填充UHPC對混合梁斜拉橋鋼-混結合段受力影響

摘要：為研究填充UHPC對混合梁斜拉橋鋼-混結合段的傳力機理和受力性能的影響，以某混合梁斜拉橋為工程背景，采用通用有限元軟件ANSYS建立了該橋鋼-混結合段的仿真模型，分析了鋼-混結合段內各構件的受力情況。結果表明：在設計荷載作用下，鋼-混結合段用UHPC填充后對普通混凝土梁段應力有一定改善，內力沿縱橋向變化平順，UHPC能有效傳遞內力，滿足結構整體受力性能的要求，且具有較大的安全儲備。

關鍵詞：混合梁斜拉橋； 鋼-混結合段； UHPC； 數值分析

中國分類號：U442.55A

［定稿日期］2022-04-27

［作者簡介］張波（1991—），男，碩士，工程師，從事特殊橋梁設計。

0 引言

獨塔和中等跨徑的斜拉橋大多采用混合梁斜拉橋，通常邊跨設計為混凝土梁，中跨設計為鋼主梁，這樣在增加跨越能力的同時，還能盡可能地降低造價［1］。混合梁斜拉橋其中最重要的部位之一就是鋼-混結合段，由于鋼混結合段處不僅受力比較大，而且剛度變化也很劇烈，需要采用各種構造盡可能的使在該處的傳力更加平順和安全［2］。鋼混格室過渡段需要填充混凝土來滿足傳力需求，以往大多填充普通混凝土，在實橋檢測中發現部分混合梁斜拉橋在該部位會出現開裂的情況。隨著UHPC高性能混凝土的發展和應用，在橋梁工程中也越來越頻繁的使用［3］，使得在該部位的填充材料有了更多的選擇。目前對于用UHPC作為鋼-混結合段的填充材料對其傳力性能影響的研究較少。該文以某混合梁斜拉橋為背景，用Midas civil建立全橋模型得到鋼-混結合段附近區域梁段最不利受力，再用Ansys對鋼-混結合段作局部分析，研究UHPC填充對鋼混結合段的傳力影響。

1 工程概述

主橋全長328 m，為（90+238） m獨塔、斜塔中央索面混合梁斜拉橋。其主跨采用一跨過河的形式滿足通航及防洪要求。橋面縱坡為0.949 %單向下坡。中跨鋼箱梁和邊跨混凝土梁均為帶懸臂箱形截面，鋼混結合面在中跨側距橋塔處11 m位置，橋面全寬25.5 m。結構采用塔、墩、梁固結體系。2號過渡墩和0號橋臺墩墩頂設置豎向支座及橫向抗震擋塊，橋型布置如圖1所示。

2 鋼混結合段構造設計

2.1 鋼箱梁

鋼箱梁為帶懸臂整體式斷面，斷面對稱線處高度為3.0 m，標準梁段長度為12.8 m。鋼箱梁底板、斜腹板厚度為14 mm，頂板厚度為16 mm，；鋼箱梁斜腹板、頂板、底板采用T肋和U肋閉合加勁，頂板U肋的厚度為8 mm、斜腹板、底板的U肋厚度為6 mm。中間兩道為實腹式縱腹板，板厚為24 mm，有5道T形加勁肋。中跨鋼箱梁截面如圖2所示。

2.2 混凝土箱梁

邊跨混凝土采用整體式單箱雙室箱梁截面，在靠近0號墩位置增加頂板厚度。頂板線型為雙向2%橫坡，底板為水平，主梁中心線處的高度為2.98 m，標準截面的頂板厚度為35 cm，0號墩附近位置加厚至50 cm，底板均為50 cm厚。在斜拉索錨固位置，為了滿足局部受力，設計了厚度為3.2 m的中腹板，橫隔板的標準間距為4 m，標準厚度為50 cm，邊跨標準截面如圖3所示。

2.3 鋼混結合段構造

鋼混結合段采用前承壓式，長度為2 m，內部再劃分為寬度為1.2 m的箱室，并在頂板預留灌注UHPC，直徑為60 mm的圓孔。鋼梁加強段長度為3.25 m，通過加勁肋加高的方式來讓剛度平順過渡。其中鋼混結合段內填充UHPC混凝土，在鋼格室頂、底板上設置PBL剪力鍵，為了避免出現拉應力，預應力鋼束張拉到承壓板位置。鋼混結合段構造如圖4～圖5所示。

