雙斜塔雙索面混合梁斜拉橋主梁鋼-混結(jié)合部受力分析

□文/李 焱 謝 斌

雙斜塔雙索面混合梁斜拉橋主梁鋼-混結(jié)合部受力分析

□文/李 焱 謝 斌

鄂爾多斯4號大橋主橋為雙斜塔雙索面混合梁斜拉橋。該橋主梁寬高比大，主梁鋼-混結(jié)合部構(gòu)造和受力較為復(fù)雜。文章通過有限元法對鋼-混結(jié)合部進(jìn)行深入分析和研究，掌握了結(jié)合部鋼與混凝土的應(yīng)力分布情況、傳力機(jī)理及承載能力性能，對應(yīng)力集中部位進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，確保結(jié)合部受力的可靠性和合理性。

混合梁斜拉橋；主梁；鋼-混；結(jié)合部；受力

由于混合斜拉橋能較好地適用于地形受限位置,具有邊主跨比小,主跨跨越能力大的特點，加之鋼梁改為混凝土梁后降低了工程造價，近年來在國內(nèi)得到較為廣泛地采用，尤其在跨徑＞400 m時，混合梁斜拉橋在跨越能力和經(jīng)濟(jì)性方面具有較為明顯的優(yōu)勢。

1 工程概況

鄂爾多斯4號大橋主跨450 m，兩邊跨為 (40+2×42+51)m，采用半漂浮結(jié)構(gòu)體系。橋塔高128 m，向主跨側(cè)傾斜12°。主梁全寬37 m，標(biāo)準(zhǔn)梁高3.0 m，采用流線型扁平鋼箱斷面形式，兩側(cè)設(shè)有風(fēng)嘴及導(dǎo)流板。鋼與混凝土的結(jié)合部設(shè)置在主跨側(cè)距橋塔12 m處（見圖1），中跨426 m采用鋼梁，其余部位為混凝土連續(xù)梁，結(jié)合段長4.0 m，此結(jié)合段是混合梁斜拉橋中最為重要的構(gòu)造之一。

圖1 結(jié)合部立面布置

2 鋼-混結(jié)合部設(shè)計

大橋的結(jié)合部構(gòu)造形式（見圖2）是在充分考慮結(jié)構(gòu)和力學(xué)的合理性、應(yīng)力的傳遞性、鋼箱的制作性后確定的并通過數(shù)值分析研究在各種最不利荷載組合下，鋼混結(jié)合段各部分共同工作的特點，力的傳遞途徑及力的分布規(guī)律。

圖2 結(jié)合部構(gòu)造形式

結(jié)合部設(shè)計方案端承板采用60 mm厚鋼板，保證了軸向力傳遞均勻及大直徑鋼絞線錨固要求；采用斜率1∶8的狹長閉合隔倉，使得軸力傳遞更為順暢；在端承板、鋼腹板及閉合隔倉內(nèi)均設(shè)置剪力釘，提高了結(jié)合部的抗剪強度；強大的預(yù)應(yīng)力鋼束與精軋螺紋鋼筋配合使用，有效地抵抗活載產(chǎn)生的彎矩，剪力釘與混凝土結(jié)合面增大，混凝土防裂能力得到提高，結(jié)構(gòu)可靠性顯著增強，見圖3。

圖3 結(jié)合部斷面構(gòu)造

3 模型建立

3.1 單元劃分

對主梁鋼-混結(jié)合部建立空間有限元模型進(jìn)行局部應(yīng)力分析。根據(jù)圣維南原理，為避免邊界條件對所研究節(jié)段的影響，分析模型為鋼-混結(jié)合部、混凝土梁段側(cè)混凝土第一個實心斷面，以及鋼梁側(cè)緊鄰固結(jié)段4個節(jié)段。分析長度為1.5 m（混凝土梁段）+4.0 m（鋼-混結(jié)合部）+12.0 m（鋼梁段）。

混凝土結(jié)構(gòu)采用3D六面體實體單元，鋼結(jié)構(gòu)采用四邊形平面單元進(jìn)行節(jié)段有限元模型建立，見圖4。

圖4 有限元模型

3.2 邊界處理

分析模型根據(jù)單梁模型內(nèi)力值，等效為簡支結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，因此，梁端兩側(cè)分別采取簡支約束。梁端加載面處理根據(jù)平截面假定，建立剛性單元，將該面腹板及頂?shù)装鍐卧s束，使其在外力作用下保持平面并在各自質(zhì)心位置建立單節(jié)點單元，與其截面建立主從約束關(guān)系，截面內(nèi)力值加載于節(jié)點上。

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼束處理

Midas FEA三維實體分析軟件自帶鋼筋單元，采用程序中實體預(yù)應(yīng)力單元真實地模擬主梁內(nèi)縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

