無背索混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段力學(xué)性能研究

摘要：文章以一座無背索混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段為研究對象，通過非線性數(shù)值仿真分析，研究了其鋼-混結(jié)合段的力學(xué)性能。分析結(jié)果表明：在關(guān)鍵荷載工況下，鋼箱梁過渡段、鋼-混結(jié)合段與混凝土過渡段應(yīng)力水平總體小于規(guī)范設(shè)計值，結(jié)構(gòu)安全有保障;鋼混結(jié)合段及過渡段的主要構(gòu)件應(yīng)力梯度較小，傳力整體流暢、均勻，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理。

[作者簡介]胡陽（1996—），男，碩士，研究方向為組合結(jié)構(gòu)橋梁鋼-混結(jié)合段。

混合梁斜拉橋因其良好的受力與經(jīng)濟(jì)性能，近年來得到廣泛應(yīng)用[1]?；旌狭杭冉鉀Q了純混凝土箱梁在長期荷載作用下的跨中下?lián)蠁栴}，也解決了單純采用鋼主梁導(dǎo)致箱梁在支座附近鋼底板和腹板厚度過厚的問題[2]。斜拉橋或連續(xù)梁橋的主跨用鋼梁、邊跨用混凝土梁，形成混合梁組合體系，性能上將大幅度得以提高，并且具有跨越能力大的優(yōu)點。對于主梁同時采用鋼、混凝土材料按混合體系布置時，鋼-混凝土梁段的連接段的傳力機(jī)理和受力性能是該類結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究的重點。鋼-混凝土接合部是主梁剛度突變點，為了滿足剛度平穩(wěn)過渡和應(yīng)力的平順傳遞，鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造一般較為復(fù)雜，且因其傳遞的荷載巨大，通常表現(xiàn)出較強的非線性受力特征。

對鋼-混結(jié)合段受力行為的研究往往采用模型試驗并結(jié)合有限元仿真分析[3-5]，考慮到模型試驗耗費巨大，周期長，且難以精確測量結(jié)合段內(nèi)部的受力、變形情況，故采用有限元仿真分析作為研究手段。為準(zhǔn)確模擬鋼-混結(jié)合段的傳力機(jī)理和受力特性，同時兼顧分析計算的可行性，本文以一座獨塔斜拉橋為工程背景，采用通用有限元分析軟件ABAQUS研究了鋼-混結(jié)合段受力的安全性與合理性，以期為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計計算提供參考。

1 工程背景

該混合梁斜拉橋的橋跨布置為（40+188+55） m（圖1），主橋采用無背索斜拉橋，主梁采用等高度弧形截面梁，主跨及輔助孔采用鋼結(jié)構(gòu)箱梁，邊跨采用混凝土箱梁。其中混凝土梁長74.45 m，鋼梁長208.33 m。

鋼-混結(jié)合面設(shè)在主跨，距塔中心19.5 m處，結(jié)合段長2.0 m，鋼-混結(jié)合段采用C50自密實、微膨脹混凝土。結(jié)合段鋼箱梁側(cè)端部設(shè)置多格室結(jié)構(gòu)，在隔室中填充混凝土，通過格室鋼板與混凝土的摩擦力傳遞軸力、剪力和彎矩。鋼格室腹板上設(shè)置PBL剪力鍵、承壓板上設(shè)置栓釘以提高鋼混結(jié)合段的傳力性能。為使鋼箱梁與混凝土箱梁結(jié)合緊密，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行連接?？紤]填充混凝土應(yīng)力分散所必要的面積、格室內(nèi)焊接空間、構(gòu)件加工制作可行性等因素，鋼格室高度取800 mm。為使鋼箱梁節(jié)段截面特性逐漸過渡，結(jié)合段鋼箱梁側(cè)鋼梁頂板、底板U型加勁肋設(shè)置倒T型加勁板進(jìn)行過渡，截面過渡段長度3 500 mm;該節(jié)段頂、底板厚度局部加厚至20 mm，腹板局部加厚至24 mm，結(jié)合段布置見圖2。

2 數(shù)值仿真分析模型

采用通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行仿真分析。鋼混結(jié)合段內(nèi)力傳遞主要通過承壓板、PBL剪力鍵以及鋼壁面與混凝土之間粘結(jié)摩阻三種途徑。由于結(jié)合段受力復(fù)雜，傳力路徑較多，傳統(tǒng)的梁單元模型難以準(zhǔn)確評價其受力特征。根據(jù)圣維南原理，在鋼混結(jié)合段左、右各截取5 m長的梁段，并基于對稱性，對左側(cè)1/2截面進(jìn)行建模分析。鋼-混結(jié)合段PBL連接鍵采用MPC約束方式將PBL剪力鍵孔壁與混凝土節(jié)點進(jìn)行耦合連接，剪力釘則簡化為在剪力釘處綁定鋼板與混凝土節(jié)點實現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力筋采用等效集中力的形式施加于混凝土梁端錨固端對應(yīng)位置。

