混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合部力學(xué)行為有限元分析

章守峰，方詩(shī)圣，郝笛笛

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

橋梁工程是基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵性樞紐，在交通運(yùn)輸和社會(huì)發(fā)展中起著非常重要的作用。近年來(lái)，組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于橋梁工程，精細(xì)化結(jié)構(gòu)分析已逐步成為實(shí)現(xiàn)橋梁安全與經(jīng)濟(jì)的重要方法。混合梁斜拉橋因其結(jié)構(gòu)性能良好，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)且經(jīng)濟(jì)效益顯著，得到迅速發(fā)展，如世界最大跨徑非對(duì)稱混合梁斜拉橋——湖北嘉魚(yú)長(zhǎng)江公路大橋、江西九江長(zhǎng)江公路大橋等均為混合梁斜拉橋。

混合體系斜拉橋是指中跨采用鋼結(jié)構(gòu)、邊跨采用混凝土結(jié)構(gòu)的組合體系橋梁，于20世紀(jì)70年代興起[1]。混合體系減小了主跨梁體內(nèi)力及變形，降低了邊跨支點(diǎn)負(fù)反力，加大了橋體的跨越能力，能有效發(fā)揮鋼材與混凝土材料的特性，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)性顯著[2]。混合體系斜拉橋通常采用鋼-混結(jié)合段進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的連接。鋼-混結(jié)合段是一種混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)鋼絞線束及剪力釘形成的組合錨固體系進(jìn)行鋼箱梁橫隔板與混凝土箱梁的連接[3]。由于鋼材、混凝土材料自身特性存在極大差異，鋼-混結(jié)合段連接構(gòu)造、受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)易出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，可能會(huì)給橋梁日常運(yùn)營(yíng)埋下諸多結(jié)構(gòu)安全隱患，同時(shí)鋼-混結(jié)合段也是斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)剛度突變點(diǎn)，傳力機(jī)理十分復(fù)雜，容易引起局部應(yīng)力集中，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。因此，弄清混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段結(jié)構(gòu)受力及內(nèi)力傳遞規(guī)律顯得尤為重要。

鋼-混混合梁充分利用鋼材的質(zhì)輕、高強(qiáng)和混凝土的良好的抗壓能力、較為經(jīng)濟(jì)、技術(shù)成熟等屬性，在受力性能和造價(jià)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于大跨徑的斜拉橋、連續(xù)梁橋主梁上。鋼-混結(jié)合段是混合梁斜拉橋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其受力性能直接影響整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及可靠性。鋼-混結(jié)合部使得鋼主梁與混凝土主梁相互結(jié)合、共同受力，滿足二者之間剛度過(guò)渡平順、傳力合理，是鋼-混混合梁受力最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其構(gòu)造與施工也非常復(fù)雜，開(kāi)展相關(guān)力學(xué)性能研究顯得尤為重要。目前尚無(wú)統(tǒng)一的理論用于計(jì)算和評(píng)估其極限承載能力和局部受力性能，因此對(duì)鋼-混結(jié)合段的研究通常有模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方式。由于鋼-混結(jié)合部整體體量大，開(kāi)展模型試驗(yàn)研究耗資過(guò)大，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，難以保證縮尺模型的測(cè)量精度，且各個(gè)工程中鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造細(xì)節(jié)差異很大，導(dǎo)致研究成果對(duì)工程實(shí)踐的參考價(jià)值有限，致使結(jié)合部的有限元精細(xì)化仿真分析成為必要的替代方案。本文結(jié)合安徽省滁州市襄河大橋的設(shè)計(jì)工作，以130 m邊跨混合梁鋼-混結(jié)合部為研究對(duì)象，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立局部三維模型，在四組不同軸力、剪力和彎矩的設(shè)計(jì)工況下，對(duì)鋼-混結(jié)合部的受力狀況進(jìn)行有限元計(jì)算分析，為類似混合梁斜拉橋設(shè)計(jì)提供了借鑒與參考。

1 工程背景

襄河大橋是京滬高鐵滁州站至滬漢蓉鐵路全椒站的連接線工程，主橋?yàn)?85 m。結(jié)構(gòu)形式為跨徑雙塔雙索面混合梁斜拉橋。若采用混凝土主梁，結(jié)構(gòu)受力極不合理，故采用鋼主梁代替部分大邊跨混凝土主梁以減輕結(jié)構(gòu)自重，跨中梁由鋼構(gòu)骨架組成，

邊跨為鋼梁和混凝土混合梁。鋼梁與混凝土梁通過(guò)鋼-混結(jié)合段連接，鋼-混結(jié)合部位于主塔支座中心線水平距8.25 m。襄河大橋總體布置形式、鋼-混結(jié)合部縱剖面如圖1所示。

圖1 襄河大橋總體布置平面圖

2 鋼-混結(jié)合部模型建立與工況設(shè)計(jì)

