鐵路剛構-連續混合梁橋鋼-混結合段合理構造參數研究

蒲黔輝，謝自暢，楊仕力，黃勝前，楊朝龍，洪 彧，3

(1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；3.西南交通大學陸地交通地質災害防治技術國家工程實驗室，成都 611756)

引言

對于混合梁橋而言，鋼-混結合段是其截面特性的突變位置，成為全橋結構的薄弱環節，在設計中需引起高度重視。剛構-連續梁橋作為中大跨徑的首選橋型之一，結合了連續梁橋和連續剛構橋各自的優點，一方面，相比連續剛構可降低溫度和收縮徐變對結構產生的次內力影響；另一方面，通過一側設置固結墩可使原本為固定支座的墩頂受力更合理，因而在整體受力性能上有一定優勢[1]。

目前，混合梁廣泛應用于公路橋梁，在鐵路橋梁中則主要應用于斜拉橋[2-3]。文獻[4-5]以寧波甬江特大橋為背景，利用數值仿真方法計算了結合段鋼與混凝土的受力及軸力分配比例，研究了鐵路斜拉橋鋼-混結合段的受力特征及傳力機理，并通過模型試驗進行了驗證，得到了其傳力特性及合理構造參數；王小飛[6]采用ANSYS軟件建立了混合梁斜拉橋鋼-混結合段有限元模型，分析了其中鋼和混凝土的受力狀態及軸力分配比例，驗證了結合段結構設計的合理性；韓建秋等[7]通過模型試驗對銀洲湖大橋結合段鋼格室進行了軸向加載試驗，分析了其破壞形態、界面滑移及應力傳遞規律；YANG等[8]采用模型試驗和數值計算的方法，對潭江特大橋結合段進行了傳力機理和參數分析研究，結果表明后承壓板厚度對傳力比及滑移影響顯著，而前承壓板則影響較小。

由上述文獻綜述可知，以往研究多針對公路橋梁的鋼-混結合段或鐵路斜拉橋結構，未見鋼混結合段在鐵路剛構-連續梁橋中應用的相關報道。剛構-連續梁受力特點與斜拉橋有較大差異，且由于剛構橋結合段往往位于中跨變高段，不同于斜拉橋等高梁結合段的受力，因而，有必要對其傳力行為及合理構造參數進行研究。以擬建杭溫鐵路永嘉右行線跨甬臺溫特大橋為研究背景，采用數值模擬方法建立該橋鋼-混結合段的仿真模型，對其受力特征及相關影響參數進行分析，為同類型橋梁結合段設計提供參考。

1 工程概況

新建杭溫鐵路永嘉右行線跨甬臺溫特大橋主橋為鋼箱混合剛構-連續梁橋，該橋跨徑布置為(100+216+100)m，全長418 m(包括兩側梁端至橋墩中心線各1 m)，橋面為單線有砟軌道，設計時速160 km，設計活載為ZK標準活載。主跨杭州岸側主梁為墩梁固結，溫州岸側設置活動支座，如圖1所示。主梁邊跨及部分中跨為單箱單室預應力混凝土箱梁，中跨90 m(包括2個長4 m的鋼-混結合段)為鋼箱梁。鋼與混凝土交界面位于主梁中跨側距離橋墩中心線63 m處，鋼-混結合段處于中跨變高梁段。如圖2所示，該橋鋼-混結合段采用有格室后承壓板式構造，長4 m，承壓板厚50 mm，預應力筋錨固于承壓板以及混凝土梁腹板和頂底板齒塊上。鋼格室長1.45 m、高1.35 m、標準寬0.6 m和0.86 m。剪力連接件采用PBL剪力板和剪力釘，PBL開孔板開孔直徑為70 mm，貫穿鋼筋直徑20 mm；剪力釘直徑22 mm，長200 mm。在結合段兩端各有長6 m的混凝土剛度過渡段和11 m的鋼梁剛度過渡段，鋼梁過渡段加勁肋采用U肋內插變高度T肋的形式。鋼格室段的鋼箱梁頂底板及腹板為雙壁板，通過其上的剪力連接件加強鋼箱與混凝土結構的連接。

圖1 杭溫特大橋主橋立面布置(單位：m)

圖2 鋼-混結合段構造(單位：mm)

2 鋼-混結合段力學特性分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS軟件建立鋼-混結合段有限元模型，為充分考慮圣維南原理，結合段兩側均至少考慮1倍梁寬的圣維南區段。模型總長36 m，包含18 m鋼梁段，4 m結合段，14 m混凝土梁段。鋼梁部分采用殼單元Shell63模擬，混凝土采用實體單元Solid45模擬，預應力鋼筋采用桿單元Link8模擬，剪力釘與PBL鋼筋采用梁單元Beam44模擬。鋼梁與混凝土梁分開建模，先建立結構的幾何模型，再劃分單元生成有限元模型。

