鋼混接頭局部受力分析

劉 博 朱 疆

（1.中鐵大橋勘測設計院集團公司 武漢 430050； 2.荊門九衢路橋工程有限公司 荊門 448000）

隨著橋梁建設的發展，鋼混組合的橋梁結構形式越來越多。鋼－混結合段是鋼梁和混凝土梁2種不同材質的箱梁對接過渡構造，結合部內力傳遞復雜，是控制設計的關鍵部位之一［1］。研究表明，鋼－混凝土組合結構在實際受力狀況與采用彈性模量比值換算成單一材料時計算結果存在一定差異。因此，對于鋼－混凝土結合段重要的受力

結構部位，需確保其有足夠的抗彎、壓、剪受力性能和鋼－混凝土連接強度。

1 結構模型

某混凝土箱型梁橋頂推施工，設置鋼箱型邊主梁做臨時導梁。見圖1。

圖1 橋梁立面布置示意圖（單位：mm）

計算采用ansysy軟件計算分析，鋼－混凝土結合段混凝土采用體單元模擬，鋼梁采用殼單元模擬［2］。整個結合段模型有單元25 000個，總共節點數為12 000個。計算模型見圖2。

圖2 計算模型圖

結合段分析模型混凝土梁遠端截面采用固結約束，在鋼梁遠端截面施加內力組合。荷載按照結合段各關心截面上的控制內力為依據。各斷面上的內力（軸力和剪力）都通過截面均布力施加到模型上，彎矩和轉矩則通過延伸一段剛臂施加力偶實現。鋼－混凝土結合處結構的模擬，在計算時忽略鋼板與混凝土的粘結作用，鋼板與混凝土之間通過剪力釘及PBL鍵傳遞。另外，通過耦合承壓板處的鋼板和混凝土節點模擬壓力接觸［3］。鋼－混凝土結合段整體仿真分析模型主要用以分析結合段各部分總體應力的分布情況、剪力釘以及PBL鍵的受力情況［4］。

2 計算結果

本文針對2個計算工況（最大剪力和最大彎矩工況），分別計算了混凝土梁端面、鋼梁、剪力釘的受力情況［5］。下面將分別進行闡述（注：結果圖形中，在未說明前提下，單位分別為k N，k N·m，k Pa）。

2.1 工況一。最大剪力工況

（1）混凝土梁結合面。工況一荷載作用下混凝土梁結合面應力情況見圖3～圖5。

圖3 混凝土結合面x向應力

圖4 混凝土結合面主拉應力

圖5 混凝土結合面主壓應力

根據圖3～圖5，縱向最大壓應力為－9.3 MPa，出現在承壓板與底板交接處的混凝土主梁；最大主拉應力為4.8 MPa，最大主壓應力為－12.3 MPa。

（2）鋼梁應力。工況一荷載作用下鋼梁應力情況見圖6，圖7。

圖6 鋼梁Von Mises應力

圖7 鋼梁縱向應力

根據圖6～圖7，縱向最大壓應力為－42.7 MPa，出現在底板與承壓板交接處；最大拉應力為43.9 MPa，出現在頂板與第一排剪力釘的交接處。最大von Mises應力為46.0 MPa。

（3）剪力釘。工況一荷載作用下，上緣剪力釘最大剪力為21.2 k N，出現在上緣剪力釘第一排處；下緣剪力釘最大剪力為5.9 k N，出現在下緣剪力釘第一排處。

2.2 工況二。最大彎矩工況

（1）混凝土梁結合面。工況二荷載作用下混凝土梁結合面應力情況見圖8～圖10。

圖8 混凝土結合面縱向應力

圖9 混凝土結合面主拉應力

圖10 混凝土結合面主壓應力

根據圖8～圖10，縱向最大壓應力峰值為－32.7 MPa，附近壓應力為－21.9 MPa左右，出現在承壓板與頂板交接處的混凝土主梁。

（2）鋼梁應力。工況二荷載作用下鋼梁應力情況見圖11，圖12。

圖11 鋼梁Von Mises應力

圖12 鋼梁縱向應力

根據圖11～圖12，結合面處縱向最大壓應力為－155.5 MPa，出現在頂板與承壓板交接處；最大拉應力為119.3 MPa，出現在底板與第一排剪力釘的交接處。最大von Mises應力為155.9 MPa。

（3）剪力釘。工況二荷載作用下，上緣剪力釘最大剪力為41.1k N，出現在上緣剪力釘第一排處；下緣剪力釘最大剪力為38.1 k N，出現在下緣剪力釘第一排處。

3 結論

（1）混凝土結合面在荷載作用下，最大壓應力峰值為－32.7 MPa，其余應力在16.5 MPa以下，鑒于有限元計算時峰值較實際值為大，且附近應力不高，在采取適當措施的情況下可滿足使用要求。

（2）鋼梁在荷載作用下，結合面附近鋼梁最大應力均未超過160.0 MPa，可以滿足使用要求。

（3）剪力釘在荷載作用下最大剪力為41.1 k N，均可滿足使用要求。

［1］ 劉玉擎.組合結構橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 劉玉擎.混合梁接合部設計技術的發展［J］.世界橋梁，2005（4）：9-12.

［4］ 占玉林，趙人達，毛學明，等.東平大橋鋼混凝土結合段模型試驗［J］.橋梁建設，2011（4）：20-24.

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