石首長(zhǎng)江公路大橋主梁鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)及有限元分析

魏奇芬，丁望星，葉文海

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢430051；2.湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢430079）

1 工程概況

石首長(zhǎng)江公路大橋位于長(zhǎng)江兩湖平原地理中軸線，連接潛江、江陵、石首、華容等地，是潛江至石首高速公路跨越長(zhǎng)江的一座控制性橋梁工程[1]，也是素有“九曲回腸”之稱的長(zhǎng)江下荊江河段的首條過(guò)江通道。橋址位于湖北省荊州市石首市長(zhǎng)江碾子灣附近，項(xiàng)目建設(shè)總里程為39.723km，其中長(zhǎng)江大橋長(zhǎng)10.454km，由主橋、灘橋和引橋組成。

長(zhǎng)江大橋采用設(shè)計(jì)速度100km/h的六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，橋面寬33.5m（不含布索區(qū)）；汽車荷載等級(jí)公路-Ⅰ級(jí)；主橋采用主跨816m雙塔不對(duì)稱混合梁斜拉橋方案，橋跨布置為（75+75+75）m+820m+（300+100）m；主梁鋼混結(jié)合面設(shè)于北塔附近，并伸入主跨距北塔中心線26.5m；北邊跨采用混凝土主梁，長(zhǎng)251.5m；中跨和南邊跨采用鋼主梁，全長(zhǎng)1193.5m，見圖1。

2 主梁鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)

2.1 主梁鋼混結(jié)合段受力特點(diǎn)

混合梁斜拉橋通常是指斜拉橋主跨采用重量輕的鋼梁、邊跨采用剛度好的混凝土梁。主跨采用重量輕、抗彎能力強(qiáng)的鋼梁以加大跨越能力，邊跨采用重量重、剛度大的混凝土梁可以起到很好的錨固作用，且造價(jià)較低。該橋型充分利用了鋼與混凝土兩種材料各自的優(yōu)良特性，形成了較好的結(jié)構(gòu)受力體系，得到較為廣泛的工程應(yīng)用[2,3]；但鋼混結(jié)合段是主梁兩種不同材料的連接點(diǎn)，主梁剛度和強(qiáng)度在此發(fā)生突變，在結(jié)構(gòu)力學(xué)上為不連續(xù)點(diǎn)，容易導(dǎo)致該處應(yīng)力集中，從而形成了構(gòu)造上的弱點(diǎn)。

石首大橋主橋總體計(jì)算結(jié)果表明，成橋狀態(tài)主梁鋼混結(jié)合面最大軸向壓力為264136.8kN，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)主梁鋼混結(jié)合面最大軸向壓力為288165.3kN，最大正彎距為45778.6kN·m，最大負(fù)彎距為-70767.2kN·m，以上內(nèi)力均計(jì)入了預(yù)應(yīng)力效應(yīng)?？紤]到石首大橋主梁鋼混結(jié)合段需要承受近30萬(wàn)kN的軸力，因此合理確定主梁鋼混結(jié)合段的位置和連接構(gòu)造型式，流暢地傳遞主梁內(nèi)力（包括軸力、剪力、彎矩和扭矩）及變形，減小附加內(nèi)力、避免應(yīng)力集中和變形折角，提高主梁鋼混結(jié)合段傳力能力、抗疲勞性和結(jié)構(gòu)耐久性，是本橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2.2 主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造設(shè)計(jì)原則

鋼混結(jié)合段是混合梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位之一[4]，其作用是保證鋼梁和混凝土梁之間的剛度過(guò)渡的勻順與力傳遞的通暢。根據(jù)主梁鋼混結(jié)合段受力特性，其構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

（1）調(diào)整鋼箱梁、混凝土箱梁的斷面尺寸，使得兩側(cè)斷面形心位置一致，避免出現(xiàn)彎矩突變；同時(shí)要求兩側(cè)主梁頂、底板和腹板重心盡量重合，以防止主梁鋼板產(chǎn)生局部彎曲和失穩(wěn)。

