鋼-混結合段力學性能研究及有限元模型分析

周 陽，周佳雨，蔣李志宏，張永奇，羅健輝，曾 川，蔣 偉

(成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

隨著我國高速鐵路的大規模建設，實際施工工程需翻山越嶺、跨江跨海，橋隧比占比較大，對橋梁結構跨度、承載能力及建造技術等方面提出了相當高的要求.斜拉橋是由受拉索和承彎梁組成的結構體系，具有跨越能力大、造型美觀等優點[1-2].我國高速鐵路中眾多關鍵性工程都采用斜拉橋，如寧波鐵路樞紐北環線中的甬江特大橋[3-4].目前最大跨度的公路鐵路兩用斜拉橋通滬鐵路中的滬通長江大橋[5]，建成后將成為世界最大跨度公路鐵路兩用斜拉橋.常泰長江大橋[6]、川南城際鐵路中在建的臨港長江大橋[7]以及近期設計方案通過評審的甬舟鐵路中的桃夭門大橋[8]等也采用斜拉橋.

混合梁斜拉橋與傳統斜拉橋相比，邊跨采用混凝土梁，不僅增加了橋梁整體剛度，還能避免在跨中荷載作用下支座產生的負支反力[9-10].混合梁斜拉橋跨中采用鋼箱梁、邊跨采用混凝土梁，兩者的結合部一般被稱為鋼-混結合段[11].鋼材和混凝土兩種材料性能差異較大，要將各種內力在鋼梁和混凝土梁中平穩傳遞，因此，鋼-混結合段的設計合理性尤為重要[12].鋼-混結合段結構形式復雜，一般包含外部鋼箱梁、內填混凝土梁、剪力鍵、預應力鋼束及承壓板等結構.根據對已建混合梁斜拉橋鋼-混結合段的研究，因結合段設計各異，并未形成統一的結構形式.相關學者對各橋鋼-混結合段的力學性能開展了大量研究，劉榮等[13]對鄂東長江大橋鋼混結合段建立局部有限元模型，對其受力分布和傳力比例進行分析；唐亮等[14]結合鋼混結合段受力特點，建立結合段局部簡化有限元模型，對其受力特點及各結構參數影響進行了分析；霍學晉等[15]對重慶永川長江大橋主橋鋼-混結合段進行非線性有限元模型分析，對承壓板、剪力釘及PBL剪力鍵傳力比例等進行了研究.

本研究以某大型混合梁斜拉橋為例，利用大型有限元軟件ANSYS，建立了鋼-混結合段局部仿真模型，并對其力學性能進行分析研究，以供同類型工程參考.

1 鋼-混結合段有限元模型建立

某大橋鋼-混結合段設計長度為7.35 m，并設置了5 m長的剛度過渡段，結合段采用變高度過渡設計法，為承壓板-有格室式構造，如圖1所示.該鋼-混結合段內設置預應力鋼束和普通鋼筋，并設置3道橫隔板，格室縱向隔板上開4孔、頂板開3孔便于混凝土澆筑.結合段采用剪力釘和PBL剪力鍵共同傳力，格室頂板和底板設置規格為Φ22的剪力釘，即直徑為22 mm，間距為150 mm布置；側板上設置PBL剪力鍵，其開孔直徑為Φ60mm，并貫穿直徑為Φ25mm的鋼筋以增強抗剪能力，混凝土采用C60膨脹型混凝土.為保證傳力平順，在剛度過渡段內頂底板設置了U型加勁肋和T型加勁肋.

考慮到該橋鋼-混結合段截面巨大，構造復雜，不利于精細化有限元模型分析，且根據有格室式結構各個格室的獨立性等特點，選取某一格室建立ANSYS精細化有限元模型，并對其受力特性進行分析.有限元模型中鋼結構部分，包括鋼箱梁、橫隔板及承壓板采用板殼單元SHELL63模擬，混凝土采用實體單元SOLID65模擬，預應力鋼束采用桿單元LINK8模擬，剪力釘和PBL剪力鍵采用梁單元BEAM44模擬.考慮到承壓板、剪力鍵和混凝土之間的相互作用，采用約束方程將承壓板結構、剪力釘單元和混凝土單元節點耦合，變形協調，鋼結構的其他部分和混凝土則模擬為分離狀態，將兩者間的粘結力等設為安全儲備.結合段鋼結構部分和混凝土部分三維有限元模型圖如圖2所示.

