斜拉橋鋼-混結合段力學行為仿真分析

班長凱

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津市 300392）

0 引言

近年來，鋼-混凝土混合梁斜拉橋在世界各地得到了廣泛應用，其充分利用、發揮了鋼材和混凝土兩種材料的不同特性而集諸多優勢于一身。

鋼-混結合段承擔著將鋼梁段的內力合理、有效地傳遞到混凝土梁段的重任，因此，作為混合梁斜拉橋的關鍵受力部位，國內外學者對其力學性能和傳力機理展開了多方面的研究[1]。陳君等[2]以南京秦淮新河橋為研究對象，建立了混凝土梁段+結合段+鋼梁段的有限元模型，分析了鋼-混結合段在各加載工況下的應力場分布規律以及荷載在鋼-混結合段內的傳遞路徑；李小珍等[3]通過對廈門馬新大橋鋼-混結合段的縮尺模型進行加載，研究了試驗梁段在各加載方案下的力學行為，并結合數值模型對其傳力機理進行了分析；唐亮等[4]針對混合梁斜拉橋，通過有限元方法，分析了鋼-混結合段有格室-后承壓板構造的受力特點，并對抗剪連接件剛度、后承壓板厚度、格室長度及高度、加強段長度等參數影響進行了較為系統的研究。

本文以山東省濟寧市龍拱河特大橋（簡稱龍拱河特大橋）為研究背景，基于有限元軟件ABAQUS建立斜拉橋主梁鋼-混結合段的精細化有限元模型，研究這一區段的局部應力分布規律，為今后該類橋梁的設計、分析提供一定的參考。

1 工程概況

龍拱河特大橋主橋為40m+60m+220m+60m+40m半飄浮體系斜拉橋，北側引橋為2m×30m預應力混凝土連續現澆箱梁，南側引橋為4m×30m預應力混凝土連續現澆箱梁，橋梁全長600m。主橋橋面寬27.9m，引橋橋面寬25.5m。斜拉橋主梁采用混合梁方案，即主跨采用鋼箱梁，以減輕自重，增大跨越能力，方便施工；邊跨采用預應力混凝土箱梁進行配重，以提高全橋剛度；鋼-混結合段設置在主跨距離索塔中心6.5m位置處。龍拱河特大橋鋼-混結合段采用有格室-后承壓板式構造，貫穿混凝土橫梁的預應力鋼束錨固在承壓端板上，并在鋼-混結合段頂底板、承壓板以及格構板上布置焊釘，焊釘直徑為22mm，長170mm。鋼-混結合段基本構造見圖1。

圖1 鋼-混結合段基本構造（單位：m）

2 鋼-混結合段有限元模型建立

本文基于有限元軟件ABAQUS，對龍拱河特大橋鋼-混結合段進行數值模擬分析。

2.1 材料屬性與單元選取

鋼-混結合段鋼箱梁、橫隔板、加勁板、承壓板、格構板、焊釘、預應力鋼束等鋼材屬性均采用彈性本構關系，其中采用殼單元S4R模擬鋼箱梁、橫隔板、承壓板以及格構板；由于焊釘數目眾多，采用桁架單元T3D2建立焊釘模型將有效改善網格劃分質量以及提升模型運算速度；預應力鋼束采用桁架單元T3D2進行模擬。鋼-混結合段混凝土取彈性本構模型，并采用實體單元C3D8R建立混凝土梁段。模型計算參數選取如表1所示。考慮到計算效率，未在模型中建立普通鋼筋。

表1 模型材料參數表

2.2 約束與接觸關系

由于鋼-混結合段混凝土采用C60微膨脹混凝土，因此建模時假定鋼板與混凝土之間緊密結合，同步受力，變形協調。因此，鋼箱梁頂底板、承壓板、格構板與混凝土之間采用Tie接觸關系。焊釘連接件、預應力鋼束采用embeded功能處理，即將鋼構件單元與周圍接觸混凝土在適當位置建立自由度約束關系。

2.3 邊界條件與荷載施加

依據圣維南原理，距離鋼-混凝土結合部位較遠位置的應力幅值對鋼-混結合段受力影響較小。建模過程中，各部件均按實際尺寸進行模擬，并在鋼-混結合區域向兩側延伸一部分來消除耦合約束和端部固結對鋼-混結合段應力場的影響[5]。