分析模型中混凝土結(jié)構(gòu)采用三維實體單元C3D8R模擬，共100 632個單元;鋼箱梁采用板殼單元S4R模擬，共165 642個單元。有限元模型見圖3。

模型邊界設(shè)置為混凝土箱梁端完全固定，在鋼箱梁端施加全橋分析得到的荷載，見圖4。施加的荷載包括混凝土箱梁及鋼箱梁自重、預(yù)應(yīng)力以及施工、運營階段荷載。

主要針對施工及運營階段的2個關(guān)鍵工況進(jìn)行分析，2個工況荷載見表1。

3 有限元仿真分析結(jié)果

鋼混過渡段的受力分析主要包括混凝土箱梁過渡段、鋼箱梁過渡段、鋼混剪力鍵連接結(jié)合段3個部分，混凝土箱梁過渡段主要研究混凝土箱梁過渡段截面縱向應(yīng)力，鋼箱梁過渡段主要研究鋼箱梁與鋼混結(jié)合段分界面的應(yīng)力分布、鋼箱梁頂板、腹板的應(yīng)力過渡段及縱向應(yīng)力過渡。鋼混結(jié)合段主要研究剪力連接件及各構(gòu)件應(yīng)力分布。

3.1 拆除滿堂支架工況

拆除滿堂支架工況下鋼-混結(jié)合段各部位應(yīng)力水平見圖5～圖7。

從圖5可以看出，鋼箱梁過渡段頂板最大Mises應(yīng)力247 MPa，出現(xiàn)在頂板與中腹板、結(jié)合段承壓板相連處。中腹板上側(cè)壓應(yīng)力峰值為-252 MPa，下側(cè)拉應(yīng)力峰值為71.8 MPa，表現(xiàn)出明顯的受彎特征。邊腹板靠近承壓板位置PBL剪力鍵處應(yīng)力水平較高，整體應(yīng)力水平-119～197 MPa，加勁肋應(yīng)力水平在-243～46.4 MPa。

從圖6可以看出，結(jié)合段頂部靠近承壓板一側(cè)PBL剪力鍵應(yīng)力水平較高。除第一列PBL剪力鍵外，結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力值為-94～262 MPa。結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力梯度較低，應(yīng)力分布較為均勻。

從圖7可以看出，混凝土過渡段邊腹板與栓釘板連接位置剪應(yīng)力較大，其余部位剪應(yīng)力分布均勻，范圍在-22～4.8 MPa。隨著實心混凝土段的延伸，截面剪應(yīng)力分布逐漸趨向均勻，頂?shù)撞考魬?yīng)力大，中間部分剪應(yīng)力小。

3.2 6車道偏載工況

6車道偏載工況下鋼-混結(jié)合段各部位應(yīng)力水平如圖8～圖10所示。

從圖8可以看出，鋼箱梁過渡段頂板最大Mises應(yīng)力215 MPa，出現(xiàn)在頂板與中腹板、結(jié)合段承壓板相連處。中腹板上側(cè)壓應(yīng)力峰值為-216.7 MPa，下側(cè)拉應(yīng)力峰值為64.2 MPa，表現(xiàn)出明顯的受彎特征。邊腹板靠近承壓板位置PBL剪力鍵處應(yīng)力水平較高，整體應(yīng)力水平-187～227 MPa，加勁肋應(yīng)力水平在-181～19.5 MPa。

從圖9可以看出，結(jié)合段頂部靠近承壓板一側(cè)PBL剪力鍵應(yīng)力水平較高。除第一列PBL剪力鍵外，結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力值為-84.9～283 MPa。結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力梯度較低，應(yīng)力分布較為均勻。

從圖10可以看出，混凝土過渡段邊腹板與栓釘板連接位置剪應(yīng)力較大，其余部位剪應(yīng)力分布均勻，范圍在-17～2 MPa。隨著實心混凝土段的延伸，截面剪應(yīng)力分布逐漸趨向均勻，頂?shù)撞考魬?yīng)力大，中間部分剪應(yīng)力小。

4 結(jié)束語

本文對于無背索混合梁鋼-混結(jié)合段關(guān)鍵荷載工況下結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性與合理性進(jìn)行了局部有限元仿真分析與評估，結(jié)論：

（1）2種關(guān)鍵荷載工況下，鋼-混結(jié)合段承壓板、加勁肋、PBL剪力板、栓釘剪力板、中腹板與邊腹板與等關(guān)鍵傳力部位整體應(yīng)力處于較低水平，混凝土應(yīng)力在頂板及底板位置較大，中間部分應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)安全水平較高。

（2）鋼混結(jié)合段及過渡段的主要構(gòu)件應(yīng)力梯度較小，鋼混結(jié)合段傳力整體流暢、均勻，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理。

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