自錨式纜索承重橋梁鋼混結合部接觸面應力分析＊

李斐然

（河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司 鄭州 450052）

0 引 言

自錨式纜索承重橋梁的主梁往往需要承受較大的軸力，因而特別適合在主跨采用鋼梁，邊跨采用混凝土梁，鋼梁屬于薄壁構件，截面面積較小，允許應力值較高，混凝土梁截面面積較大，允許壓應力比鋼材小近10倍，鋼混結合段的作用就是要將鋼材的高應力通過局部構造設計過渡到混凝土的設計允許應力范圍內，以保證鋼梁與混凝土梁在成橋后的共同受力.混合梁的鋼混結合［1－3］位置由于構造復雜，形狀不規則，施工難度大，剛度顯著突變等原因，被認為是薄弱的局部構件.比如日本鶴見航道橋（主跨510m全鋼斜拉橋）在投入運營不久就發現橋塔鋼混連接段混凝土部分出現較寬的豎向裂紋，對結構的安全性和耐久性產生了不利的影響［4］.

鋼梁與混凝土梁之間的接觸面受力狀態［5］是鋼混結合部設計的關鍵，是分析鋼混結合部傳力機理和應力分布的基礎，對于鋼混結合段的研究目前可采用試驗模型或有限元法［6－10］，相比而言，試驗模型所需的費用高周期長，結構構造形式不易改動；有限元法則具有易于實現速度快，可分析多種構造形式的特點.本文采用大型通用有限元軟件ANSYS對鋼梁與混凝土梁的接觸面進行研究，通過不同構造下接觸面的應力分布特點，確定合理的鋼混結合部構造形式，為合理設計自錨式纜索承重橋梁的鋼混結合部提供理論依據.

1 工程概述

圖1 某跨海大橋主梁斷面（單位：cm）

某跨海大橋為雙塔雙索面自錨式斜拉－懸索協作體系橋，采用了修正的狄辛格體系，懸索段與斜拉段結合處設置兩組交叉吊索.橋梁全長664 m，主跨400m，邊跨132m，其中懸索段長136 m，矢跨比為1／6.667，斜拉段長140m，懸索段采用鋼箱梁，斜拉段采用混凝土箱梁，斷面布置如圖1所示.斜拉段采用懸臂法施工，懸索段設置臨時地錨后可按照常規的懸索橋施工方法進行，因此鋼混結合段的位置由于施工方法的限制不能像梁橋或斜拉橋一樣有較大的選擇空間，最適合的布置只能是在斜拉索與吊索的交叉區域.

結合部的構造要能傳遞軸力、剪力和彎矩，具有良好的變形協調能力，同時要考慮剛度的變化和行車舒適性.本文以已建成橋梁的結合部構造形式為參考，設計的跨海大橋鋼混結合段采用混凝土截面內置剪力鍵的結合方案，混凝土主梁邊腹板與頂底板外包鋼板與鋼箱梁一致，形成外包鋼箱梁.結合部的構造布置如圖2所示.

圖2 鋼混結合段構造圖 （單位：mm）

2 鋼混結合部分析模型

2.1 計算假定

在分析過程中，采用下列4條假定：（1）鋼梁與混凝土梁的接觸面不發生滑移；（2）忽略接觸面之間的靜摩擦力；（3）忽略接觸面鋼板上栓栓連接件對鋼混接觸面的影響；（4）假定栓栓剪力連接件只傳遞剪力，忽略其在拉拔作用下的承載力.

采用上述假定是因為主纜錨固在加勁梁上從而為接觸面提供了強大的軸向壓力，且接觸面的滑移會由于抗剪連接件的作用而受到限制，而抗剪連接件對接觸面的正應力貢獻不大.這些假定降低了模型的復雜度，保留了影響接觸面受力的關鍵因素.

2.2 有限元模型的建立

在鋼混結合部空間應力分析的計算模型中接觸面兩側的鋼梁和混凝土梁分別取5m以上的較長距離，采用只受拉單元LINK10模擬預應力鋼絞線，采用COMBIN39非線性彈簧單元通過定義力－變形曲線模擬剪力連接件的剪切滑移特性，板殼單元SHELL63模擬正交異性橋面板、加勁肋、頂底板和腹板等薄壁結構，實體單元SOLID65模擬混凝土箱梁，其中對接觸面位置的混凝土單元采用六面體網格以保證接觸面應力分析精度，鋼梁與混凝土梁的接觸位置采用與之相同的網格大小，如圖3a）所示.有限元模型共包含126 119個SOLID65單元，28 034個SHELL63單元，566個LINK10單元，4 980個 COMBIN39單元，233 034個節點.圖3b）為有限元模型計算的單元圖，由于結構形式對稱，在分析時只取一半結構.