（2）鋼混結(jié)合段的構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)保證剛度和強(qiáng)度均順過(guò)渡，外形與鋼梁和混凝土梁保持一致。

圖1 橋型布置示意圖（單位：cm）

（3）鋼混結(jié)合面應(yīng)配置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力，以抵抗荷載作用下主梁鋼混凝土結(jié)合面局部可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力。

（4）鋼混結(jié)合段位置和構(gòu)造合理，能較順暢地傳遞主梁各項(xiàng)內(nèi)力及變形，同時(shí)結(jié)合段及剪力鍵也應(yīng)具有良好的抗裂性、抗疲勞性和耐久性。

（5）鋼混結(jié)合段施工便利，施工質(zhì)量容易保證。

2.3 主梁鋼混結(jié)合段位置選擇

主梁鋼混接合面宜設(shè)置在內(nèi)力和撓度幅度變化較小的位置，同時(shí)充分考慮施工的可行性、便利性和經(jīng)濟(jì)性；接合面處主梁軸力大可以減少鋼混結(jié)合段預(yù)應(yīng)力配置，接合面處彎矩和豎向位移變化小，可以降低鋼混結(jié)合段疲勞應(yīng)力幅，提高結(jié)構(gòu)的耐久性[5]。

通過(guò)比較，最終將石首大橋主梁鋼混結(jié)合面設(shè)置于北塔附近的主跨側(cè)，第1對(duì)斜拉索附近；鋼混結(jié)合面距北塔中心線26.5m，該處主梁軸力大、彎矩和豎向位移幅度小。

2.4 主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造

石首大橋是一座主跨820m的超大跨度混合梁斜拉橋，根據(jù)該橋跨度大、橋面寬、主梁軸力巨大的特點(diǎn)，鋼混結(jié)合段構(gòu)造采用了帶PBL剪力鍵的多鋼格室、部分連接填充混凝土的構(gòu)造方案；鋼混結(jié)合段全長(zhǎng)5.2m（見圖2），其中鋼格室通過(guò)鋼箱梁加強(qiáng)段與鋼箱梁連接，其內(nèi)填充自密式混凝土，鋼箱梁加強(qiáng)段采用在U肋中間加設(shè)T形加勁的方式，長(zhǎng)2.0m（見圖3）。為保證混凝土澆注時(shí)在鋼格室內(nèi)能夠自由流動(dòng)，在鋼格室頂板上開設(shè)澆注孔，腹板上設(shè)置連通孔。為保證鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結(jié)合，在結(jié)合段還設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼筋；

圖2 主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm）

圖3 主梁鋼混結(jié)合段局部構(gòu)造三維圖（單位：mm）

考慮填充混凝土應(yīng)力擴(kuò)散的需要、鋼格室內(nèi)焊接空間、預(yù)應(yīng)力筋作業(yè)空間、填充混凝土施工的便利性等因素，箱形鋼格室的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)2.0m、高 0.8m、標(biāo)準(zhǔn)寬 0.6m、0.79m；考慮混凝土骨料流動(dòng)的需要，鋼格室腹板及抗剪鋼板上開有65mm圓孔，并穿過(guò)20mm鋼筋與進(jìn)入該圓孔的混凝土包裹在一起形成鋼筋混凝土剪力鍵（PBL鍵），該剪力鍵具有剛度大、強(qiáng)度高，抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)（見圖4）。為增加后承壓鋼板與鋼格室內(nèi)填充混凝土連接有效性，在兩者接觸部位設(shè)置直徑22mm，高200mm的剪力釘群。