2.1 模型概況

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，結(jié)合部邊側(cè)鋼構(gòu)嵌入塊長(zhǎng)度為3.5 m，中部3處嵌入塊長(zhǎng)度均為1 m，選取距結(jié)合面鋼梁段4 m、鋼-混梁段8.25 m區(qū)段為研究對(duì)象，根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，橫向簡(jiǎn)化選取半模型，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型縱向研究范圍

2.2 模型前處理

假定模型材料為線彈性，不考慮結(jié)構(gòu)缺陷；鋼材密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3；混凝土密度為2 500 kg/m2，彈性模量為3.55×104MPa，泊松比為0.2。數(shù)值模型中鋼-混結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元Solid 90(20節(jié)點(diǎn)四面體單元，相比8節(jié)點(diǎn)可退化單元Solid 45、188、65計(jì)算精度更高)；鋼-混結(jié)合部采用多點(diǎn)約束(MPC)算法，認(rèn)為鋼、混接觸面間無(wú)相對(duì)滑移；所選模型研究段考慮重力荷載及鋼梁端內(nèi)力(利用橋梁博士系統(tǒng)計(jì)算內(nèi)力)，其中重力通過(guò)設(shè)置9.8 m/s2慣性力實(shí)現(xiàn)，鋼梁端內(nèi)力通過(guò)剛性面域法施加，自由度設(shè)于截面形心，內(nèi)力作用于主節(jié)點(diǎn)(MPC 184單元)；鋼-混梁端節(jié)點(diǎn)全位移約束，中軸對(duì)稱面處節(jié)點(diǎn)采用對(duì)稱約束，鋼-混結(jié)合部幾何模型計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 鋼-混結(jié)合部幾何模型計(jì)算網(wǎng)格圖

2.3 鋼-混結(jié)合部局部模型工況設(shè)計(jì)

鋼-混結(jié)合段主要承受軸力、彎矩作用，受剪力作用相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)以縱向受力為主，因此數(shù)值模擬工況中需要重點(diǎn)考慮軸向力和彎矩荷載。根據(jù)全模型分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況，選擇分析如下6個(gè)設(shè)計(jì)荷載工況中的最大軸力、最小軸力、最大彎矩、最小彎矩4個(gè)重點(diǎn)工況進(jìn)行計(jì)算分析。其中A-A截面為加載面，如圖4所示，設(shè)計(jì)荷載工況見(jiàn)表1。

圖4 AA截面示意

表1 AA截面內(nèi)力

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 鋼梁計(jì)算結(jié)果與分析

3.1.1 最大軸力工況

荷載組合形式為：軸力-85 337.2 kN，剪力4 872.7 kN，彎矩33 680.9 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應(yīng)力、鋼梁段第一主應(yīng)力如圖5、圖6所示。

圖5 鋼梁段軸向應(yīng)力

圖6 鋼梁段第一主應(yīng)力

鋼梁段軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值為116 MPa，為壓應(yīng)力，位于結(jié)合部截面邊側(cè)鋼腹板處，上部橋面板應(yīng)力峰值為25.4 MPa；鋼梁段第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值為118 MPa，位于結(jié)合部截面中軸處，上部橋面板應(yīng)力峰值為4.72 MPa。

3.1.2 最小軸力工況

荷載組合形式為：軸力-10 304.5 kN，剪力2 099.7 kN，彎矩3 655.3 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應(yīng)力、鋼梁段第一主應(yīng)力如圖7、圖8所示。

圖7 鋼梁段軸向應(yīng)力圖

圖8 鋼梁段第一主應(yīng)力

鋼梁段軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值為117 MPa，受壓，位于結(jié)合部截面中軸線腹板處，上部橋面板應(yīng)力峰值為26.2 MPa。鋼梁段第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值為139 MPa，位于結(jié)合部截面邊側(cè)，上部橋面板應(yīng)力峰值為6.8 MPa。

3.1.3 最大彎矩工況

荷載組合形式為：軸力-90 103.7 kN，剪力5 186.7 kN，彎矩36 440.0 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應(yīng)力、鋼梁段第一主應(yīng)力如圖9、圖10所示。

圖9 鋼梁段軸向應(yīng)力

圖10 鋼梁段第一主應(yīng)力

鋼梁段軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值為125 MPa，受壓，位于結(jié)合部截面邊側(cè)腹板處，上部橋面板應(yīng)力峰值為28.0 MPa。鋼梁段第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值為125 MPa，位于結(jié)合部截面中軸處，上部橋面板應(yīng)力峰值為4.9 MPa。

3.1.4 最小彎矩工況

荷載組合形式為：軸力-98 278.6 kN，剪力1 785.8 kN，彎矩906.2 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應(yīng)力、鋼梁段第一主應(yīng)力如圖11、圖12所示。

