自錨式懸索橋鋼- 混結(jié)合段傳力機理分析

王鋒

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074）

混合梁在1972 年于德國問世后，其新穎的結(jié)構(gòu)引起了人們的重視，但是由于材料工藝以及技術(shù)認識的不足，導(dǎo)致這種橋型經(jīng)歷了十年左右的低谷，直到20 世紀90 年代，才在歐洲、日本等地逐漸發(fā)展起來，我國在混合梁方向的發(fā)展主要是在近三十年，由于其較傳統(tǒng)混凝土橋梁具有更大的跨徑、橋型優(yōu)美和適用于更多復(fù)雜地形等諸多方面的優(yōu)勢，在國內(nèi)得到了較好的發(fā)展。現(xiàn)代懸索橋為增大跨徑，通常在跨中部位使用自重較輕、變形能力較強的鋼箱梁，而在靠近邊跨位置通過使用混凝土梁增加橋梁配重，平衡中跨豎向變形。結(jié)合段作為連接鋼箱梁和混凝土梁的重要構(gòu)件，其主要作用就是保證鋼箱梁和混凝土梁不同的剛度在此平滑過渡，同時使鋼板和混凝土之間的內(nèi)力流暢傳遞。

1 工程概況

某自錨式獨塔懸索橋為了使鋼箱梁的內(nèi)力平順傳遞到混凝土梁上，在靠近橋墩8.8m 處設(shè)置長度為6.75m 的結(jié)合段。其采用無鋼格室構(gòu)造[1]形式，為了使結(jié)合段應(yīng)力平滑傳遞，結(jié)合段混凝土梁采用喇叭狀，使其末端混凝土厚度與結(jié)合段另一側(cè)即鋼箱梁側(cè)T 肋在承壓板處等高，而在鋼箱梁側(cè)，通過采用變高度U肋、加勁肋以及T 肋等構(gòu)造措施，增加了箱梁的剛度，使鋼箱梁應(yīng)力沿變高肋平滑傳遞至承壓板。此外，結(jié)合段混凝土梁側(cè)分別設(shè)置長1.5m 頂板和底板，與長2m，厚度為25mm 的PBL 剪力鍵共同傳遞剪力。

2 有限元模型建立

根據(jù)圣維南原理[2]，使用等效作用力作用時，應(yīng)力只會在靠近作用點處有區(qū)別，而在遠離作用點的區(qū)域，等效作用力產(chǎn)生的應(yīng)力相差很小。因此，本文中建立全長34.35m 的有限元實體模型，其包括：混凝土段8.8m +結(jié)合段2m +鋼箱梁加勁過渡段4.75m +A 類梁段6m+標準梁段10.8m，又因為本橋梁沿橋梁方向左右對稱，故采用二分之一模型。最終采用Midas FEA 建立的有限元實體模型如圖1 所示。

圖1 鋼箱梁板件單元模型及網(wǎng)格劃分

3 計算結(jié)果分析

3.1 結(jié)合段應(yīng)力云圖分析

如圖2 所示，結(jié)合段鋼板mises 應(yīng)力介于0.89～89.8Mpa 之間，應(yīng)力集中點的位置多在預(yù)應(yīng)力筋在承壓板錨固位置以及肋板于承壓板相交位置，但是98%區(qū)域mises 應(yīng)力值都低于67.5Mpa。從應(yīng)力云圖上看，結(jié)合段承壓板處mises 應(yīng)力值較遠離承壓板的鋼板相應(yīng)的mises 應(yīng)力低，且距離承壓板越遠，應(yīng)力越低。

圖2 結(jié)合段鋼板Mises 應(yīng)力云圖（單位Mpa）

承壓板作為結(jié)合段最重要的構(gòu)件之一，其受到混凝土梁側(cè)的PBL 剪力鍵、頂?shù)装濉㈩A(yù)應(yīng)力筋以及鋼箱梁側(cè)加強肋的作用，也是結(jié)合段中受力狀況最復(fù)雜的構(gòu)件。圖3 為結(jié)合段承壓板mises 應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，承壓板收受mises 應(yīng)力介于3.52～89.8Mpa 之間，99%區(qū)域mises 應(yīng)力在73.6Mpa 以下，整體應(yīng)力值處于較低水平，應(yīng)力較大處多在預(yù)應(yīng)力筋錨固點以及鋼箱梁腹板與承壓板相交處。對于預(yù)應(yīng)力筋錨固點應(yīng)力較大，由于實際施工過程中，會在預(yù)應(yīng)力筋錨固點設(shè)置錨墊板以緩沖和分散應(yīng)力。

圖3 結(jié)合段承壓板Mises 應(yīng)力云圖（單位Mpa）

3.2 結(jié)合段受力特征

選擇每個梁箱室的中心位置，分別計以DD、EE 和FF 截面。以承壓板為起點，每0.2m 為間隔距離，且由于PBL 剪力鍵在承壓板上是間隔布置，所以取距離前面所取三個截面距離最為接近的剪力鍵，依次記錄頂板和底板剪力鍵的剪切應(yīng)力值，得到圖4 所示剪力鍵應(yīng)力變化曲線。

圖4 特征截面頂、底板PBL 剪力鍵應(yīng)力變化曲線

從上述應(yīng)力變化曲線可以看出，頂板剪力鍵在靠近承壓板附近剪應(yīng)力是最大的，且隨著距離承壓板的距離逐漸增大，剪應(yīng)力降低并趨于平緩；而底板恰恰相反，其是在靠近承壓板附近時，剪應(yīng)力最小，隨著距離承壓板距離越遠，剪應(yīng)力逐漸增大并在0.4m 以后趨于平緩。

4 結(jié)論

4.1 鋼箱梁和承壓板最大mises 應(yīng)力介于0.89～89.8Mpa 之間，且應(yīng)力集中現(xiàn)象多出現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固點以及鋼箱梁鋼板與承壓板交接的位置，但都處于安全水平。

4.2 在最不利負彎矩工況下，PBL 剪力鍵最為結(jié)合段最重要的構(gòu)件之一，其mises 應(yīng)力介于7.28～42.09Mpa 之間，整體處于較低水平。

4.3 鋼混結(jié)合段受力機制大致為，鋼箱梁的內(nèi)力通過加勁肋，包括U 肋、變高T 肋傳遞到承壓板，然后由承壓板傳遞到混凝土、剪力鍵以及頂?shù)装迳希渲校炷林饕惺茌S力作用，剪力鍵也承受一部分但是較混凝土小，剪力鍵主要作用是傳遞混凝土到承壓板之間的剪力，頂?shù)装逵捎谟秀T釘存在，可以承受部分剪力和軸力。