 MPa之間，最大主壓應力應力范圍約在-0.2～0.0 MPa之間，應力值也較小。 由此可見，轉體施工階段在最不利的偏載工況鋼混結合段有較大的強度和剛度，結構形式滿足設計和施工要求。

4 慣性力作用下結合段的受力分析

根據梁體轉動期間啟動/制動階段受力理論計算，將慣性力施加于鋼梁側重心位置，從單梁模型中到混合段鋼梁側質點單元位置在慣性力作用下內力，施加給局部模型，荷載如表2。

表2 慣性力工況荷載

慣性力作用下，鋼箱梁梁段順橋向正應力如圖7。混凝土梁梁段順橋向正應力如圖8。結合段順橋向變形如圖9。

圖7 順橋向正應力

圖8 順橋向正應力

圖9 順橋向位移

慣性力作用下，鋼-混凝土混合段橫橋向梁端位置鋼結構部分順橋向正應力最大值僅為0.04MPa，混凝土箱梁部分順橋向正應力最大值僅為0.15MPa，最大變形值僅為0.029mm，轉體施工期間慣性力引起的混合段應變、變形均很小，鋼-混凝土混合段均有較大的強度和剛度，結構形式滿足設計和施工要求。

5 結語

（1）混合梁斜拉橋的鋼-混結合段是受力較為復雜的關鍵結構，內力和剛度均有突變，屬于結構上的不連續點，其在轉體施工過程受力特性很重要。

（2）轉體施工階段在最不利的偏載工況，偏載力作用下鋼箱梁呈扭曲狀，鋼箱梁頂、底板，腹板、鋼隔室及U肋應力水平均較低，遠小于鋼板應力極限。 結合段整體應力分布較均勻， 說明結合段對應力起到了很好的分散作用。

（3）轉體施工期間鋼-混凝土混合段橫橋向慣性力引起的混合段應變、變形均很小，鋼-混凝土混合段均有較大的強度和剛度，結構形式滿足設計和施工要求。