組合-混合梁斜拉橋塔梁固結段研究

張樹清

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

蚌明淮河大橋主橋全長386 m，采用(45+123+218)m獨塔不對稱斜拉橋，如圖1所示。空間雙索面，塔梁墩固結體系，邊、中跨比為0.770 6，為增加斜拉橋的整體剛度，在邊跨距主塔中心123 m處設置一座輔助墩。主梁采用組合-混合梁，主跨和次邊跨采用雙工字型組合梁，邊跨采用肋板式混凝土梁，考慮邊中跨不平衡受力、提高主橋整體剛度，主橋采用塔梁墩固結體系，如圖2,圖3所示。主塔采用花瓶式塔，單幅索面共17對斜拉索，全橋合計34對斜拉索，鋼主梁標準索距12 m，混凝土主梁標準索距5.8 m。主塔基礎采用矩形承臺、群樁基礎；輔助墩采用雙柱門式墩、矩形承臺，過渡墩采用雙柱門式墩、啞鈴型承臺，均采用群樁基礎；樁基均按照摩擦樁設計。

2 計算模型

2.1 計算參數

材料采用理想彈塑性的本構模型[1-2]，橋塔、橋面板混凝土采用C50混凝土，彈性模量Ec=3.45×104MPa,泊松比Vc=0.2，軸心抗壓強度標準值fck=32.4 MPa，抗拉強度標準值ftk=2.65 MPa，軸心抗壓強度設計值fcd=22.4 MPa，抗拉強度設計值ftd=1.83 MPa；鋼材采用Q345qD，彈性模量Ec=2.1×105MPa,泊松比vc=0.3。

2.2 剪力滯

由于箱梁腹板處剪力流向翼緣板傳遞的滯后而導致翼緣板法向應力沿橫向呈現不均勻分布的現象，稱為“剪力滯效應”[3]。當靠近腹板處翼板中的正應力大于初等梁理論的正應力時，稱之為“正剪力滯效應”，反之稱為“負剪力滯效應”，如圖4,圖5所示。剪力滯系數公式[4]如下：λ=考慮剪滯效應所求得正應力/按初等梁理論所求得正應力。當λ>1時是正的剪力滯；當λ<1時是負的剪力滯。

2.3 有限元模型

主橋鋼主梁與橋面板連接、鋼主梁與橋塔橫梁連接，塔梁固結區的構造和應力分布都較為復雜。因此需要在全橋總體分析的基礎上，對該區域應力分布情況進行詳細的空間分析[5-6]。結構在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布。塔柱模型選取高度方向橫梁上下側共15.5 m，箱梁長選取橫梁兩側共16 m，進行建模，塔柱、橫梁、橋面板采用體單元Solid65模擬，鋼梁采用殼單元Shell63模擬。

2.4 邊界條件

在局部應力分析中，有限元模型的邊界條件可分為位移邊界條件和力的邊界條件，應按全橋總體計算得到的內力和位移加載在模型上。

模型中采用命令Cerig在荷載對應截面建立質量點耦合截面節點所有自由度，把軸力、剪力、彎矩施加在質量點上。

鋼梁和混凝土橋面板、鋼梁和橋塔橫梁相同位置(剪力釘位置)節點采用命令Ceintf耦合節點三向自由度UX,UY,UZ；約束塔柱底端全部自由度。有限元模型見圖6。

2.5 計算工況

根據全橋整體計算分析結果，考慮施工過程及受力情況，選取最大雙懸臂、合龍成橋狀態、正常使用極限狀態，三種最不利受力工況進行局部分析計算。軸力以受壓為正，受拉為負；彎矩以下緣受拉為正，上緣受拉為負；剪力以使桿件逆時針轉動為正，工況-荷載如表1所示。

表1 結構工況-荷載

3 計算結果

計算中假定橋面板與鋼主梁，鋼主梁與橋塔橫梁界面上未發生工程精度范圍內的滑移，且兩者變形基本協調。應力云圖中應力正負規定：拉應力為正值，壓應力為負值。

3.1 混凝土梁應力及剪力滯

計算結果采用ANSYS路徑操作技術，沿圖2中所示路徑O→X提取橋面板中心線處應力，畫出對應應力曲線，然后對路徑進行積分運算求出應力曲線面積，用應力曲線面積除以頂底板寬度，得到相似按初等梁理論求得的應力平均值。用頂底板各點實際應力除以其對應的應力平均值，得到各點剪力滯系數λ，繪出λ在箱梁頂底板各點的變化曲線。

