結(jié)合梁斜拉橋鋼砼結(jié)合部應(yīng)力傳遞分析

馬克亮,劉沐宇

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,南京 210000；2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

結(jié)合梁斜拉橋鋼砼結(jié)合部應(yīng)力傳遞分析

馬克亮1,劉沐宇2

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,南京 210000；2.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

結(jié)合部是結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)及材料的突變部位，構(gòu)造及受力狀態(tài)復(fù)雜，是橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。該文結(jié)合武漢二七路三塔結(jié)合梁斜拉橋，建立結(jié)合部ANSYS有限元模型，針對(duì)運(yùn)營(yíng)過程中六種不利工況，分析結(jié)合部主應(yīng)力分布狀態(tài)及傳遞規(guī)律。結(jié)果表明，結(jié)合部整體呈受壓及低應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合部應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)合梁； 結(jié)合部； 有限元分析

運(yùn)營(yíng)中的武漢二七路長(zhǎng)江大橋主橋是世界最大跨徑的三塔結(jié)合梁斜拉橋，結(jié)合部是結(jié)合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)及材料的突變部位[1]，構(gòu)造及受力狀態(tài)復(fù)雜，為橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2]，本橋采用雙工字鋼結(jié)合梁-預(yù)應(yīng)力砼π型梁結(jié)合部。文中建立結(jié)合部ANSYS有限元模型，分析結(jié)合部的主應(yīng)力分布狀態(tài)及傳遞規(guī)律，驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)的合理性，為相關(guān)橋型的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

武漢二七路長(zhǎng)江大橋主橋跨徑分布為(90+160+2×616+160+90)m，總長(zhǎng)1 732 m，寬31.85 m(見圖1)。90 m跨采用預(yù)應(yīng)力砼π型梁，梁高350 cm；其余采用雙工字鋼結(jié)合梁，其橋面板厚26 cm，梁高293.5 cm。主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖2。

本橋結(jié)合部位于2#、6#輔助墩主橋側(cè)4.5 m處。結(jié)合部通過承壓鋼板、栓釘及預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用實(shí)現(xiàn)內(nèi)力傳遞。鋼梁通過4 m的加強(qiáng)段以承壓鋼板與預(yù)應(yīng)力砼π型梁連接，而后鋼梁繼續(xù)延伸并伸入預(yù)應(yīng)力砼π型梁3 m。鋼梁伸入預(yù)應(yīng)力砼π型梁部分設(shè)置ML15栓釘。預(yù)應(yīng)力砼π型梁側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼束延伸并固定在鋼梁側(cè)承壓鋼板處。結(jié)合部構(gòu)造圖見圖3。

2 空間有限元模型的建立

2.1 模型節(jié)段選取

結(jié)合運(yùn)營(yíng)中武漢二七路長(zhǎng)江大橋，采用ANSYS，對(duì)其結(jié)合部建立空間有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析。根據(jù)Saint-Venant’s Principle[3]，結(jié)合部位置約為整個(gè)節(jié)段模型的中間，結(jié)合梁段、砼梁段長(zhǎng)度約兩倍橋?qū)?，同時(shí)考慮結(jié)合梁的節(jié)段劃分及砼梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取結(jié)合梁30.75 m，結(jié)合部7 m，砼梁36 m,模型總長(zhǎng)73.75 m。取結(jié)合面與橋梁中心線交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，取縱橋向?yàn)閄軸，取豎橋向?yàn)閅軸，取橫橋向?yàn)閆軸(詳見圖4)。

2.2 單元?jiǎng)澐?/p>

結(jié)合部模型模擬單元信息及材料參數(shù)模擬材料特性見表1。本模型預(yù)應(yīng)力鋼束、砼間的粘結(jié)作用采用節(jié)點(diǎn)耦合法模擬，預(yù)應(yīng)力采用降溫法施加[4]。