圖11 鋼梁段軸向應(yīng)力

圖12 鋼梁段第一主應(yīng)力

鋼梁段軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值為116 MPa(壓)，位于結(jié)合部截面邊側(cè)腹板處，上部橋面板應(yīng)力峰值為25.4 MPa(壓)。鋼梁段第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼結(jié)構(gòu)處應(yīng)力峰值為118 MPa，位于結(jié)合部截面中軸處，上部橋面板應(yīng)力峰值為4.7 MPa，低于相關(guān)規(guī)范容許應(yīng)力。

3.2 混凝土梁計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 最大軸力工況

荷載組合形式為：軸力-85 337.2 kN，剪力4 872.7 kN，彎矩33 680.9 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應(yīng)力、鋼梁段第一主應(yīng)力如圖13、圖14所示。

圖13 混凝土梁段軸向應(yīng)力

圖14 混凝土梁段第一主應(yīng)力

混凝土梁段軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼-混結(jié)合面處應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離結(jié)合部區(qū)域應(yīng)力分布較小且較為均勻，峰值為18 MPa。峰值點(diǎn)位于結(jié)合部截面中軸頂板處。混凝土梁段第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼-混結(jié)合面處應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離結(jié)合部區(qū)域應(yīng)力分布較為均勻，峰值為22.1 MPa,鄰近結(jié)合部截面中軸處。

3.2.2 最小軸力工況

荷載組合形式為：軸力-10 304.5 kN，剪力2 099.7 kN，彎矩3 655.3 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應(yīng)力、鋼梁段第一主應(yīng)力如圖15、圖16所示。

圖15 混凝土梁軸向應(yīng)力

圖16 混凝土梁第一主應(yīng)力

混凝土梁段軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼-混結(jié)合面處應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離結(jié)合部區(qū)域應(yīng)力分布較小且較為均勻，峰值為18 MPa。峰值點(diǎn)位于結(jié)合部截面中軸頂板處。混凝土梁段第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：應(yīng)力分布無(wú)明顯規(guī)律，結(jié)合面及邊側(cè)處應(yīng)力值較其他位置更大，峰值為39.8 MPa，位于梁邊側(cè)底部。

3.2.3 最大彎矩工況

荷載組合形式為：軸力-90 103.7 kN，剪力5 186.7 kN，彎矩36 440.0 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應(yīng)力、鋼梁段第一主應(yīng)力如圖17、圖18所示。

圖17 混凝土梁段軸向應(yīng)力

圖18 混凝土梁段第一主應(yīng)力

混凝土梁段軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：軸向應(yīng)力分布較為均勻，峰值為23.9 MPa(壓)，峰值點(diǎn)鄰近結(jié)合部中軸截面下側(cè)。混凝土梁段第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼-混結(jié)合面處應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離結(jié)合部區(qū)域應(yīng)力分布較為均勻,峰值為22.6 MPa,鄰近結(jié)合部截面中軸頂板處。

3.2.4 最小彎矩工況

荷載組合形式為：軸力-98 278.6 kN，剪力1 785.8 kN，彎矩906.2 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應(yīng)力、鋼梁段第一主應(yīng)力如圖19、圖20所示。

圖19 混凝土梁軸向應(yīng)力

圖20 混凝土梁第一主應(yīng)力

混凝土梁段軸向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：鋼-混結(jié)合面處應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離結(jié)合部區(qū)域應(yīng)力分布較小且較為均勻，峰值為17.2 MPa。峰值點(diǎn)位于結(jié)合部截面中軸頂板處。混凝土梁段第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：應(yīng)力分布無(wú)明顯規(guī)律，結(jié)合面及邊側(cè)處應(yīng)力值較其他位置更大，峰值為38.7 MPa，位于梁邊側(cè)底部。

4 結(jié) 論

采用大型通用元軟件ANSYS，在4組不同軸力、剪力和彎矩的設(shè)計(jì)工況下，對(duì)混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合部進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，計(jì)算得出在設(shè)計(jì)荷載作用下的受力性能，得到以下結(jié)論：

(1) 在靜力設(shè)計(jì)荷載作用下，鋼-混結(jié)合部?jī)?nèi)各構(gòu)件的應(yīng)力均低于標(biāo)準(zhǔn)梁段內(nèi)的同類構(gòu)件，且沿縱橋向變化平順，鋼-混結(jié)合部可以有效傳遞內(nèi)力。部分區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但仍滿足結(jié)構(gòu)整體受力性能的要求。

(2) 在軸向力和彎矩的不同工況下，模型鋼梁過(guò)渡段、結(jié)合段和混凝土過(guò)渡段傳力順暢，沿縱橋向結(jié)構(gòu)各部位應(yīng)力變化勻順，滿足局部受力性能的要求。

(3) 數(shù)值分析結(jié)果與類似斜拉橋鋼-混結(jié)合部模型縮尺試驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)上基本吻合，也進(jìn)一步驗(yàn)證了采用非線性有限元分析是一種經(jīng)濟(jì)、有效的研究手段，能夠在解決實(shí)際工程的同時(shí)增加經(jīng)濟(jì)效益。