混合梁斜拉橋鋼-混結合部力學行為有限元分析

章守峰，方詩圣，郝笛笛

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

橋梁工程是基礎設施中的關鍵性樞紐，在交通運輸和社會發展中起著非常重要的作用。近年來，組合結構已經被越來越多地應用于橋梁工程，精細化結構分析已逐步成為實現橋梁安全與經濟的重要方法?；旌狭盒崩瓨蛞蚱浣Y構性能良好，具有一定的技術優勢且經濟效益顯著，得到迅速發展，如世界最大跨徑非對稱混合梁斜拉橋——湖北嘉魚長江公路大橋、江西九江長江公路大橋等均為混合梁斜拉橋。

混合體系斜拉橋是指中跨采用鋼結構、邊跨采用混凝土結構的組合體系橋梁，于20世紀70年代興起[1]?；旌象w系減小了主跨梁體內力及變形，降低了邊跨支點負反力，加大了橋體的跨越能力，能有效發揮鋼材與混凝土材料的特性，節約成本，經濟性顯著[2]?；旌象w系斜拉橋通常采用鋼-混結合段進行鋼結構與混凝土結構的連接。鋼-混結合段是一種混凝土結構與鋼結構的組合結構，主要通過鋼絞線束及剪力釘形成的組合錨固體系進行鋼箱梁橫隔板與混凝土箱梁的連接[3]。由于鋼材、混凝土材料自身特性存在極大差異，鋼-混結合段連接構造、受力復雜，設計時易出現薄弱環節，可能會給橋梁日常運營埋下諸多結構安全隱患，同時鋼-混結合段也是斜拉橋主梁結構剛度突變點，傳力機理十分復雜，容易引起局部應力集中，甚至導致結構失效。因此，弄清混合梁斜拉橋鋼-混結合段結構受力及內力傳遞規律顯得尤為重要。

鋼-混混合梁充分利用鋼材的質輕、高強和混凝土的良好的抗壓能力、較為經濟、技術成熟等屬性，在受力性能和造價等方面具有顯著優勢，近年來被廣泛應用于大跨徑的斜拉橋、連續梁橋主梁上。鋼-混結合段是混合梁斜拉橋的關鍵結構，其受力性能直接影響整個橋梁結構的安全性及可靠性。鋼-混結合部使得鋼主梁與混凝土主梁相互結合、共同受力，滿足二者之間剛度過渡平順、傳力合理，是鋼-混混合梁受力最關鍵的環節，其構造與施工也非常復雜，開展相關力學性能研究顯得尤為重要。目前尚無統一的理論用于計算和評估其極限承載能力和局部受力性能，因此對鋼-混結合段的研究通常有模型試驗和數值模擬兩種方式。由于鋼-混結合部整體體量大，開展模型試驗研究耗資過大，試驗周期較長，難以保證縮尺模型的測量精度，且各個工程中鋼-混結合段的構造細節差異很大，導致研究成果對工程實踐的參考價值有限，致使結合部的有限元精細化仿真分析成為必要的替代方案。本文結合安徽省滁州市襄河大橋的設計工作，以130 m邊跨混合梁鋼-混結合部為研究對象，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立局部三維模型，在四組不同軸力、剪力和彎矩的設計工況下，對鋼-混結合部的受力狀況進行有限元計算分析，為類似混合梁斜拉橋設計提供了借鑒與參考。

1 工程背景

襄河大橋是京滬高鐵滁州站至滬漢蓉鐵路全椒站的連接線工程，主橋為585 m。結構形式為跨徑雙塔雙索面混合梁斜拉橋。若采用混凝土主梁，結構受力極不合理，故采用鋼主梁代替部分大邊跨混凝土主梁以減輕結構自重，跨中梁由鋼構骨架組成，

邊跨為鋼梁和混凝土混合梁。鋼梁與混凝土梁通過鋼-混結合段連接，鋼-混結合部位于主塔支座中心線水平距8.25 m。襄河大橋總體布置形式、鋼-混結合部縱剖面如圖1所示。

圖1 襄河大橋總體布置平面圖

2 鋼-混結合部模型建立與工況設計

2.1 模型概況

根據設計圖，結合部邊側鋼構嵌入塊長度為3.5 m，中部3處嵌入塊長度均為1 m，選取距結合面鋼梁段4 m、鋼-混梁段8.25 m區段為研究對象，根據結構對稱性，橫向簡化選取半模型，如圖2所示。