表1 材料參數(shù)表

2.3 荷載類型

1)恒載

對(duì)結(jié)合部模型施加重力加速度模擬結(jié)構(gòu)自重，二期恒載以8 t/m計(jì)(包括橋梁護(hù)欄及橋面鋪裝)。

2)活載

活載采用公路-Ⅰ級(jí)汽車荷載，按8車道加載。

2.4 荷載工況

采用MIDAS建立全橋模型，求得結(jié)合面節(jié)點(diǎn)軸力(N)、剪力(Q)、彎矩(M)的影響線；引起結(jié)合面內(nèi)力最值的主要因素是活載，按結(jié)合面節(jié)點(diǎn)影響線的分布情況明確活載的最不利加載位置，并據(jù)此確定全橋活載加載方案[5]，求得結(jié)合部模型六種工況下的梁端內(nèi)力、索力(見表2、表3)。

表2 結(jié)合部梁端內(nèi)力表

注：軸力拉為正，剪力逆時(shí)針為正，彎矩下側(cè)受拉為正。

表3 結(jié)合部索力表 /t

2.5 邊界條件

結(jié)合部節(jié)段模型中，砼梁梁端固結(jié)，結(jié)合梁梁端以剛性域假定為平截面變形，在梁端施加表2、表3內(nèi)力，砼梁端部下底板加支座限位，索力采用空間三向分力作用于斜拉索錨固點(diǎn)[6]。

3 有限元結(jié)果分析

取節(jié)段模型結(jié)合面7 m長(zhǎng)的范圍進(jìn)行分析，S1、S2、S3分別代表第一、二、三主應(yīng)力(正為拉，負(fù)為壓)。

3.1 主應(yīng)力

1)砼梁主應(yīng)力

砼梁主應(yīng)力分布見表4。

砼梁的最大主拉應(yīng)力為1.3 MPa，發(fā)生在工況一結(jié)合面砼梁倒角處；最大主壓應(yīng)力為14.7 MPa，發(fā)生在一工況砼梁與橋面板接觸面。砼梁的主應(yīng)力處于-14.7～1.3 MPa區(qū)間。

表4 結(jié)合部砼梁主應(yīng)力分布表

2)鋼梁主應(yīng)力

鋼梁主應(yīng)力分布見表5。

表5 結(jié)合部鋼梁主應(yīng)力分布表

鋼梁的最大主拉應(yīng)力為32.0 MPa，發(fā)生在工況一結(jié)合面橫梁加勁肋倒角處；最大主壓應(yīng)力為84.7 MPa，發(fā)生在工況一小縱梁下翼緣與橫梁接觸點(diǎn)。鋼梁的主應(yīng)力處于-84.7～32.0 MPa區(qū)間。

3)橋面板主應(yīng)力

橋面板主應(yīng)力分布見表6。

表6 結(jié)合部橋面板主應(yīng)力分布表

橋面板的最大主拉應(yīng)力為1.0 MPa，發(fā)生在橋面板預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)；最大主壓應(yīng)力為17.0 MPa，發(fā)生在工況一鋼梁上翼緣漸變段端部與橋面板接觸點(diǎn)。橋面板的主應(yīng)力處于-17.0～1.0 MPa區(qū)間。

3.2 應(yīng)力傳遞規(guī)律

結(jié)合部正應(yīng)力分布分析得：工況一作用下結(jié)合部受力最不利，針對(duì)工況一研究結(jié)合部的傳力規(guī)律。

1)砼梁-鋼梁翼緣應(yīng)力傳遞規(guī)律

砼梁-鋼梁上翼緣沿Z軸縱向正應(yīng)力傳遞如圖5所示，下翼緣沿Z軸縱向正應(yīng)力傳遞如圖6所示。

結(jié)合部砼梁-鋼梁上翼緣整體受壓，壓應(yīng)力由砼梁至鋼梁方向呈遞增趨勢(shì)；結(jié)合部鋼梁下翼緣整體受壓，砼梁下翼緣背離結(jié)合面方向由受壓逐漸變?yōu)槭芾?。若干?jié)點(diǎn)拉應(yīng)力值為1.3 MPa，但沒有超出砼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.96 MPa。針對(duì)縱向正應(yīng)力砼梁-鋼梁上翼緣比下翼緣總體偏高。砼梁、鋼梁上下翼緣縱向正應(yīng)力分布較均勻，承壓鋼板處縱向正應(yīng)力變化較大。

