混合連續梁橋鋼混結合段局部應力分布及傳力機理分析

陳君，黃國紅，徐天，卓為頂，陳龍

1.南京市公共工程建設中心，江蘇南京 210019；2.東南大學土木工程學院，江蘇南京 211189

0 引言

城市橋梁受地形和兩岸接線限制，常采用超短邊跨的三跨PC連續梁布置方案，邊支座上出現的上翹拉力是橋梁設計中需要關注的問題。通常有兩種解決方案：一是在邊跨配重，如圖1a)所示，如加拿大的Grand-mere橋[1]，中跨和邊跨分別長181.4 m和39.6 m，邊中跨比為0.22；二是主跨中段采用鋼箱梁，形成鋼和混凝土縱向組合的混合梁體系，如圖1b)所示，該方案具有降低橋梁結構自重，實現快速施工等技術優勢[2]。

混合梁橋受力的關鍵部位為鋼混結合段，結構形式以混合梁的斜拉橋和懸索橋為主，主要傳遞軸向力。周陽等[3-5]研究了鐵路混合梁斜拉橋的傳力及疲勞性能，發現結合段鋼梁底板與混凝土協同工作的能力較強，而頂板與混凝土的連結能力較差。劉榮等[6-7]分析研究鄂東長江大橋結合段的受力情況，表明結合段的承壓板傳遞了大約50%的軸力，其余內力由剪力連接件傳遞。郭濟[8-10]研究了懸索橋鋼混結合段的受力特性，指出結合段內的混凝土中存在較大的橫向、豎向拉應力。肖林等[11]研究斜拉橋橋塔中鋼混結合段的受力問題，得出結合段傳遞荷載的效果較好,且PBL剪力鍵的靜力和疲勞性能良好的結論?；旌狭簶蛑械匿摶旖Y合段除了傳遞縱向預應力產生的軸向力，還將承受較大的彎矩和剪力。代表橋梁為2006年建成的重慶石板坡大橋復線橋[12-15]，其中跨采用了103 m的鋼梁段。目前，鋼混結合段根據其構造主要分為有格室和無格室2種。其中，有格室鋼混結合段根據其承壓板的數量和位置分為前承壓板式、后承壓板式和前后承壓板式，無格室鋼混結合段大多為后承壓板式，結合段內的荷載主要通過承壓板、栓釘和PBL剪力連接件3種途徑進行傳遞[16-19]。

圖1 小邊中跨比PC連續梁橋的結構布置方案

本文以南京機場二通道跨秦淮新河橋(三跨變截面混合梁橋)為研究背景，通過精細化有限元分析，研究混合梁橋鋼混結合段在各種工況下的局部應力分布規律，分析荷載在結合段內的傳遞路徑與傳力機理，以期為同類設計提供參考。

1 工程背景

1.1 結構總體布置

機場二通道跨秦淮新河橋位于江蘇省南京市秦淮新河上，是主跨中段采用鋼箱梁的預應力混凝土連續梁橋，總長200 m，跨徑組合(35+130+35)m，如圖2所示。橋梁分雙幅布置，單幅橋寬20 m，橫斷面布置為人行欄桿(0.5 m)+人行道(3.0 m)+非機動車道(4.0 m)+防撞護欄(0.5 m)+車行道(11.5 m)+防撞護欄(0.5 m)。

圖2 秦淮新河橋橋型布置

主橋上部結構為變高度鋼混組合連續梁，由單箱雙室箱形斷面組成。邊跨35 m和主跨邊段各20.5 m為預應力混凝土箱梁，主跨中間89 m范圍內為鋼箱梁。鋼混結合段長2 m，邊中跨比為0.27(35/130)。秦淮新河橋的邊中跨比遠小于常見的連續梁(0.60～0.80)，若采用常見的預應力混凝土連續梁橋結構，邊支座的支反力較小，甚至可能出現負反力。因此，本橋中跨部分采用鋼箱梁結構，以減小中跨自重，增加邊支座支反力。