圖2 數值模型縱向研究范圍

2.2 模型前處理

假定模型材料為線彈性，不考慮結構缺陷；鋼材密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3；混凝土密度為2 500 kg/m2，彈性模量為3.55×104MPa，泊松比為0.2。數值模型中鋼-混結構采用實體單元Solid 90(20節點四面體單元，相比8節點可退化單元Solid 45、188、65計算精度更高)；鋼-混結合部采用多點約束(MPC)算法，認為鋼、混接觸面間無相對滑移；所選模型研究段考慮重力荷載及鋼梁端內力(利用橋梁博士系統計算內力)，其中重力通過設置9.8 m/s2慣性力實現，鋼梁端內力通過剛性面域法施加，自由度設于截面形心，內力作用于主節點(MPC 184單元)；鋼-混梁端節點全位移約束，中軸對稱面處節點采用對稱約束，鋼-混結合部幾何模型計算網格如圖3所示。

圖3 鋼-混結合部幾何模型計算網格圖

2.3 鋼-混結合部局部模型工況設計

鋼-混結合段主要承受軸力、彎矩作用，受剪力作用相對較小，結構以縱向受力為主，因此數值模擬工況中需要重點考慮軸向力和彎矩荷載。根據全模型分析結構內力情況，選擇分析如下6個設計荷載工況中的最大軸力、最小軸力、最大彎矩、最小彎矩4個重點工況進行計算分析。其中A-A截面為加載面，如圖4所示，設計荷載工況見表1。

圖4 AA截面示意

表1 AA截面內力

3 計算結果分析

3.1 鋼梁計算結果與分析

3.1.1 最大軸力工況

荷載組合形式為：軸力-85 337.2 kN，剪力4 872.7 kN，彎矩33 680.9 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應力、鋼梁段第一主應力如圖5、圖6所示。

圖5 鋼梁段軸向應力

圖6 鋼梁段第一主應力

鋼梁段軸向應力計算結果表明：鋼結構處應力峰值為116 MPa，為壓應力，位于結合部截面邊側鋼腹板處，上部橋面板應力峰值為25.4 MPa；鋼梁段第一主應力計算結果表明：鋼結構處應力峰值為118 MPa，位于結合部截面中軸處，上部橋面板應力峰值為4.72 MPa。

3.1.2 最小軸力工況

荷載組合形式為：軸力-10 304.5 kN，剪力2 099.7 kN，彎矩3 655.3 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應力、鋼梁段第一主應力如圖7、圖8所示。

圖7 鋼梁段軸向應力圖

圖8 鋼梁段第一主應力

鋼梁段軸向應力計算結果表明：鋼結構處應力峰值為117 MPa，受壓，位于結合部截面中軸線腹板處，上部橋面板應力峰值為26.2 MPa。鋼梁段第一主應力計算結果表明：鋼結構處應力峰值為139 MPa，位于結合部截面邊側，上部橋面板應力峰值為6.8 MPa。

3.1.3 最大彎矩工況

荷載組合形式為：軸力-90 103.7 kN，剪力5 186.7 kN，彎矩36 440.0 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應力、鋼梁段第一主應力如圖9、圖10所示。

圖9 鋼梁段軸向應力

圖10 鋼梁段第一主應力

鋼梁段軸向應力計算結果表明：鋼結構處應力峰值為125 MPa，受壓，位于結合部截面邊側腹板處，上部橋面板應力峰值為28.0 MPa。鋼梁段第一主應力計算結果表明：鋼結構處應力峰值為125 MPa，位于結合部截面中軸處，上部橋面板應力峰值為4.9 MPa。

3.1.4 最小彎矩工況

荷載組合形式為：軸力-98 278.6 kN，剪力1 785.8 kN，彎矩906.2 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應力、鋼梁段第一主應力如圖11、圖12所示。

