石首長江公路大橋主梁鋼混結合段設計及有限元分析

魏奇芬，丁望星，葉文海

（1.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，湖北 武漢430051；2.湖北交通職業(yè)技術學院 湖北 武漢430079）

1 工程概況

石首長江公路大橋位于長江兩湖平原地理中軸線，連接潛江、江陵、石首、華容等地，是潛江至石首高速公路跨越長江的一座控制性橋梁工程[1]，也是素有“九曲回腸”之稱的長江下荊江河段的首條過江通道。橋址位于湖北省荊州市石首市長江碾子灣附近，項目建設總里程為39.723km，其中長江大橋長10.454km，由主橋、灘橋和引橋組成。

長江大橋采用設計速度100km/h的六車道高速公路標準，橋面寬33.5m（不含布索區(qū)）；汽車荷載等級公路-Ⅰ級；主橋采用主跨816m雙塔不對稱混合梁斜拉橋方案，橋跨布置為（75+75+75）m+820m+（300+100）m；主梁鋼混結合面設于北塔附近，并伸入主跨距北塔中心線26.5m；北邊跨采用混凝土主梁，長251.5m；中跨和南邊跨采用鋼主梁，全長1193.5m，見圖1。

2 主梁鋼混結合段設計

2.1 主梁鋼混結合段受力特點

混合梁斜拉橋通常是指斜拉橋主跨采用重量輕的鋼梁、邊跨采用剛度好的混凝土梁。主跨采用重量輕、抗彎能力強的鋼梁以加大跨越能力，邊跨采用重量重、剛度大的混凝土梁可以起到很好的錨固作用，且造價較低。該橋型充分利用了鋼與混凝土兩種材料各自的優(yōu)良特性，形成了較好的結構受力體系，得到較為廣泛的工程應用[2,3]；但鋼混結合段是主梁兩種不同材料的連接點，主梁剛度和強度在此發(fā)生突變，在結構力學上為不連續(xù)點，容易導致該處應力集中，從而形成了構造上的弱點。

石首大橋主橋總體計算結果表明，成橋狀態(tài)主梁鋼混結合面最大軸向壓力為264136.8kN，運營狀態(tài)主梁鋼混結合面最大軸向壓力為288165.3kN，最大正彎距為45778.6kN·m，最大負彎距為-70767.2kN·m，以上內力均計入了預應力效應。考慮到石首大橋主梁鋼混結合段需要承受近30萬kN的軸力，因此合理確定主梁鋼混結合段的位置和連接構造型式，流暢地傳遞主梁內力（包括軸力、剪力、彎矩和扭矩）及變形，減小附加內力、避免應力集中和變形折角，提高主梁鋼混結合段傳力能力、抗疲勞性和結構耐久性，是本橋結構設計時優(yōu)先解決的關鍵技術問題。

2.2 主梁鋼混結合段構造設計原則

鋼混結合段是混合梁設計的關鍵部位之一[4]，其作用是保證鋼梁和混凝土梁之間的剛度過渡的勻順與力傳遞的通暢。根據主梁鋼混結合段受力特性，其構造設計應遵循以下原則：

（1）調整鋼箱梁、混凝土箱梁的斷面尺寸，使得兩側斷面形心位置一致，避免出現彎矩突變；同時要求兩側主梁頂、底板和腹板重心盡量重合，以防止主梁鋼板產生局部彎曲和失穩(wěn)。

（2）鋼混結合段的構造設計應保證剛度和強度均順過渡，外形與鋼梁和混凝土梁保持一致。

圖1 橋型布置示意圖（單位：cm）

（3）鋼混結合面應配置一定數量的預應力，以抵抗荷載作用下主梁鋼混凝土結合面局部可能出現的拉應力。

（4）鋼混結合段位置和構造合理，能較順暢地傳遞主梁各項內力及變形，同時結合段及剪力鍵也應具有良好的抗裂性、抗疲勞性和耐久性。

（5）鋼混結合段施工便利，施工質量容易保證。

2.3 主梁鋼混結合段位置選擇

主梁鋼混接合面宜設置在內力和撓度幅度變化較小的位置，同時充分考慮施工的可行性、便利性和經濟性；接合面處主梁軸力大可以減少鋼混結合段預應力配置，接合面處彎矩和豎向位移變化小，可以降低鋼混結合段疲勞應力幅，提高結構的耐久性[5]。