混凝土主梁采用C55混凝土，普通鋼筋采用HRB400，箍筋采用HPB300，主橋鋼箱梁采用Q345D，縱橫向預應力鋼筋采用抗拉強度為1860 MPa、直徑15.2 mm的低松弛鋼絞線，豎向預應力筋采用屈服強度為785 MPa、直徑32 mm的高強精軋螺紋鋼筋。

1.2 鋼混結合段構造

秦淮新河橋的鋼混結合段總長4.5 m(鋼2.0 m，混凝土2.5 m)，采用有格室的前后承壓板式，前后承壓板間距為2.0 m，厚度均為50 mm。在格室內焊有PBL剪力連接件及抗剪栓釘，栓釘高150 mm，Φ22 mm，PBL剪力連接件厚20 mm，鋼混結合段斷面構造如圖3所示(圖中單位為mm)。在頂底板及腹板內布置體內預應力筋，體內預應力束斷面布置如圖4所示(圖中單位為mm)。

圖3 鋼混結合段構造

圖4 體內預應力束斷面布置

2 精細化有限元模型

2.1 模型建立

本橋鋼混結合段構造和受力較復雜，為準確分析結合段的力學行為，建立純混凝土(11.0 m)+結合段(4.5 m)+純鋼梁段(2.0 m)節段的空間有限元模型，如圖5所示，進行局部受力精細化計算分析。固結純混凝土梁段一側所有節點，因約束處離結合段距離較遠，所以約束帶來的附加效應較小，節段模型計算結果能較好地反應實際狀況。

混凝土采用SOILD45單元，鋼結構采用SHELL65單元，預應力采用LINK8單元。嚴格按照圖紙規定實際尺寸建模，z軸沿橋梁軸向，y軸豎直向上，x軸沿橫橋向。實橋中，鋼結構和混凝土通過結合段栓釘和PBL連接件連接。在有限元模型中，連接件連接同一位置的鋼結構和混凝土節點,通過COMBIN39單元建立彈簧單元。對結合段無連接件處2種材料的節點，可忽略其相互摩擦和粘結作用。

2.2 材料本構

鋼與混凝土可視為均質彈性體，以彈性模量與泊松比表示結構的材料特性?；炷敛此杀葹?.2，彈性模量為35.5 GPa；鋼材泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa。

a) 整體模型 b) 結合段局部模型

栓釘的剪力-滑移本構關系[20]為：

(1)

式中：Qu為栓釘的極限抗剪承載力，kN；α、β為滑移模型參數，Φ22 mm的栓釘分別取0.5和1.2；Δ為栓釘滑移，mm。

參照文獻[21]計算得

(2)

圖6 PBL連接件剪力-滑移本構關系曲線

式中：Asu為栓釘的截面面積，mm2；Ec為混凝土的彈性模量，MPa；fcd為混凝土的設計抗壓強度，MPa：fsu為栓釘的抗拉強度，MPa。

PBL開孔板連接件的單孔抗剪承載力[21]63

(3)

式中：dp為鋼板開孔直徑，mm；ds為貫穿鋼筋的直徑，mm；fsd為貫穿鋼筋的抗拉強度設計值，MPa。

根據文獻[22]的建議，PBL連接件的剪力-滑移本構關系可簡化為如圖6所示的三折線模型。

表1 荷載工況

注：剪力逆時針為正，彎矩下側受拉為正，軸力受拉為正

2.3 荷載工況

對模型施加荷載，荷載類型為恒載+城-A+人群+混凝土收縮徐變+溫度影響[23]，計算時考慮荷載基本組合，可按空間桿系結構的分析結果計算。通過Midas桿系模型計算得到鋼箱梁一側斷面彎矩M和剪力Q的包絡，兩項結構進行組合可得4種工況。在此4種工況下，鋼混結合段進行空間有限元分析計算，得到相關力學性能參數如表1所示。

