吳江學(xué)院路大橋鋼混結(jié)合段應(yīng)力分析

石雪飛 黃 力 阮 欣

（同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系 上海 200092）

0 引 言

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè)的興起，混合梁斜拉橋建設(shè)得到快速發(fā)展［1］.2010年建成的主跨達(dá)926m 的鄂東長江大橋和816m的荊岳長江大橋，均采用混合梁斜拉橋方案，相關(guān)研究探討了其結(jié)合段簡化計(jì)算方法以及合理構(gòu)造等，積累了較為全面的研究成果.鄂東長江大橋和荊岳長江大橋均為超大跨徑混合梁斜拉橋，雖研究成果具有普遍適用性，但對(duì)于中小跨徑獨(dú)塔混合梁斜拉橋，在受力和構(gòu)造上均有所不同.因此，為研究基于中小跨徑斜拉橋混合梁結(jié)合段的傳力機(jī)理和構(gòu)造形式，本文以吳江學(xué)院路大橋?yàn)槔M(jìn)行應(yīng)力分析.

吳江市學(xué)院路跨京杭運(yùn)河大橋采用123m＋75m 獨(dú)塔雙索面斜拉橋方案，塔、梁、墩固結(jié)，邊跨設(shè)置輔助墩.邊跨和主跨距離橋塔中心線22.1m內(nèi)為混凝土主梁，主跨其余部分設(shè)置為鋼主梁.主橋主梁形式為分離式雙邊箱主梁，如圖1所示為鋼主梁1／2橫斷面示意圖，圖2為混凝土箱梁1／2橫斷面示意圖.

圖1 斜拉橋鋼主梁橫斷面圖（單位：mm）

圖2 斜拉橋混凝土主梁橫斷面圖（單位：cm）

鋼箱梁與混凝土箱梁結(jié)合位置選擇在主跨第3號(hào)斜拉索錨固橫梁處.如圖3所示，結(jié)合段實(shí)體混凝土長度為1.5m，結(jié)合段鋼箱梁套在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁外側(cè)，并與其澆注成為一體.箱梁頂、底板及端承壓板通過開孔鋼板、焊釘與混凝土梁體連接成整體，并利用混凝土梁內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力和結(jié)合段縱向勁性骨架形成彎矩的傳遞.通過端承壓板緊貼在混合段鋼橫梁端面上傳遞軸向力［2］.梁中剪力通過開孔板中混凝土抗剪得到傳遞.2種梁體在結(jié)合段和鋼箱梁間設(shè)置了過渡段，長度為4.6m，通過在鋼箱梁上、下翼緣的U 形加勁肋上加焊T 肋并逐漸變高變寬，使結(jié)合段剛度突變得到緩解.

圖3 鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm）

1 空間有限元數(shù)值計(jì)算

1.1 模型建立

本橋主梁鋼混結(jié)合段共8m 長，為能真實(shí)模擬結(jié)合段最外側(cè)兩截面處受力情況，接近圣維南原理要求，實(shí)際建模中結(jié)合段分別向鋼主梁側(cè)延伸3m，向混凝土主梁側(cè)延伸4.7m，計(jì)算模型全長15.7 m，如圖4.結(jié)合段模型布置有2 對(duì)斜拉索，分別為WC3和WC4.

圖4 結(jié)合段局部模型在整體模型中示意圖（單位：m）

1.1.1 Miads模型 Midas空間桿系模型（見圖5）考慮了恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、沉降、溫度變化、收縮徐變作用.計(jì)算中根據(jù)規(guī)范對(duì)各種荷載工況進(jìn)行組合，確定局部模型受力最不利荷載工況組合.

圖5 Midas空間桿系模型

1.1.2 Ansys模型 先用大型通用有限元軟件Ansys建立全橋雙主梁桿系模型.主塔和主梁使用Beam188單元，拉索采用Link8 單元.橫梁使用Beam4單元，按實(shí)橋位置輸入，橫梁剛度取實(shí)橋等效剛度.

再利用Ansys建立鋼混結(jié)合段局部實(shí)體模型（見圖6），采用Shell63殼單元模擬鋼箱梁頂、底板及相關(guān)加勁肋、橫隔板等；采用Solid45單元模擬混凝土箱梁及相關(guān)混凝土橫隔板、橫梁；采用Link8［3］單元模擬梁體縱向、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束和斜拉索.預(yù)應(yīng)力和斜拉索索力采用附初應(yīng)變方法施加.

圖6 鋼混結(jié)合段實(shí)體模型示意圖

最后將鋼混結(jié)合段局部實(shí)體模型接入對(duì)應(yīng)Ansys空間桿系模型中，以鋼混結(jié)合段結(jié)合面為控制斷面，利用Midas空間模型得到各最不利工況組合與活載的影響線加載位置，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.圖7為鋼混結(jié)合段實(shí)體模型在全橋桿系模型中的計(jì)算示意圖.