按照設計位置進行預應力鋼束的布置，并通過降溫法來實現預應力的施加。分析模型中，混凝土梁端采用固端約束，在鋼箱梁端部施加內力。根據鋼箱梁截面形式，無法直接施加集中力，因此在鋼箱梁端部截面形心對應位置建立一個參考點，借助ABAQUS中的Coupling功能將鋼箱梁端部截面上各節點的自由度與截面形心參考點進行耦合，通過參考點施加內力組合。

加載內力組合通過全橋梁單元模型提取，選取最不利的頻遇組合（1.0恒載+0.7活載+1.0整體溫度（包絡）+0.8梯度升降溫（包絡）+0.75風載）作為加載工況。

2.4 數值模型建立

針對龍拱河特大橋鋼-混結合段的結構形式，建立鋼-混結合段有限元精細化模型（見圖2），模型共530820個單元。

圖2 鋼-混結合段有限元精細化模型

3 受力性能分析

3.1 焊釘連接件受力性能

龍拱河特大橋鋼-混結合段頂底板、承壓板及格構板焊釘為等間距布置，頂底板沿縱向布置的焊釘應力分布不均勻。現提取軸向力作用下沿格室頂板縱向布置的焊釘根部應力，將其傳力情況繪于圖3中。

圖3 縱橋向焊釘傳力比例

通過有限元分析，提取內力頻遇組合作用下的焊釘Mises應力（即軸向應力）。焊釘Mises應力云圖見圖4。由圖4可知，由于承壓板與結合段混凝土同步變形，靠近預應力鋼束錨固區的焊釘根部應力水平較高。

圖4 焊釘Mises應力云圖（單位：MPa）

3.2 混凝土梁段受力性能

為提高整體模型計算效率及收斂程度，在模型分析中未考慮錨墊板、錨下螺旋筋、錨下加強筋等構件的作用，因此鋼-混結合段混凝土預應力鋼束錨固區域應力水平較高，順橋向壓應力最大值為32.5MPa。鋼-混結合段混凝土順橋向正應力云圖見圖5。

圖5 鋼-混結合段混凝土順橋向正應力云圖（單位：MPa）

鋼-混結合段混凝土最大主應力分布云圖見圖6。由圖6可知，其拉應力主要分布在鋼束錨固端，最大主拉應力值為3.84MPa。

圖6 鋼-混結合段混凝土最大主應力云圖（單位：MPa）

為降低這一區域的應力水平，預應力鋼束貫穿混凝土與鋼箱梁結合段錨固時，除與錨具配套的錨墊板由承壓端板代替外，錨下螺旋筋等其余構件均應相應設置，以防止梁端錨固區域由于預應力張拉產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度而開裂。

混凝土箱梁順橋向正應力云圖見圖7。

圖7 混凝土箱梁順橋向正應力云圖（單位：MPa）

由圖7可知，除約束施加截面位置，即預應力鋼束錨固端外，混凝土箱梁整體應力水平較低。

3.3 鋼箱梁段受力性能

鋼-混結合段鋼梁Mises應力分布云圖見圖8。鋼-混結合段鋼梁整體應力水平較低，只有承壓板預應力鋼束開孔位置局部應力較大，原因是結合段鋼梁通過焊釘連接件與混凝土橫梁緊密連接、協同受力。

圖8 鋼-混結合段鋼梁Mises應力云圖（單位：MPa）

鋼箱梁過渡段的Mises應力（見圖9）最大值分布在頂底板的加勁T形肋與U肋的斷面連接處，即剛度突變位置，這一區域應力集中現象較為突出。

圖9 鋼箱梁過渡段Mises應力云圖（單位：MPa）

4 結語

（1）焊釘連接件縱橋向應力分布不均勻，靠近承壓板位置的焊釘根部應力水平較高，在設計過程中應注意優化配置。

（2）設計時，承壓板預應力鋼束錨固位置應注意錨下加強構件的設置，以降低該區域的應力水平。

（3）在鋼箱梁過渡段頂底板的剛度過渡加勁肋（即加勁T肋）與等高U肋的截面突變位置，應力集中現象較為突出。