3.4 分析工況

模型考慮分析荷載為恒載+公路I級+人群荷載。

模型本身自重由程序自動加載。二期恒載通過面荷載形式施加于頂面單元。梁端內(nèi)力荷載根據(jù)分析軟件Midas Civil 2010單梁模型結(jié)果，以鋼-混結(jié)合部結(jié)合面作為內(nèi)力極值斷面（67單元），求出梁端截面內(nèi)力值，見表1。

表1 梁端截面極值工況加載

4 結(jié)合部應(yīng)力狀態(tài)分析

為排除節(jié)段模型兩端邊界條件和加載條件對實際結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力分布的影響，在后處理中僅對模型中的結(jié)合部進(jìn)行受力分析，即結(jié)構(gòu)的重點關(guān)心區(qū)域。

4.1 結(jié)合部混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

1）主拉應(yīng)力見圖5。

圖5 混凝土主拉應(yīng)力

結(jié)合段混凝土結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力大部分為-0.85a～3.75 MPa。從圖6可以看出，除預(yù)應(yīng)力錨固部位外，承壓板結(jié)合部位角點位置同樣出現(xiàn)一定應(yīng)力集中現(xiàn)象。主拉應(yīng)力＞4.5 MPa，見圖6。

圖6 混凝土主拉應(yīng)力＞4.5 MPa

2）主壓應(yīng)力見圖7。

圖7 混凝土主壓應(yīng)力

結(jié)合段混凝土結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力大部分為-14.1～-0.05 MPa。從圖8可以看出，與承壓板結(jié)合部位預(yù)應(yīng)力錨固段出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。主壓應(yīng)力量值＜-15.5 MPa，見圖8。

圖8 混凝土主壓應(yīng)力＜-15.5 MPa

4.2 結(jié)合部鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

1）主拉應(yīng)力見圖9。

圖9 鋼主拉應(yīng)力

結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力大部分為-22.8～50.7 MPa。從圖9可以看出，頂面截面突變處角點出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是該處結(jié)構(gòu)處理上具有過渡鋼板，實際應(yīng)力會等到很好改善。主拉應(yīng)力＞70.0 MPa，見圖10，較大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在與填充混凝土相接的承壓鋼板?？傮w結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力量值較小。

圖10 鋼主拉應(yīng)力＞70.0 MPa

2）主壓應(yīng)力見圖11。

圖11 鋼主壓應(yīng)力

結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力大部分為-144.5～27.4 MPa。從圖11可以看出，頂面截面突變處角點出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是該處結(jié)構(gòu)處理上具有過渡鋼板，實際應(yīng)力會等到很好改善。主拉應(yīng)力＜-105 MPa，見圖12。結(jié)合段鋼梁主壓應(yīng)力量值較小。

圖12 鋼主壓應(yīng)力＜-105.0 MPa

5 結(jié)論

1）結(jié)合部沿靠近承壓板方向，鋼梁面板和T肋順橋向應(yīng)力呈遞減。

2）承壓板主要通過與格室混凝土的相互擠壓作用傳力；軸力可以有效通過格室內(nèi)連接件和鋼-混摩擦作用傳遞至格室內(nèi)混凝土，鋼格室內(nèi)表面板的傳力貢獻(xiàn)不顯著。

3）混凝土梁段的應(yīng)力變化較為平緩，從鋼梁傳遞到混凝土梁的內(nèi)力來不及擴(kuò)散至混凝土整個截面，導(dǎo)致混凝土斷面處于非全截面受壓狀態(tài)。

4）鋼-混結(jié)合部主要通過承壓板和鋼-混結(jié)合部內(nèi)剪力釘傳遞軸向荷載，在傳力時，承壓板承擔(dān)了較多的軸向荷載。

5）鋼-混結(jié)合橫梁與其后混凝土箱梁連接的變截面處局部出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力集中，在混凝土頂、底板與鋼-混結(jié)合橫梁連接處的倒角區(qū)域，通過增加防裂鋼筋，以防止其受力不合理而導(dǎo)致的開裂。

[1]劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1996.

[3]嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1996.

[4]黃 玲.混合梁斜拉橋鋼—混結(jié)合段受力行為與傳力機(jī)理研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[5]劉玉擎.混合梁接合部技術(shù)的發(fā)展[J].世界橋梁，2005，（4）：9-12.

□謝 斌/天津市市政工程設(shè)計研究院。

U441

C

1008-3197（2015）06-57-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.020

2015-11-25

李 焱/男，1981年出生，高級工程師，同濟(jì)大學(xué)，從事橋梁與隧道工程設(shè)計研究工作。