環(huán)巢湖白石天河大橋主梁鋼混結(jié)合段設(shè)計

劉伏成

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽合肥 230088)

0 引言

混合結(jié)合梁能很好的發(fā)揮混凝土與鋼材各自的優(yōu)勢、便于施工和節(jié)省投資而得到廣泛的運用。而鋼混結(jié)合段則是混合梁的關(guān)鍵部位之一，其作用是保證鋼梁與混凝土梁之間的剛度過渡的勻順與力傳遞的順暢；鋼混結(jié)合段構(gòu)造及應(yīng)力分布均較復(fù)雜,也是混合梁設(shè)計的關(guān)鍵之處[1]。

1 白石天河大橋概況

白石天河主橋跨徑布置為（75+135+40）m,全長250 m,為獨塔三跨的單索面塔梁固結(jié)體系斜拉橋,由于邊中跨比例過小,主梁采用混合梁,為單箱五室箱型斷面,主梁中心處梁高2.8 m,主梁頂面寬27.5 m,底面寬13.5 m。

圖1 白石天河大橋布置圖(單位:m)

2 鋼混結(jié)合段設(shè)計

結(jié)合段位置的合理性與可靠性是影響混合梁橋設(shè)計、施工的關(guān)鍵問題。混合梁橋確定結(jié)合段沿橋縱向所在位置時,既要確保鋼梁(或組合梁)與混凝土梁段的合理比例,以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布,同時也要盡量使結(jié)合段位于內(nèi)力較小的位置,以簡化結(jié)合段的構(gòu)造并方便施工[2]。結(jié)合段在構(gòu)造上應(yīng)使梁體外形協(xié)調(diào)一致,盡量避免剛度和強度的突變,保證結(jié)合段具有很好的抗疲勞性能和耐久性[3]。結(jié)合結(jié)構(gòu)受力,施工方便,白石天河大橋鋼混接頭設(shè)置在離塔中心15 m處。

白石天河大橋主梁鋼-混結(jié)合段長4.3 m,其中1.6 m為混凝土區(qū)域,2.7 m為鋼箱梁階梯承壓過渡區(qū)域。鋼-混結(jié)合段采用部分連接承壓板方式,端部設(shè)置承壓板,其中承壓板厚度為50 mm,由承壓板直接傳力,傳力直接,構(gòu)造簡單,施工方便。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁預(yù)應(yīng)力穿過承壓板直接錨固于承壓板上。承壓板背面與混凝土連接采用圓頭焊釘以及開孔鋼板連接件進行連接,保證了鋼-混結(jié)合段力的可靠擴散和傳遞。

2.7 m鋼箱梁階梯承壓過渡區(qū)域,通過在鋼箱梁設(shè)置變高度T型加勁肋,保證了截面剛度的平順過渡。鋼-混結(jié)合段鋼箱梁頂板采用18 mm厚鋼板,底板采用20 mm厚,腹板加厚至24 mm。

圖2 白石天河大橋鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖

鋼-混結(jié)合段工廠加工成整體,起吊后在支架上安裝固定。為了方便混凝土的澆注及自由流動,鋼-混結(jié)合段的混凝土側(cè)頂板上開設(shè)澆注孔,在上角點及適當位置設(shè)置出氣孔,在下角點預(yù)留壓漿孔；為了保證連接的可靠性,結(jié)合段內(nèi)側(cè)鋼板設(shè)置開孔鋼板抗剪連接件,混凝土梁內(nèi)鋼筋穿過預(yù)留孔與結(jié)合段連成整體。

3 鋼混結(jié)合段局部空間應(yīng)力分析

結(jié)構(gòu)計算盡可能消除邊界條件對混合梁段的應(yīng)力影響,鋼梁部分取用長度 12 m,混凝土梁段取用長度 11 m。鋼混結(jié)合段長 1.6 m。不考慮靠近橋塔側(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土梁實心段的影響。

由縱向總體計算中得到的模型端部截面的最大彎矩、最大軸力、最大剪力和最大扭矩分別對應(yīng)的另三項內(nèi)力進行試算,最終采用的最不利荷載組合將軸力、剪力按等效節(jié)點荷載施加于鋼梁段邊界,彎矩和扭矩分解為力偶按等效節(jié)點荷載施加于鋼梁段邊界節(jié)點上[4]。