圖4 鋼混結(jié)合段鋼格室構(gòu)造三維模型圖

3 鋼混結(jié)合段整體計(jì)算分析

3.1 鋼混結(jié)合段整體計(jì)算模型

以石首大橋主梁鋼混結(jié)合段為主要研究對(duì)象，為盡可能消除邊界條件及加載對(duì)結(jié)合段的影響，建立計(jì)算模型時(shí)，取主梁鋼混結(jié)合面附近相連接的鋼箱梁、鋼箱梁加強(qiáng)段、鋼混結(jié)合段和混凝土梁段共四部分進(jìn)行建模。計(jì)算模型全長(zhǎng)26m，其中鋼箱梁部分取鋼箱梁加強(qiáng)段（長(zhǎng)3.2m）以外7個(gè)橫隔板間距的鋼箱梁節(jié)段，長(zhǎng)度16.8m，混凝土箱梁部分取結(jié)合段（長(zhǎng)2.0m）以外長(zhǎng)度為6.0m的混凝土箱梁。

模型材料均按線彈性考慮，混凝土采用C55，鋼箱梁主體采用Q345qD，材料參數(shù)按規(guī)范取值。在鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)分析中，采用如下假定：

（1）截面變形過(guò)程中遵循平截面假定；

（2）鋼板與混凝土板之間粘結(jié)可靠，即不考慮結(jié)合面相互滑移；

（3）整體計(jì)算模型中未考慮普通鋼筋、抗剪鋼板及PBL鍵的作用，在下節(jié)將單獨(dú)提取鋼格室建立局部模型進(jìn)行計(jì)算分析；

（4）鋼板的局部屈曲和焊接殘余應(yīng)力忽略不計(jì)。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，鋼箱梁采用空間板殼單元SHELL63，混凝土梁段采用實(shí)體單元SOLID65。

由于鋼混結(jié)合段處主梁剪力和橫向彎矩很小，故計(jì)算僅考慮主梁豎向彎矩和軸力對(duì)結(jié)合段的影響，取結(jié)合段鋼箱梁側(cè)最不利工況組合內(nèi)力。軸力直接按等效節(jié)點(diǎn)荷載施加于鋼箱梁端部截面，彎矩先分解成力偶再按等效節(jié)點(diǎn)荷載施加于鋼箱梁邊界節(jié)點(diǎn)上[6]；預(yù)應(yīng)力考慮25%的預(yù)應(yīng)力損失，并按等效節(jié)點(diǎn)荷載直接施加于鋼格室承壓板上。受計(jì)算規(guī)模限制，并考慮到構(gòu)造和受力的對(duì)稱性，選取對(duì)稱結(jié)構(gòu)建立結(jié)合段模型，見圖5、圖6。

圖5 鋼箱結(jié)合段部分模型

圖6 模型荷載及邊界條件

3.2 鋼梁應(yīng)力分析結(jié)果

鋼梁應(yīng)力分析結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 加強(qiáng)段鋼結(jié)構(gòu)VonMises應(yīng)力

圖8 結(jié)合段處鋼結(jié)構(gòu)VonMises應(yīng)力

鋼混結(jié)合段鋼格室與混凝土共同受力，鋼梁應(yīng)力通過(guò)承壓板、開孔板連接件逐漸傳遞至鋼格室內(nèi)的混凝土，鋼梁應(yīng)力較為均勻。承壓板在與U肋和T肋焊接處及錨墊板附近有應(yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力值為225.756MPa，但未超出鋼材屈服強(qiáng)度；排除應(yīng)力集中點(diǎn)，結(jié)合部位鋼構(gòu)件應(yīng)力較低，且過(guò)渡均勻，絕大部分區(qū)域均控制在100MPa內(nèi)。鋼混凝土結(jié)合部鋼構(gòu)件在最不利組合下，Von Mises應(yīng)力均小于容許值231MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 混凝土梁應(yīng)力分析結(jié)果

混凝土梁應(yīng)力分析結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 填充混凝土梁段主拉應(yīng)力