1)從圖7可以看出工況一作用下橋面板壓應力最大，隨著橋梁合龍橋面板壓應力趨小；橋面板在主縱梁和小縱梁處壓應力較大；橋梁合龍成橋后結構體系轉換，三種工況下橋面板壓應力幾乎呈水平分布，應力值呈平行狀；橋面壓應力在-7.8 MPa～-12 MPa之間，橋面板截面均受壓。原因分析：最大懸臂狀態橋梁施工須設置預拱度，斜拉索提供豎向力稍大，懸臂端上翹橋面板受壓較大；待合龍成橋后橋梁體系轉換，橋梁線型調整至設計線型后，內力重分布，橋面壓應力下降。

2)從圖8可以看出剪力滯系數在主縱梁和小縱梁處較大，剪力滯系數大于1；剪力滯系數在主縱梁與小縱梁之間，三種工況下表現為剪力滯系數曲線幾乎重疊，剪力滯系數接近于1，剪力滯效應不明顯。原因分析：橋面板應力分布較為均勻，各部位實際應力接近初等梁理論應力。橋面板產生的縱向力能較好的向橋面板兩邊傳遞。

3)從圖9，圖10可以看出塔梁固結處橋塔橫梁頂緣正應力在-1.5 MPa～-4.5 MPa之間，頂緣受壓；底緣正應力在0.4 MPa～-1.0 MPa之間，橫梁中心部位存在拉應力，拉應力值較小；工況一～工況三，橋塔橫梁正應力曲線呈水平狀分布，橋梁合龍后頂緣壓應力減小，正常使用狀態下頂緣壓應力增加。原因分析：箱梁鋼主梁貫穿橋塔橫梁，鋼主梁傳遞很大軸力，混凝土橫梁只承受邊中跨不平衡軸力、橫梁自重以及不平衡彎矩。

3.2 鋼梁應力

對塔梁固結區進行有限元分析，得到鋼梁在所選取最不利工況下應力分布，限于篇幅僅列出工況一、工況三應力云圖，如圖11，圖12所示。

從圖11，圖12可以看出，工況一作用下鋼主梁最大變形2.81 mm，最大等效應力84.0 MPa；工況二作用下鋼主梁最大變形2.85 mm，最大等效應力73.9 MPa；工況三作用下鋼主梁最大變形2.91 mm，最大等效應力96.4 MPa；鋼主梁兩端向上彎曲，鋼主梁下緣受拉、頂緣受壓，因此橋面板也受壓。原因分析：箱梁鋼主梁貫穿橋塔橫梁，鋼材自身各向同性，鋼材拉壓強度很高，鋼主梁自身能承受較大軸力、剪力和彎矩。

綜上所述，橋面板在三種工況作用下截面軸力較大，截面受縱向力較為均勻，橋面板剪力滯效應不是很明顯；工況一～工況三隨著鋼主縱梁傳遞軸力增加，橋面板傳遞軸力減小，鋼主縱梁頂面處橋面板剪力滯效應較為明顯；鋼梁等效應力，橋面板的應力分布及變形關于橋梁中心線基本呈對稱關系；組合梁橋面板主要受壓應力，鋼梁等效應力值較小，橋面板在施工動態過程中結構強度響應方面均表現良好。

4 結語

采用ANSYS對塔梁節段建立了比較精細的有限元模型，結果顯示隨著橋梁節段施工，斜拉索逐步張拉直至合龍，塔梁固結處橋面板、橋塔橫梁均處于受壓狀態，壓應力儲備滿足規范要求；塔梁固結處鋼梁等效應力值較小，遠小于鋼材容許應力值。組合梁橋橋面板承受彎矩小，鋼梁承受彎矩很大，可以充分發揮混凝土抗壓、鋼材抗拉特性，可為類似工程提供參考。