圖7 鋼混結(jié)合段在全橋模型中位置示意圖

1.2 計(jì)算假定及荷載作用

1.2.1 計(jì)算假定 （1）鋼混結(jié)合段局部實(shí)體模型中假定鋼主梁與混凝土之間采用剛性連接.為驗(yàn)證此假定，建立考慮剪力釘、開孔板等構(gòu)造鋼格式精細(xì)化模型（見圖8）［4］，由計(jì)算結(jié)果可知鋼與混凝土之間相對(duì)位移在73μm 以下，故在整體模型計(jì)算中假定沒有相對(duì)滑移前提是成立，受篇幅限制略去詳細(xì)計(jì)算結(jié)果；（2）計(jì)算的各最不利工況組合及活載加載影響線位置取自Midas空間桿系模型結(jié)構(gòu)分析結(jié)果.

1.2.2 荷載作用 計(jì)算模型中考慮恒載、汽車活載、預(yù)應(yīng)力作用、基礎(chǔ)沉降、整體溫度變化作用、鋼混結(jié)合段混凝土收縮、徐變效應(yīng)、鋼混結(jié)合段梯度非線性溫度.

1.3 作用工況

鋼混結(jié)合段最不利受力狀態(tài)考慮了施工階段和成橋階段兩種狀態(tài)，以結(jié)合面為控制斷面，運(yùn)用Midas空間桿系模型進(jìn)行分析.得出在全橋整體計(jì)算中的四種最不利工況荷載組合：（1）結(jié)合面最大軸力工況；（2）結(jié)合面最大正彎矩工況；（3）結(jié)合面最大負(fù)彎矩工況［5］；（4）結(jié)合面最大剪力工況.再在ANSYS混合模型中按照上述荷載組合及影響線位置進(jìn)行活載加載.

圖8 鋼格室精細(xì)化模型

1.4 邊界條件

由于本研究是采用將鋼混結(jié)合段實(shí)體模型接入全橋空間桿系模型中進(jìn)行計(jì)算，不存在結(jié)合段邊界條件問題.在桿系模型與結(jié)合段實(shí)體模型接入點(diǎn)處采用剛域方法進(jìn)行連接.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 結(jié)合段鋼箱梁應(yīng)力

鋼混結(jié)合段總體應(yīng)力水平如圖9所示，分別為鋼梁段縱橋向和Mises應(yīng)力分布.在最大正彎矩工況下鋼梁段縱橋向應(yīng)力水平較低，結(jié)合段鋼梁縱橋向正應(yīng)力范圍在40～90 MPa之間.鋼混結(jié)合段鋼梁Mises應(yīng)力分布與縱橋向應(yīng)力相近，應(yīng)力水平一般在100 MPa以下，最大Mises應(yīng)力為142 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力［6］.

2.2 結(jié)合段混凝土應(yīng)力

鋼混結(jié)合段混凝土縱橋向和橫橋向正應(yīng)力分布如圖10，除斜拉索錨固區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力水平在－12～1.5MPa之間.在橫向負(fù)彎矩作用下，結(jié)合段混凝土懸臂板根部有較小拉應(yīng)力產(chǎn)生，建議增加橫橋向預(yù)應(yīng)力鋼束.在斜腹板處由于預(yù)應(yīng)力錨固存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象.

圖9 鋼混結(jié)合段鋼主梁應(yīng)力云圖

圖10 鋼混結(jié)合段混凝土應(yīng)力云圖

由圖11可知，鋼混結(jié)合段混凝土第一主應(yīng)力范圍在－1～1.5 MPa，在混凝土主梁斜腹板和左側(cè)實(shí)心箱室處出現(xiàn)較大主拉應(yīng)力，分別是由于該位置位于橫向預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)與斜拉索錨固區(qū)處.結(jié)合段混凝土第三主壓應(yīng)力水平大致在－11～0 MPa范圍內(nèi).

圖11 鋼混結(jié)合段混凝土主應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

1）鋼混結(jié)合段在恒載及活載作用下傳力明確可靠，構(gòu)造合理.計(jì)算結(jié)果表明結(jié)合段鋼梁各構(gòu)件應(yīng)力分布均勻，變形平順；結(jié)合段混凝土應(yīng)力變化平順，應(yīng)力擴(kuò)散均勻.

2）利用有限元計(jì)算分析鋼混結(jié)合段應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，必須較準(zhǔn)確模擬結(jié)合段邊界條件與明確最不利荷載工況.可利用Midas建立全橋空間梁單元桿系模型，提供全橋內(nèi)力值與各計(jì)算最不利工況影響線，確定最不利工況荷載加載大小與位置，再利用ANSYS混合模型較真實(shí)模擬局部模型實(shí)際邊界條件.

3）鋼混結(jié)合段局部實(shí)體模型計(jì)算中，以鋼主梁與混凝土之間無滑移假設(shè)為前提.建立鋼格室精細(xì)化模型，計(jì)算結(jié)果表明，在其最不利荷載作用下鋼主梁與混凝土之間滑移非常小，可認(rèn)為兩者間無相對(duì)滑移.

［1］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.

［2］張仲光，黃彩萍，徐海鷹.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38（5）：117－120.

［3］王軍文，倪章軍，李建中，等.石板坡長江大橋鋼混結(jié)合段局部應(yīng)力分析［J］.公路交通科技，2007，24（8）：99－102.

［4］劉 榮，余俊林，劉玉擎，等.鄂東長江大橋混合梁結(jié)合段受力分析［J］.橋梁建設(shè)，2013（3）：33－35.

［5］張國泉，戴少雄.獨(dú)塔斜拉橋鋼混結(jié)合段應(yīng)力分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2007，23（3）：26－30.

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