圖10 填充混凝土梁段主壓應(yīng)力

鋼混結(jié)合段鋼格室內(nèi)混凝土受力較為均勻。在預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)、內(nèi)腹板和頂板相交區(qū)域存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，剔除應(yīng)力集中區(qū)后，鋼混結(jié)合段位最不利組合作用下絕大部分混凝土主壓應(yīng)力小于19.44MPa，主拉應(yīng)力小于2.65MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4 鋼格室單元局部分析模型

采用ANSYS有限元程序建立一個(gè)獨(dú)立、完整的鋼格室局部模型。頂板處鋼格室寬0.6m（橫橋向），高0.8m，長(zhǎng)2.0m（順橋向）。底板處鋼格室寬0.8m（橫橋向），高 0.8m，長(zhǎng) 2.0m（順橋向）。鋼格室內(nèi)PBL鍵及填充混凝土均采用實(shí)體單元（SOLID45和SOLID65），鋼格室外壁采用板殼單元（SHELL63）。模型中不考慮鋼板與混凝土的粘接摩阻力，假定鋼與混凝土之間的剪力傳遞全部由PBL鍵承擔(dān)；模型中也未考慮由φ25mmHRB335鋼筋與其環(huán)包混凝土之間的粘結(jié)－滑移效應(yīng)，假定為共同作用，且不考慮鋼格室內(nèi)填充混凝土中普通鋼筋及剪力釘?shù)淖饔谩?/p>

計(jì)算荷載取其鋼格室單位承受的最不利荷載，并考慮25%的預(yù)應(yīng)力損失，按等效節(jié)點(diǎn)荷載施加于錨墊板表面。彎矩?fù)Q算為力偶后也轉(zhuǎn)化為軸力，故將軸力和彎矩按等效節(jié)點(diǎn)荷載施加于鋼格室后面承壓板上。鋼格室端面（混凝土側(cè)）邊界固結(jié)，鋼格室兩側(cè)腹板為正對(duì)稱約束。荷載、邊界條件見圖 11、圖12。

圖11 正對(duì)稱約束示意圖

圖12 荷載及邊界條件示意圖

鋼格室前、后兩端為截面變化處，鋼與混凝土兩種材料間的作用力傳遞顯著。鋼格室的鋼結(jié)構(gòu)部分和填充混凝土的受力基本滿足規(guī)范要求。考慮到承壓板對(duì)鋼與混凝土相對(duì)滑移的限制，連接件受力較小，仍有較大的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié)語(yǔ)

石首大橋主梁設(shè)計(jì)按照“承壓－傳剪”復(fù)合傳力模式的設(shè)計(jì)思路，采用了帶多格室結(jié)構(gòu)的后承壓板式鋼混結(jié)合段，具有如下顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和先進(jìn)性：

（1）設(shè)置長(zhǎng)度2m的鋼格室結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳剪。既提高了鋼混結(jié)合段傳遞軸力的能力，又實(shí)現(xiàn)了主梁剛度和傳力的勻順過(guò)渡，克服了傳統(tǒng)鋼混結(jié)合段易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的缺點(diǎn)。

（2）采用了帶孔鋼板（PBL剪力鍵）進(jìn)行傳力。PBL剪力鍵強(qiáng)度高，具有良好的剛度和延性，從而提升了鋼混結(jié)合段的疲勞性能。

（3）摒棄傳統(tǒng)的現(xiàn)澆工藝，采用創(chuàng)新性的預(yù)制拼裝工藝。即邊跨混凝土主梁先節(jié)段預(yù)制，存梁后與鋼主梁拼裝、填充結(jié)合段鋼格室自密式混凝土，大幅降低了混凝土收縮徐變效應(yīng)的影響，提高了鋼混結(jié)合段的耐久性。

通過(guò)有限元分析可知道，石首大橋主梁鋼混結(jié)合段構(gòu)造合理、受力可靠、傳力平滑，PBL鍵剛度大、承載能力高、疲勞性能優(yōu)良，主梁鋼混結(jié)合段中鋼與混凝土的相對(duì)滑移量小，能滿足石首大橋構(gòu)造受力的需要。

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