工程結構張波： 填充UHPC對混合梁斜拉橋鋼-混結合段受力影響

3 材料參數

本工程中，鋼箱梁采用Q345qNHD，混凝土箱梁采用C55混凝土，鋼混結合段填充UHPC混凝土。各材料參數如表1所示。

4 有限元計算分析

4.1 計算位置及邊界條件

鋼混結合段長度為2 m，加強段為3.25 m，考慮圣維南原理，在混凝土側延伸5.39m和塔柱相交，并在端部固接。鋼箱梁側延伸8.3 m在第一根拉索位置處，通過在整體模型中提取在基本組合下最大彎矩工況時的軸力和彎矩值施加在鋼箱梁端部的形心位置處，加載示意如圖6所示。

4.2 計算荷載

①結構自重；②預應力荷載；③整體模型中基本組合下在端部鋼箱梁截面處的內力，鋼混結合段最不利內力見表2。

4.3 有限元模型

本計算借助ANSYS有限元軟件模擬分析，網格劃分后的有限元1/2模型如圖7所示：C55混凝土和UHPC混凝土均采用Solid65實體單元模擬，鋼箱梁采用shell63板殼單元模擬。鋼混結合段處鋼板和混凝土采用共用節點模擬剪力釘和PBL鍵，1/2模型的單元數172 160個，節點數167 283個。

5 計算結果分析

本節主要對比鋼混結合段填充UHPC和普通混凝土對結構各部位的影響。現將對比結果匯總如表3所示：

（1）填充UHPC混凝土和普通混凝土對鋼混結合段混凝土的應力對比如表4所示。從表4中可以看出鋼混結合段填充UHPC混凝土會使結合段中的混凝土拉、壓應力均會增大6%～11%。

（2）填充UHPC混凝土和普通混凝土對塔柱處的普通混凝土的應力對比如表5所示。從表5中可以看出鋼混結合段填充UHPC混凝土會使塔柱處的普通混凝土拉、壓應力均會減小5%～8%。

（3）填充UHPC混凝土和普通混凝土對格構室的影響如圖8～圖11所示，從應力和數據圖中可以得出：①在鋼箱梁加強段開始部位由于剛度變化會對頂板U肋和底板U肋產生應力集中現象，其中頂板U肋部位達到303 MPa超過限值275 MPa，但只是在局部范圍內。②鋼混結合段格構室的板件的應力均逐漸減小，說明鋼梁的力通過鋼混結合段傳遞給了混凝土梁上。③UHPC混凝土的縱向壓應力最大為17 MPa，在底板下緣表面會產生約2.5 MP的拉應力，除去鋼與混凝土接觸表面出現的拉應力，鋼混結合段混凝土除局部外均處于受壓狀態。④普通混凝土的縱向壓應力約為8 MPa，受力較均勻，在底板下緣會出現0.7 MPa的拉應力。

6 結束語

通過對鋼混結合段填充UHPC混凝土和普通混凝土的對比分析可知：

（1）填充UHPC混凝土后會對靠近塔柱的普通混凝土段縱橋向、主拉、主壓應力均會減小8%左右。

（2）填充UHPC混凝土后會對鋼混結合段中的混凝土縱橋向、主拉、主壓應力增加10%左右。

（3）填充UHPC混凝土后會對鋼混結合段格構室頂板等效應力增加25%左右，格構室底板、中縱腹板、邊縱腹板和剪力釘板等效應力均減小6%～9%。

（4）填充UHPC混凝土后對鋼箱梁段的等效應力基本沒有什么影響。

參考文獻

［1］ 徐國平， 張喜剛， 劉玉擎. 混合梁斜拉橋［M］. 北京： 人民交通出版社 2013.

［2］ 張仲先， 黃彩萍， 徐海鷹. 混合梁斜拉橋鋼混結合段傳力機理研究［J］. 華中科技大學學報（自然科學版）， 2010， 38（5）：4.

［3］ 邵旭東， 邱明紅， 晏班夫，等. 超高性能混凝土在國內外橋梁工程中的研究與應用進展［J］. 材料導報， 2017， 31（23）：11.