通過比較，最終將石首大橋主梁鋼混結合面設置于北塔附近的主跨側，第1對斜拉索附近；鋼混結合面距北塔中心線26.5m，該處主梁軸力大、彎矩和豎向位移幅度小。

2.4 主梁鋼混結合段構造

石首大橋是一座主跨820m的超大跨度混合梁斜拉橋，根據該橋跨度大、橋面寬、主梁軸力巨大的特點，鋼混結合段構造采用了帶PBL剪力鍵的多鋼格室、部分連接填充混凝土的構造方案；鋼混結合段全長5.2m（見圖2），其中鋼格室通過鋼箱梁加強段與鋼箱梁連接，其內填充自密式混凝土，鋼箱梁加強段采用在U肋中間加設T形加勁的方式，長2.0m（見圖3）。為保證混凝土澆注時在鋼格室內能夠自由流動，在鋼格室頂板上開設澆注孔，腹板上設置連通孔。為保證鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結合，在結合段還設有預應力鋼筋；

圖2 主梁鋼混結合段構造圖（單位：mm）

圖3 主梁鋼混結合段局部構造三維圖（單位：mm）

考慮填充混凝土應力擴散的需要、鋼格室內焊接空間、預應力筋作業(yè)空間、填充混凝土施工的便利性等因素，箱形鋼格室的結構尺寸設計為長2.0m、高 0.8m、標準寬 0.6m、0.79m；考慮混凝土骨料流動的需要，鋼格室腹板及抗剪鋼板上開有65mm圓孔，并穿過20mm鋼筋與進入該圓孔的混凝土包裹在一起形成鋼筋混凝土剪力鍵（PBL鍵），該剪力鍵具有剛度大、強度高，抗疲勞性能好等優(yōu)點（見圖4）。為增加后承壓鋼板與鋼格室內填充混凝土連接有效性，在兩者接觸部位設置直徑22mm，高200mm的剪力釘群。

圖4 鋼混結合段鋼格室構造三維模型圖

3 鋼混結合段整體計算分析

3.1 鋼混結合段整體計算模型

以石首大橋主梁鋼混結合段為主要研究對象，為盡可能消除邊界條件及加載對結合段的影響，建立計算模型時，取主梁鋼混結合面附近相連接的鋼箱梁、鋼箱梁加強段、鋼混結合段和混凝土梁段共四部分進行建模。計算模型全長26m，其中鋼箱梁部分取鋼箱梁加強段（長3.2m）以外7個橫隔板間距的鋼箱梁節(jié)段，長度16.8m，混凝土箱梁部分取結合段（長2.0m）以外長度為6.0m的混凝土箱梁。

模型材料均按線彈性考慮，混凝土采用C55，鋼箱梁主體采用Q345qD，材料參數按規(guī)范取值。在鋼－混凝土組合結構分析中，采用如下假定：

（1）截面變形過程中遵循平截面假定；

（2）鋼板與混凝土板之間粘結可靠，即不考慮結合面相互滑移；

（3）整體計算模型中未考慮普通鋼筋、抗剪鋼板及PBL鍵的作用，在下節(jié)將單獨提取鋼格室建立局部模型進行計算分析；

（4）鋼板的局部屈曲和焊接殘余應力忽略不計。

結構應力分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，鋼箱梁采用空間板殼單元SHELL63，混凝土梁段采用實體單元SOLID65。

由于鋼混結合段處主梁剪力和橫向彎矩很小，故計算僅考慮主梁豎向彎矩和軸力對結合段的影響，取結合段鋼箱梁側最不利工況組合內力。軸力直接按等效節(jié)點荷載施加于鋼箱梁端部截面，彎矩先分解成力偶再按等效節(jié)點荷載施加于鋼箱梁邊界節(jié)點上[6]；預應力考慮25%的預應力損失，并按等效節(jié)點荷載直接施加于鋼格室承壓板上。受計算規(guī)模限制，并考慮到構造和受力的對稱性，選取對稱結構建立結合段模型，見圖5、圖6。

圖5 鋼箱結合段部分模型

圖6 模型荷載及邊界條件

3.2 鋼梁應力分析結果

鋼梁應力分析結果見圖7、圖8。

圖7 加強段鋼結構VonMises應力

圖8 結合段處鋼結構VonMises應力

鋼混結合段鋼格室與混凝土共同受力，鋼梁應力通過承壓板、開孔板連接件逐漸傳遞至鋼格室內的混凝土，鋼梁應力較為均勻。承壓板在與U肋和T肋焊接處及錨墊板附近有應力集中區(qū)，最大應力值為225.756MPa，但未超出鋼材屈服強度；排除應力集中點，結合部位鋼構件應力較低，且過渡均勻，絕大部分區(qū)域均控制在100MPa內。鋼混凝土結合部鋼構件在最不利組合下，Von Mises應力均小于容許值231MPa，滿足規(guī)范要求。