2 鋼-混結合段力學性能分析

2.1 鋼結構受力分析

圖3～5為在最不利工況作用下斜拉橋鋼格室頂板、頂板及側板沿橋縱向應力云圖.

由圖可知，沿順橋向鋼格室頂板、底板及側板壓應力沿結合段逐漸減小，應力過渡平順.頂板、底板和側板的最大壓應力值分別為-82.6 MPa、-50.8 MPa、-87.4 MPa，都出現于與承壓板焊接的端部.由于此處是結合段開始傳力的端部，且頂板、底板及腹板在此處與承壓板焊接，應力環境復雜，容易造成應力集中和疲勞現象.因此，此處施工中應避免焊接殘余應力等產生.同時，與底板相比，頂板上設置有混凝土的澆筑孔，側板上也設置了孔洞方便混凝土流通.從應力云圖中可以看出，底板傳力較均勻，而頂板和側板因開孔其應力下降較快，底板及底板上設置的剪力釘起主要傳力作用.

結合段設置3道橫隔板，從鋼梁到混凝土梁方向按順序分別稱為橫隔板1、橫隔板2及橫隔板3.圖6～8為3道橫隔板等效應力云圖.

由圖6～8可知，橫隔板應力水平較低，最大等效應力僅為9.3 MPa，應力較大位置出現于與鋼格室頂底板、側板焊接位置，最大應力出現于橫隔板、底板及側板焊接處.總的來說，橫隔板對結合段傳力影響較小，但可以增加結合段整體剛度.

2.2 混凝土受力分析

圖9為混凝土正應力云圖，從圖中可以看出，混凝土部分最大壓應力為-27.5 MPa，出現在與標準混凝土梁段接觸處.由于此處為鋼-混結合段，標準鋼箱梁段已將內力全部傳遞到標準混凝土梁段，內力全部由混凝土梁承擔，所以混凝土梁內壓應力最大.

將鋼-混結合段中結合面混凝土單獨提取出來，其正應力云圖如圖10所示.

從圖9和圖10看出，在承壓板與混凝土接觸面、混凝土與剪力鍵接觸部位、預應力鋼絞線通過混凝土的部位，均出現了應力集中現象.從圖10中可知，鋼-混結合面整體處于受壓狀態，最大壓應力值為-7.4 MPa，混凝土截面整體受力水平較低.

2.3 鋼格室傳力分析

圖11～13為底板、頂板及側板沿順橋向應力水平變化趨勢圖.由于構造原因，在頂板和側開各開了3處和4處孔洞，便于混凝土的澆筑和流通，導致鋼格室各板在應力傳遞過程中會出現一些突變(圖11～13中已標注).在距承壓板端部600 mm范圍內，由于側板高度的變化，此時側板壓應力隨著距承壓板距離增大而減小，底板和頂板壓應力水平則稍微增大.接近頂板和側板第一個開孔處，由于此處截面的削弱，頂板和側板壓應力呈現出先增大后減小的趨勢，在之后開孔處也出現了同樣的趨勢，圖12、13為開孔應力變化趨勢圖.由于頂板較側板和底板短，在圖11中可以明顯看出，沿板長方向4 475 mm，在頂板長度方向結束處底板壓應力有增大的趨勢(見圖11中第2處標記)，而此處正對應側板第3處開孔位置，從圖13可以明顯看到此處側板壓應力水平較第2處開孔位置大，說明側板應力也有增大趨勢.總的來說，從圖中可以看出鋼格室整體應力水平較低，且過渡較平順.

3 結 語

本研究以某大跨度混合梁斜拉橋為例，建立其鋼-混結合段局部ANSYS有限元模型，并對其受力性能進行分析，主要得到以下結論：

1)在最不利荷載作用下，鋼格室整體受力水平較低，在局部鋼板焊接部位易出現應力集中現象.結合段中橫隔板對傳力影響較小，但可以增加結構整體剛度.

2)結合段內混凝土梁應力水平較低，在與承壓板、剪力鍵及預應力鋼絞線接觸位置會出現應力集中和較大拉應力.通過分析鋼-混結合面處混凝土受力狀態可知，結合面整體處于受壓狀態，受力合理.

3)結合段鋼格室各板沿縱向應力變化較平順，應力水平較低.但在混凝土注漿開孔處，截面被削弱會增大此處各板應力水平，減少了與混凝土梁的接觸面積，導致減弱了其傳力能力，因此，需合理設置注漿孔的位置、數量等.