在建模計算時，通過節點耦合的方式考慮承壓板與混凝土的相互作用，其他鋼板僅通過將剪力釘和PBL鋼筋與混凝土節點耦合的方式連接[9-11]。采用懸臂方式進行加載，即約束混凝土端截面所有節點自由度，在鋼梁端截面形心位置處建立剛域，并在其上施加荷載。以承壓板作為內力等效控制截面，將全橋Midas模型中該截面在最不利荷載工況下的內力進行等效后加至梁端(需扣除預應力效應和剪力施加位置由于遠離控制截面所引起的附加彎矩)。建立的鋼-混結合段三維有限元模型在4 m結合段處的單元模型如圖3所示。根據對比，節段模型內力分布與全橋MIDAS模型計算結果基本一致，二者的等效情況見表1。鋼-混結合段的結合面為全橋最薄弱的部位之一，利用全橋模型計算可得主力+附加力作用下結合面最不利受力工況為最大正彎矩工況，因此選定該組合為局部模型的加載工況。

圖3 鋼-混結合段有限元模型

表1 全橋模型內力與局部模型等效加載力

2.2 應力分布特性

結合段在承壓板截面處于最大正彎矩工況下鋼梁和混凝土順橋向正應力如圖4、圖5所示，其中，X為橫橋向距橋梁中心線距離，Z為縱橋向距承壓板距離(沿混凝土側為負，沿鋼梁側為正)。該工況下，結合段鋼梁頂板最大壓應力為64.5 MPa，鋼梁底板最大壓應力為40.7 MPa，正彎矩作用明顯?；炷琳龖λ捷^低，最大壓應力-10 MPa，壓應力向混凝土剛度過渡段側逐漸增加。鋼梁頂板灌注孔周圍應力水平略高于其他位置。從順橋向來看，板件應力在格室段內增大，隨后在混凝土加強段內逐漸減小。由圖6可知，從橫橋向來看，由于格室段在頂底板布有PBL剪力板，且腹板采用了雙壁板，因而越靠近承壓板剪力滯現象越顯著，中部正應力較兩側高，鋼梁最大正剪力滯系數為2.17，最大負剪力滯系數為0.12；混凝土最大正剪力滯系數為1.86，最大負剪力滯系數為0.10。

圖4 結合段鋼梁應力云圖

圖5 結合段縱橫橋向正應力

圖6 剪力滯系數分布

總體來看，結構受力較為均勻，整體應力水平較低。鋼結構部分壓應力大部分處于50 MPa以下，混凝土部分壓應力基本處于10 MPa以下。鋼梁板件在混凝土側邊緣布有剪力釘的區域存在一定的應力集中現象，拉應力峰值約為5 MPa左右，說明該處鋼與混凝土之間可能出現法向的相對剝離?？梢钥闯?，鋼梁應力最終減小至0，混凝土應力則從0逐漸增加，說明荷載逐步從鋼梁傳遞至混凝土梁。

2.3 傳力特性

對于有格室-后承壓板式結合段，荷載由鋼結構傳遞至混凝土的路徑包括后承壓板、頂底板上的剪力鍵及格室隔板上的剪力鍵，傳力方式分為承壓板的直接承壓作用以及剪力連接件的受剪[12-14]。通過對各截面上的正應力進行積分，即可得到不同部分傳遞軸力的比例，該結合段鋼梁與混凝土梁的軸向荷載承擔比如圖7所示。

圖7 結構荷載傳遞曲線

計算結果表明，在后承壓板截面上，承壓板通過直接承壓作用傳遞給混凝土的荷載占總荷載的56.2%，鋼梁其他部分承擔荷載比例為43.8%，隨著傳力長度增加，混凝土承載比例逐漸提高，在前0.5 m承擔的軸力比例快速上升至74.3%，之后上升較為平緩。從格室-混凝土加強段截面的84.2%到最終承擔全部荷載，這表明加強段頂底板剪力釘傳遞了15.8%的荷載。格室內頂底板與腹板傳力比分別為33.2%和10.7%，表明頂底板剪力釘較PBL傳力多，起到主要傳剪作用。在距承壓板1.5 m以后，傳力構件僅為頂底板剪力釘。兩種結構承擔的荷載變化基本勻順，無明顯突變。