計算采用通用有限元軟件 ANSYS,梁段混凝土采用 SOLID45單元,鋼箱梁及鋼格室采用標準單元庫中的Shell63彈性板殼單元,預(yù)應(yīng)力采用集中力模擬[5]。

鋼梁計算結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 結(jié)合段鋼梁mises應(yīng)力分布圖(單位：MPa)

圖4 鋼格 mises應(yīng)力(單位：MPa)

圖5 鋼梁底板T肋mises應(yīng)力(單位：MPa)

圖6 鋼梁頂板PI肋 mises應(yīng)力(單位：MPa)

混凝土梁計算結(jié)果見圖7-圖10。

圖7 混凝土梁順橋向正應(yīng)力（單位：MPa）

圖8 混凝土梁主拉應(yīng)力（單位：MPa）

圖9 混凝土梁主壓應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖10 混凝土梁主壓應(yīng)力（單位：MPa）

上述計算結(jié)果表明：

（1）結(jié)合段在恒載及活載作用下傳力明確可靠,構(gòu)造合理。計算結(jié)果表明結(jié)合段鋼梁各構(gòu)件的應(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)力擴散均勻;結(jié)合段內(nèi)無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）結(jié)合部位的開孔板連接件及焊釘連接件布置合理,各連接件對剪力的傳遞安全可靠,開孔板連接件的應(yīng)力水平均滿足要求。

（3）鋼梁加勁過渡段的穩(wěn)定性滿足要求,應(yīng)力過渡平順,無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（4）混凝土梁過渡段受力性能良好,過渡段混凝土大部分區(qū)域均處于受壓狀態(tài),小范圍有拉應(yīng)力、,但拉應(yīng)力較小,混凝土梁過渡段基本滿足抗裂性滿足要求。

（5）結(jié)合段主梁剛度過渡平穩(wěn),在荷載作用下變形沿順橋向的變化很平緩,轉(zhuǎn)角很小。鋼梁的局部變形很小,不會對行車產(chǎn)生影響,滿足剛度過渡的平穩(wěn)性要求。

（6）組合梁結(jié)合段、鋼梁過渡段及混凝土梁過渡段的受力性能較好,各構(gòu)件的應(yīng)力變形水平均較為合理,結(jié)構(gòu)滿足安全性及耐久性要求。

4 結(jié)論

（1）白石天河大橋鋼混接頭采用密貼承壓板方案連接承壓板方案,通過承壓板將鋼梁上的力傳遞到混凝土橫梁上,構(gòu)造簡單,傳力明確,施工方便。

（2）鋼混接頭位置根據(jù)試算結(jié)果設(shè)置在主梁彎矩、剪力較小處,同時也要考慮施工方便,鋼梁運輸?shù)纫蛩亍?/p>

（3）在荷載作用下,主梁鋼混結(jié)合段具有復(fù)雜的空間受力特性,進行空間分析是非常必要的；鋼混結(jié)合面處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,特別在腹板與頂?shù)装褰唤硬课?應(yīng)力有可能超出材料的設(shè)計強度,構(gòu)造上應(yīng)采取相應(yīng)措施,避免實際結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

（4）主梁結(jié)合段內(nèi),箱梁中腹板應(yīng)力常大于邊腹板的應(yīng)力。

（5）在結(jié)合段混凝土梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力錨固點應(yīng)力集中很快就趨于均勻,在實際結(jié)構(gòu)中一般不會對結(jié)構(gòu)造成不利影響。

[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]劉玉擎.混合梁結(jié)合部設(shè)計技術(shù)的發(fā)展[J].世界橋梁,2005(4)：9-12。

[3]周穎,徐資,段乃民.湛江海灣大橋鋼—混凝土梁結(jié)合段受力分析[J].中外公路,2006(5)：120-122。

[4]蘇慶田,吳沖,董冰.斜拉橋扁平鋼箱梁的有限混合單元法分析[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2001(6)：742-746。

[5]張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實例[M].北京：人民交通出版社,2003.