3.3 混凝土梁應力分析結果

混凝土梁應力分析結果見圖9、圖10。

圖9 填充混凝土梁段主拉應力

圖10 填充混凝土梁段主壓應力

鋼混結合段鋼格室內混凝土受力較為均勻。在預應力鋼束錨固區(qū)、內腹板和頂板相交區(qū)域存在明顯的應力集中現象，剔除應力集中區(qū)后，鋼混結合段位最不利組合作用下絕大部分混凝土主壓應力小于19.44MPa，主拉應力小于2.65MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4 鋼格室單元局部分析模型

采用ANSYS有限元程序建立一個獨立、完整的鋼格室局部模型。頂板處鋼格室寬0.6m（橫橋向），高0.8m，長2.0m（順橋向）。底板處鋼格室寬0.8m（橫橋向），高 0.8m，長 2.0m（順橋向）。鋼格室內PBL鍵及填充混凝土均采用實體單元（SOLID45和SOLID65），鋼格室外壁采用板殼單元（SHELL63）。模型中不考慮鋼板與混凝土的粘接摩阻力，假定鋼與混凝土之間的剪力傳遞全部由PBL鍵承擔；模型中也未考慮由φ25mmHRB335鋼筋與其環(huán)包混凝土之間的粘結－滑移效應，假定為共同作用，且不考慮鋼格室內填充混凝土中普通鋼筋及剪力釘的作用。

計算荷載取其鋼格室單位承受的最不利荷載，并考慮25%的預應力損失，按等效節(jié)點荷載施加于錨墊板表面。彎矩換算為力偶后也轉化為軸力，故將軸力和彎矩按等效節(jié)點荷載施加于鋼格室后面承壓板上。鋼格室端面（混凝土側）邊界固結，鋼格室兩側腹板為正對稱約束。荷載、邊界條件見圖 11、圖12。

圖11 正對稱約束示意圖

圖12 荷載及邊界條件示意圖

鋼格室前、后兩端為截面變化處，鋼與混凝土兩種材料間的作用力傳遞顯著。鋼格室的鋼結構部分和填充混凝土的受力基本滿足規(guī)范要求。考慮到承壓板對鋼與混凝土相對滑移的限制，連接件受力較小，仍有較大的安全儲備。

4 結語

石首大橋主梁設計按照“承壓－傳剪”復合傳力模式的設計思路，采用了帶多格室結構的后承壓板式鋼混結合段，具有如下顯著的結構特點和先進性：

（1）設置長度2m的鋼格室結構進行傳剪。既提高了鋼混結合段傳遞軸力的能力，又實現了主梁剛度和傳力的勻順過渡，克服了傳統鋼混結合段易產生局部應力集中現象的缺點。

（2）采用了帶孔鋼板（PBL剪力鍵）進行傳力。PBL剪力鍵強度高，具有良好的剛度和延性，從而提升了鋼混結合段的疲勞性能。

（3）摒棄傳統的現澆工藝，采用創(chuàng)新性的預制拼裝工藝。即邊跨混凝土主梁先節(jié)段預制，存梁后與鋼主梁拼裝、填充結合段鋼格室自密式混凝土，大幅降低了混凝土收縮徐變效應的影響，提高了鋼混結合段的耐久性。

通過有限元分析可知道，石首大橋主梁鋼混結合段構造合理、受力可靠、傳力平滑，PBL鍵剛度大、承載能力高、疲勞性能優(yōu)良，主梁鋼混結合段中鋼與混凝土的相對滑移量小，能滿足石首大橋構造受力的需要。

參考文獻：

[1]湖北省交通規(guī)劃設計院,中交公路規(guī)劃設計院有限公司.石首長江公路大橋施工圖設計圖紙[Z].2016.

[2]姚亞東,楊永清,劉振標,等.鐵路箱形混合梁斜拉橋鋼一混結合段有限元分析[J].橋梁建設,2015,45(1):45-50.

[3]聶建國,劉 明,葉列平.鋼一混凝土組合結構[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[4]陳開利,余天慶,習剛.混合梁斜拉橋的發(fā)展與展望[J].橋梁建設,2005(2):1-4.

[5]張志平,賈偉紅.鄂東長江公路大橋主梁鋼混結合部位置的選取[J].公路,2017(2):118-122.

[6]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].同濟大學學報,2005(6):742-746.