圖11 鋼梁段軸向應力

圖12 鋼梁段第一主應力

鋼梁段軸向應力計算結果表明：鋼結構處應力峰值為116 MPa(壓)，位于結合部截面邊側腹板處，上部橋面板應力峰值為25.4 MPa(壓)。鋼梁段第一主應力計算結果表明：鋼結構處應力峰值為118 MPa，位于結合部截面中軸處，上部橋面板應力峰值為4.7 MPa，低于相關規范容許應力。

3.2 混凝土梁計算結果與分析

3.2.1 最大軸力工況

荷載組合形式為：軸力-85 337.2 kN，剪力4 872.7 kN，彎矩33 680.9 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應力、鋼梁段第一主應力如圖13、圖14所示。

圖13 混凝土梁段軸向應力

圖14 混凝土梁段第一主應力

混凝土梁段軸向應力計算結果表明：鋼-混結合面處應力值較大，遠離結合部區域應力分布較小且較為均勻，峰值為18 MPa。峰值點位于結合部截面中軸頂板處?；炷亮憾蔚谝恢鲬τ嬎憬Y果表明：鋼-混結合面處應力值較大，遠離結合部區域應力分布較為均勻，峰值為22.1 MPa,鄰近結合部截面中軸處。

3.2.2 最小軸力工況

荷載組合形式為：軸力-10 304.5 kN，剪力2 099.7 kN，彎矩3 655.3 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應力、鋼梁段第一主應力如圖15、圖16所示。

圖15 混凝土梁軸向應力

圖16 混凝土梁第一主應力

混凝土梁段軸向應力計算結果表明：鋼-混結合面處應力值較大，遠離結合部區域應力分布較小且較為均勻，峰值為18 MPa。峰值點位于結合部截面中軸頂板處?；炷亮憾蔚谝恢鲬τ嬎憬Y果表明：應力分布無明顯規律，結合面及邊側處應力值較其他位置更大，峰值為39.8 MPa，位于梁邊側底部。

3.2.3 最大彎矩工況

荷載組合形式為：軸力-90 103.7 kN，剪力5 186.7 kN，彎矩36 440.0 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應力、鋼梁段第一主應力如圖17、圖18所示。

圖17 混凝土梁段軸向應力

圖18 混凝土梁段第一主應力

混凝土梁段軸向應力計算結果表明：軸向應力分布較為均勻，峰值為23.9 MPa(壓)，峰值點鄰近結合部中軸截面下側?；炷亮憾蔚谝恢鲬τ嬎憬Y果表明：鋼-混結合面處應力值較大，遠離結合部區域應力分布較為均勻,峰值為22.6 MPa,鄰近結合部截面中軸頂板處。

3.2.4 最小彎矩工況

荷載組合形式為：軸力-98 278.6 kN，剪力1 785.8 kN，彎矩906.2 kN·m，在此種荷載組合下，鋼梁段軸向應力、鋼梁段第一主應力如圖19、圖20所示。

圖19 混凝土梁軸向應力

圖20 混凝土梁第一主應力

混凝土梁段軸向應力計算結果表明：鋼-混結合面處應力值較大，遠離結合部區域應力分布較小且較為均勻，峰值為17.2 MPa。峰值點位于結合部截面中軸頂板處?；炷亮憾蔚谝恢鲬τ嬎憬Y果表明：應力分布無明顯規律，結合面及邊側處應力值較其他位置更大，峰值為38.7 MPa，位于梁邊側底部。

4 結 論

采用大型通用元軟件ANSYS，在4組不同軸力、剪力和彎矩的設計工況下，對混合梁斜拉橋鋼-混結合部進行了數值模擬分析，計算得出在設計荷載作用下的受力性能，得到以下結論：

(1) 在靜力設計荷載作用下，鋼-混結合部內各構件的應力均低于標準梁段內的同類構件，且沿縱橋向變化平順，鋼-混結合部可以有效傳遞內力。部分區域存在應力集中現象，但仍滿足結構整體受力性能的要求。

(2) 在軸向力和彎矩的不同工況下，模型鋼梁過渡段、結合段和混凝土過渡段傳力順暢，沿縱橋向結構各部位應力變化勻順，滿足局部受力性能的要求。

(3) 數值分析結果與類似斜拉橋鋼-混結合部模型縮尺試驗結果在趨勢上基本吻合，也進一步驗證了采用非線性有限元分析是一種經濟、有效的研究手段，能夠在解決實際工程的同時增加經濟效益。