計算參數：鋼梁采用Q345型鋼材，容重78.5 kN／m3，彈性模量為210GPa，泊松比0.3，線膨脹系數1.2×10－5；預應力鋼絞線張拉控制應力為1 023MPa，容重78.5kN／m3，彈性模量為195 GPa，線膨脹系數1.2×10－5℃－1；鋼筋混凝土箱梁采用C50混凝土，容重26kN／m3，彈性模量為34.5GPa，線膨脹系數1.0×10－5℃－1.

圖3 結合段有限元網格

2.3 荷載工況

本文考慮恒載和活載作用的組合，取鋼混結合部鋼梁端部截面處的4種荷載工況：（1）截面彎矩最小；（2）截面彎矩最大；（3）截面軸力最小；（4）截面軸力最大.其中彎矩以截面下緣受拉為正，軸力以受拉為正.表1所列為1.0×恒載＋1.0×活載組合下截面4種工況下的內力狀態，對結合段施加的內力包括軸力、剪力和彎矩，其中彎矩的加載按照表面邊界法進行，軸力和剪力則按照均布力施加在端截面上.

表1 鋼混結合段鋼梁側內力

由表1可見，工況1和工況2作用下，鋼混結合段軸力最小彎矩最大，對結合段的受力最不利，此后的應力分析也將只考慮這2種荷載工況.

3 計算結果及分析

3.1 混凝土梁側接觸面應力水平

圖4所示為不考慮加勁肋和預應力作用時混凝土側接觸面的正應力云圖，此時截面的應力分布極不均勻，只在鋼梁頂底板和腹板位置有壓應力，應力集中現象明顯，其中工況二時混凝土局部壓應力最大，為14.23MPa.工況一截面的上緣和工況二截面的下緣壓應力儲備均較小，前者在－2.97和－1.30MPa之間，后者在－1.76和0.02MPa之間.如果同時考慮其他荷載的作用，則鋼梁與混凝土梁的邊緣存在脫離的危險.

圖4 不考慮加勁肋和預應力的接觸面混凝土側正應力云圖（單位：MPa）

只考慮加勁肋的作用而不考慮預應力時接觸面混凝土側的正應力云圖如圖5所示，與圖4相比，截面的應力分布變得均勻，應力集中點的最大應力值明顯變小，但同樣存在壓應力儲備不足的問題，這是因為加勁肋的布置只是分散了應力而不能提高壓應力儲備.

圖5 不考慮預應力的接觸面混凝土側正應力云圖（單位：MPa）

同時考慮加勁肋和預應力的作用時接觸面混凝土側的正應力云圖如圖6所示，與圖4相比，工況一截面的上緣和工況二截面的下緣壓應力儲備均明顯提高，并且截面的應力分布均勻性較好，這樣就能抵抗更大荷載的作用而在截面上不較早出現拉應力.

圖6 考慮加勁肋和預應力的接觸面混凝土側正應力云圖（單位：MPa）

圖6 兩工況下的應力分析結果表明，結合段的設計對截面的受力是合理的，鋼梁與混凝土梁接觸面均較好的保持了受壓狀態，應力分布比較均勻，最大壓應力為15.31MPa，滿足C50混凝土局部抗壓的應力要求，并且頂板、底板、加勁肋板和腹板處，鋼梁與混凝土梁之間處處受壓，也就避免了鋼混接觸位置裂縫的產生.

3.2 鋼梁側接觸面應力水平

鋼結構雖然強度較高，但為了減少用鋼量一般采用較大的腹板間距，因此可能存在剪力滯效應，造成局部應力過高，圖7所示為只將最大的剪力作用于計算模型的鋼梁側，取距離接觸面1m位置的鋼梁應力計算結果.圖7a）表明不考慮加勁肋板的作用（模式1）時鋼梁頂板的應力較大，剪力滯效應明顯，考慮加勁肋板的作用（模式2）后不但有效降低了鋼梁的應力，而且應力分布的均勻性得到明顯提高，只在加勁肋板和腹板位置應力有較大的變化.圖7b）表明在斜底板位置由于剛度較小，有效抗彎高度不足等原因，模式1下應力分布極為不均勻，考慮加勁肋板后的模式2應力分布同樣得到明顯的改善.

4 結 論

1）在鋼梁端部布置加勁肋能有效降低混凝土梁側接觸面的應力水平，提高接觸面的受壓面積.

圖7 鋼梁正應力分布

2）施加預應力荷載可有效的提高接觸面混凝土上下緣的壓應力儲備，從而使鋼混接觸面始終處于受壓狀態，不會出現裂縫，避免了接觸面的腐蝕和疲勞破壞.

3）加勁肋板的合理布置能有效抑制鋼梁的剪力滯效應，是提高結合段承載能力的有效方法.

4）鋼梁與混凝土梁之間特殊的連接方式使得結合部的受力非常復雜，結合部的應力水平與結構的構造方式有很大的關系，以接觸面分析為主的設計方法具有直觀便捷的特點，便于采取更有效的措施改進結合段的設計.

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