3 有限元模型分析結果

3.1 結構應力

將預應力錨固在承壓板上是結合段混凝土安全性的重要保證，但預應力在縱向傳遞的過程中可在混凝土結構內產生橫向拉力，即劈裂應力。劈裂應力過大容易造成局部開裂。因此應先分析僅受預應力作用的混凝土結構。由計算結果可知，僅受預應力作用時，結合段預應力頂板配束多于底板，混凝土頂板上產生的預壓應力約為3.4 MPa，在底板產生的預壓應力為1.3 MPa。鋼混結合段頂板上緣的橫向劈裂應力約為1.9 MPa，存在于錨后一定區域內，應力分布如圖7所示(圖中單位為MPa)。

圖7 僅受預應力作用的混凝土應力

在最不利荷載工況下，頂板上緣局部位置的縱向拉應力為0.6 MPa，底板下緣縱向壓應力增大至6.3 MPa，表明結合段負彎矩作用較為顯著。同時，從橋梁橫向看，整體結構應力較小，但承壓板錨頭之間剝裂效應明顯，在最不利荷載工況下局部剝裂應力最大為7.2 MPa，僅限于局部較小區域，應力分布如圖8所示(圖中單位為MPa)。箱梁鋼混結合段局部出現微裂縫后，剝裂應力大大釋放；通過普通鋼筋配筋可以控制裂縫寬度，確保結構的使用性能和安全性能。

圖8 最不利工況下結合段混凝土應力

在最不利工況下，鋼結構在x、y、z3個方向上的應力均為-50～50 MPa。對于錨固縱向預應力的前后承壓板，雖然存在較大的錨固集中力作用，但是前后承壓板厚度均為50 mm，平面外剛度較大，因此局部位置應力基本不超過±100 MPa，鋼結構應力總體水平較低。

3.2 傳力路徑

軸力的傳遞是鋼混結合段的主要任務之一，應采取有效的構造將軸向力由截面積較小的鋼結構平順、流暢地傳遞到截面積較大的混凝土梁段中。

軸力主要有3種傳遞途徑：分別為：鋼梁—前承壓板—混凝土梁，鋼梁—后承壓板—混凝土梁，鋼梁—各排剪力連接件—混凝土梁[24]。

鋼混結合段具體軸力傳遞路徑及示意圖如圖9所示。

圖9 結合段軸力傳遞路徑圖

通過對有限元模型不同縱向位置的混凝土截面軸向應力進行積分，可得混凝土截面的軸力及其沿縱向傳遞的變化圖，從而分析上述3種傳遞路徑的貢獻，如表2及圖10所示。

表2 混凝土各截面軸力

注：截面位置以純混凝土梁段邊緣位置為零點

圖10 混凝土軸力占比縱向分布曲線

由圖10可知:在結合段，混凝土各截面軸力及其在總軸力的占比沿縱向不斷變化，但是軸力變化速率(切線斜率)不一，說明各排剪力連接件的傳力效率不均勻，其中前后承壓板之間剪力連接件作用較小，后承壓板附近剪力連接件作用較大。同時，在前后承壓板處混凝土各截面軸力及其在總軸力的占比存在突變，說明承壓板對結合段軸力的傳遞有較大影響，后承壓板將約41.0%的軸力傳遞給混凝土，前承壓板傳遞約8.9%的軸力。

4 結語

采用鋼混組合結構是解決超小邊中跨比橋梁邊支座易出現負反力的有效方法，鋼混結合段作為混合橋梁中受力的重要部位，其受力特性需要特別關注。本文以三跨變截面混合梁橋的南京機場二通道跨秦淮新河橋為背景，通過精細化有限元分析，研究本橋中鋼混結合段的局部應力分布規律及傳力機理。

1)在各荷載工況作用下，混凝土梁段沿縱向保持受壓狀態，但由于存在較大預應力，混凝土梁段中產生較大的橫向剝裂應力，在橫向鋼筋設計時應予以充分考慮。

2)軸力在鋼混結合段中主要有3種傳遞路徑，即軸力分別通過前、后承壓板和剪力連接件從鋼梁傳遞到混凝土梁段，其中通過后承壓板傳遞的軸力大于40%，占比最大，通過前承壓板傳遞的軸力占比約為8.9%。

3)軸力在剪力連接件中的傳力效率不均勻，前后承壓板之間剪力連接件作用較小，后承壓板附近及前承壓板之后的剪力連接件作用較大。