3 鋼-混結合段參數分析

3.1 承壓板厚度

為研究承壓板厚度對鋼-混結合段受力性能的影響，分別對不同厚度承壓板的結合段進行有限元計算分析，其他參數保持不變，結果見圖8。

圖8 混凝土結構軸力傳遞曲線

從圖8可以看出，隨著承壓板厚度的增加，承壓板傳遞給混凝土的軸力比例增大。當承壓板厚度在40～60 mm時，其傳力比隨承壓板厚度的增加增長較快。從40 mm增大至60 mm時，結合面上混凝土承擔的軸力比從52.0%增至60.1%；當承壓板厚度在60～80 mm時，傳力比隨承壓板厚度的增加增長趨于平緩。承壓板厚度的改變僅對距結合面2.5 m范圍內軸力的分配有影響，對此范圍外的截面影響較小?？梢哉J為，增大承壓板的厚度能夠提高承壓板傳遞荷載的效率，但僅在一定范圍內效果明顯。而隨著承壓板變厚，其與相鄰板件之間的應力集中水平也會相應提高，從而使得結構中易出現疲勞問題[15]。由于承壓板厚度在60 mm以上時，增加厚度對傳力效果提升不明顯，且剛構橋的軸力遠較斜拉橋小，因而承壓板無需太厚，40～60 mm屬于比較合理的承壓板厚度范圍。

3.2 鋼梁埋入段長度

為研究鋼梁埋入段長度對結合部受力性能的影響，分別對不同鋼梁埋入段長度(除開格室長度以后)的結合段進行有限元分析，其他參數保持不變，結果見圖9。

圖9 不同埋入段長度混凝土傳力比

由圖9可知，鋼梁埋入段長1 m時，混凝土在各截面所承擔的荷載較長度1.5 m及以上時略有提高，而當鋼梁埋入段長度≥2.5 m時，其長度的變化對結合段傳力效果的影響很小。一般而言，埋入段長度越長，結合段順橋向應力變化越趨于平緩，但這同時會增大結構的豎向變形。且結合部長度較長時，剪力連接件并不能更有效的發揮抗剪作用，甚至會降低其效果[16-18]。因此，在同類型結合段設計中，應綜合考慮傳力的均勻性、結構變形等多方面因素，根據方案比選確定最為經濟合理的結合段長度。

3.3 剪力釘剛度

為研究剪力釘剛度對結合部受力性能的影響，分別對剪力釘直徑為19，22，25 mm的結合段進行有限元分析，其他參數保持不變。由于剪力釘剛度對結合段傳力比的影響較小，以下僅討論其對剪力分布的影響，靠近混凝土側頂板第一排剪力釘的橫橋向剪力分布如圖10所示。

圖10 剪力釘剪力分布

由圖10可知，剪力釘所受順橋向剪力沿橫橋向呈雙峰形分布，其剛度對所受剪力影響較大，隨著剪力釘剛度的增加，靠近混凝土梁側的剪力釘承擔的剪力顯著增加，同時，其沿橫向的分布越不均勻。原因在于，剪力釘剛度增大會使鋼梁將更大的軸力以順橋向剪力的形式傳給剪力釘，繼而傳給混凝土，而對于剪力釘群而言，剛度越大，其受力就越不均勻[19-21]。可以看出，當焊釘直徑從22 mm改為25 mm時，其抗剪剛度增加約14%，而剪力最大值增幅可達到約50%，但抗剪承載能力僅能增加約29%。因此，設計時不建議通過增大剪力釘直徑來提高結構的抗剪承載力。

4 結論

針對杭溫特大橋混合梁剛構-連續梁橋鋼-混結合段，通過有限元模型計算了其應力分布特性，并重點分析了對結合段傳力有影響的若干構造參數，以得到該類橋梁合理的結合段構造參數，得到以下結論。

(1)后承壓板通過直接承壓作用傳遞給混凝土的軸力比例約為56%，傳力效果顯著，其余軸力通過結合段內的剪力連接件傳遞。鋼梁應力逐漸減小，混凝土應力水平整體較低。結構傳力順暢，設計合理。

(2)隨著承壓板厚度的增加，其所分擔的軸力比例也有所增加，但對傳力的影響僅限于距承壓板2.5 m范圍內。當承壓板厚度大于60 mm后，其對傳力的影響較小。因此，合理的承壓板厚度應為40～60 mm，對于鐵路荷載而言，除結構安全以外，還需綜合考慮疲勞特性等因素選擇適當的取值。

(3)鋼梁埋入段長度的增加對于鋼梁頂底板應力的平緩變化有利，對結構的豎向位移有影響。當鋼梁埋入段長度大于2.5 m后，其對結合段傳力效果的影響不甚顯著。因此，應根據實際情況合理控制鋼梁埋入段長度。

(4)當剪力釘剛度提高時，其承擔的剪力也顯著增加，但剪力釘剪力沿橫向的分布越不均勻。同時，剪力最大值的增幅較抗剪承載能力的增加更高。因此，不建議通過增大剪力釘直徑來提高結構的抗剪承載力。

上述問題的研究為大跨度鐵路梁橋的設計提供了一種技術思路，采用混合梁的結構形式提高了橋梁跨越能力，同時中跨鋼梁采用節段吊裝的施工方法縮短了工期，該設計具有較好的應用價值。