中承式拱橋魚腹形主梁鋼混結合段受力研究

周志敏

重慶綠發恒越工程設計有限公司 重慶 402760

1 工程概況

主橋采用34+50+80+50m四跨梁拱組合體系，共長220m，跨越同茂大道段主梁采用鋼箱梁，其余梁段采用預應力混凝土梁，采用大懸臂魚腹梁，箱梁頂寬32.0m，底寬24.0m，主梁梁高采用2.0m，主跨采用鋼箱拱肋，邊跨拱采用鋼筋混凝土拱，其余V腿部分采用預應力混凝土結構，下部結構采用樁基接承臺形式。

圖1 立面布置圖（單位:m）

2 主梁鋼混結合段

主梁鋼混結合段長度為2.5m，包含1.5m的鋼結構過渡段以及1.0m的混凝土段，混凝土段采用細石混凝土，PBL剪力板板厚20mm，開孔直徑60mm，內置一根20鋼筋。

圖2 鋼混結合段布置圖（單位:m）

3 計算模型

采用大型通用有限元軟件對鋼混結合段進行分析，建立了有限元模型如圖3，選取了鋼箱梁段1.5m、承壓鋼板0.05m和混凝土段1.0m作為研究對象；對于混凝土，模型采用實體結構單元來進行單元劃分；對于鋼箱梁，由于鋼箱梁底板、腹板以及T板厚度各不相同，為了反映真實情況，采用實體結構單元來劃分，單元劃分形式選擇自動實體網格劃分；對于預應力單元，采用的預應力單元進行劃分，在有限元模型中，混凝土端面節點采用固接，對于鋼箱梁端面節點，首先在截面形心處建立的主節點，端面節點為從屬節點，兩者之間建立主從約束（剛性連接），限制主節點x（橫橋向）、y（縱橋向）、z（豎向）的位移。

圖3 鋼混結合段有限元模型

4 計算結果分析

4.1 總體計算荷載

表1 荷載工況組合下最不利荷載值

采用整體模型中提出鋼混結合段的內力，利用軟件中加入節點力的形式對鋼混結合段進行局部受力分析[1]。

4.2 主拉應力

鋼混結合段和各組成部分應力分布云圖如下圖：

圖4 主拉應力云圖

由上圖可知，在最不利的工況下，鋼箱梁的主拉應力峰值為10.3MPa，混凝土的主拉應力峰值為0.4MPa，遠低于C50抗拉強度設計值1.83MPa；承壓板的主拉應力峰值為5.9MPa，出現在底板邊緣。鋼混結合段主拉應力均低于材料抗拉強度設計值，應力結果滿足規范要求[2]。

4.3 主壓應力

鋼混結合段和各組成部分主壓應力分布云圖如下：

圖5 主壓應力云圖

由上圖可知，在最不利的工況下，鋼箱梁的主壓應力峰值為10.3MPa，出現在頂板邊角處；混凝土的主壓應力峰值為0.6MPa，遠低于C50抗壓強度設計值22.4MPa；承壓板的主壓應力峰值為4.3MPa。鋼混結合段主壓應力均低于材料抗壓強度設計值，應力結果基本滿足規范要求[3]。

4.4 橫橋向應力

鋼混結合段和各組成部分應力分布如下圖。

圖6 橫橋向應力結果

由上圖可知，在最不利的工況下，鋼箱梁段的橫橋向應力大部分在-3.8MPa 和3.8MPa 以內，其中負號為壓應力，正號為拉應力；混凝土橫橋向應力較小，在-0.1～0.1MPa范圍內；承壓板橫橋向應力在-1.4～1.6MPa范圍內，最值均出現在焊縫位置處，應力結果基本滿足規范要求[4]。

4.5 豎向應力

鋼混結合段和各組成部分應力分布如下圖。

圖7 豎向應力結果

由上圖可知，在最不利的工況下，鋼箱梁段的豎向應力大部分在-3.7MPa 和3.8MPa 以內，其中負號為壓應力，正號為拉應力；混凝土豎向應力較小，在-0.1～0.1MPa范圍內；承壓板豎向應力在-2.1～1.6MPa范圍內，最值均出現在焊縫位置處。綜上，應力結果基本滿足規范要求[5]。

4.6 鋼束應力分析

考慮彈性變形損失后的鋼束應力在最不利的工況下，鋼束應力在-383.1～319MPa之間，其中負號為壓應力，正號為拉應力。預應力鋼束應力結果基本滿足規范要求[6]。

5 結束語

通過對中承式拱橋魚腹形主梁鋼混結合段受力研究在不同荷載作用下的受力分析，有以下的設計體會：

總體設計中調整吊桿力使得鋼混結合段位置受力均衡，對于鋼混結合段的局部設計非常有利；另外鋼混結合段采用預應力的形式施加預壓力，使得混凝土以及鋼結構均基本處于受壓狀態，構造合理，部分結合點出現拉應力，充分利用了混凝土的材料特性；特別注意鋼結構的承壓板以及承壓板加勁肋的板件穩定性受力，在鋼混結合段位置局部采用鋼筋網抗裂是有必要的。