2)砼梁-鋼梁腹板應(yīng)力傳遞規(guī)律

砼梁-鋼梁腹板沿y軸縱向正應(yīng)力傳遞如圖7所示。

結(jié)合部鋼梁腹板整體受壓，砼梁腹板主體受壓，靠近砼梁底板若干節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)0.5 MPa左右拉應(yīng)力，但沒有砼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.96 MPa。砼梁-鋼梁腹板縱向正應(yīng)力分布較均勻，沿縱橋向以及豎橋向應(yīng)力呈遞增趨勢(shì)，承壓鋼板處縱向正應(yīng)力變化較大。

3)砼梁-橋面板應(yīng)力傳遞規(guī)律

砼梁-橋面板沿Z軸縱向正應(yīng)力傳遞如8圖所示。

結(jié)合部砼梁-橋面板整體受壓。橋面板、砼梁縱向正應(yīng)力沿分布較均勻，沿縱橋向呈遞增趨勢(shì)，承壓鋼板處縱向正應(yīng)力變化較大。砼梁-橋面板縱向正應(yīng)力邊主梁總體比跨中偏高。

4 結(jié) 論

a.砼梁主應(yīng)力變化處于-14.7～1.3 MPa區(qū)間，鋼梁主應(yīng)力變化處于-84.7～32.0 MPa區(qū)間，橋面板主應(yīng)力變化處于-17.0～1.0 MPa區(qū)間。結(jié)合部處于低應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合部的應(yīng)力分布滿足設(shè)計(jì)要求。

b.結(jié)合部總體受壓，砼梁底板若干節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)拉應(yīng)力，但沒有超過砼抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.96 MPa。

c.結(jié)合部縱向正應(yīng)力沿分布較均勻，縱向正應(yīng)力上翼緣比下翼緣偏高、邊主梁比跨中偏高。承壓鋼板處應(yīng)力變化較大。

[1] 周孟波,斜拉橋手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2004.

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

[3] 陳開利,余天慶,習(xí)剛.混合梁斜拉橋的發(fā)展與展望[J].橋梁建設(shè),2005(2) :1-4.

[4] 周 穎,徐 資,段乃民.湛江海灣大橋鋼-砼梁結(jié)合部受力分析[J].中外公路,2006,26(5) :120-122.

[5] 陳開利,王戒躁,安群慧.舟山桃夭門大橋鋼與砼結(jié)合部模型試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2006,39(3) :86-90.

[6] 王軍文,倪章軍,宋曉東,等.石板坡大橋鋼箱梁車載作用下局部應(yīng)力分析[J] .石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),2007,20(1):6-9.

Stress Transmission Analysis of Joint Section on the Composite Girder Cable-stayed Bridge

MA Ke-liang1,LIU Mu-yu2

(1.Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company，Nanjing 210000, China;2.Hubei Key Lab of Roadway Bridge & Structure Engineering，Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Joint section is the mutation of structures and materials on the composite girder cable-stayed bridge.The structure and stressing state of Joint section are extremely complicated,which is the important link of bridge design.This paper builds the spatial finite element of joint section on Road Erqi Wuhan Yangtze River Bridge and analysises the situation of principal stress distribution and transmission rule on the joint section according to six unfavorable load cases during operation process.The results showed that joint section is in low-stress state,and its stress distribution can completely meet the requirements of design.

composite girder; joint section; finite element analysis

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.010

2015-03-03.

武漢市建設(shè)科技項(xiàng)目(200923).

馬克亮(1983-)，碩士.E-mail:make-0305@163.com