鐵路獨塔混合梁斜拉橋鋼-混結合段應力分析

謝國紅

(中鐵十五局集團第一工程有限公司 西安 710000)

隨著大跨度斜拉橋的發展，鋼-混結合梁斜拉橋由于橋下凈空高、橋梁高度小、結構剛度大、同時可以合理利用混凝土的抗壓與鋼結構的抗拉性能等優點，被廣泛使用。

混合梁斜拉橋主跨采用鋼箱梁，優點在于其跨度大、自重輕、剛度大、承載能力強[1-2]。鋼-混結合段是連接鋼箱梁與混凝土梁的過渡結構，與邊跨混凝土梁及主梁鋼箱梁相連，是整座橋梁受力的關鍵結構之一。由于結合段是材料與結構特性的突變點，其傳力機理、剛度設計、疲勞性能都是影響橋梁安全的重要因素。

國內外眾多學者對鋼-混結合梁進行了相關研究[3-4]，主要對鋼箱梁與混凝土之間的黏結力、剪力釘經驗荷載破壞、連接鍵縱向抗剪能力等進行分析與探討。蒲黔輝等[5-6]以寧波甬江特大橋為背景，對影響結合段受力性能的結構設計參數進行了探討。由于鐵路斜拉橋有別于公路斜拉橋，其鋼-混結合段設計與受力性能有一定區別。本文以潛江鐵路支線跨漢江特大橋為依托，基于midas Civil建立的整橋模型確定鋼-混結合段所受荷載，對鐵路斜拉橋的鋼-混結合段受力特點進行分析，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

潛江鐵路支線跨漢江特大橋橋跨布置為32 m+50 m+93 m+260 m+38 m，主橋位于±2.5%的縱坡上，平面位于直線上。混凝土梁體采用C55混凝土，鋼-混結合段采用C55補償收縮混凝土；普通鋼筋采用HPB300和HRB400。其中主梁由混凝土箱梁和鋼箱梁2部分組成，混凝土部分主梁全長195.2 m，為等高梁，邊支座中心線至梁端0.75 m，支座橫橋向中心距離4.2 m，鋼-混結合段位于主梁中跨距索塔23 m處，總體布置見圖1。

圖1 岳口江漢特大橋總體布置圖(單位：m)

2 模型的建立

2.1 總體模型建立

采用midas Civil建立潛江鐵路支線跨漢江特大橋整橋模型，全橋共394個單元，506個節點，其中主梁211個單元，橋塔99個單元。橋墩處約束采用固結支撐模擬，斜拉索采用只受拉的桁架單元模擬，橋塔及主梁用梁單元模擬，鋼-混結合段通過修改結合段材料容重使其與實際重量等效，相應彈性模量通過剛度換算進行等效模擬，整橋模型如圖2。

圖2 整橋midas Civil模型

2.2 鋼-混結合段模型的建立

采用midas FEA建立鋼-混結合段受力有限元模型。邊梁采用C55混凝土，鋼-混結合段采用補償收縮混凝土，縱向預應力筋采用抗拉強度標準fpk=1 860 MPa，彈性模量為Ep=195 GPa，單個公稱直徑為15.2 mm的高強度鋼絞線，鋼束型號為HRB335；豎向預應力抗拉強度標準值fpk=830 MPa，彈性模量Ep=200 GPa的預應力混凝土用螺紋鋼筋；鋼箱梁主材采用Q345qD。模型見圖3與圖4。

圖3 結合段FEA模型幾何圖(黑色為剪力釘)

圖4 結合段FEA模型有限元圖(固結)

將混凝土箱梁端面進行固定約束，使模型成為懸臂結構，同時以鋼箱梁過渡段端面形心處節點為主節點，使鋼箱梁過渡段端面形成剛域，并在主節點上懸臂加載。

以截面形心節點為主節點形成剛性域，并在該形心節點處施加各種工況荷載。這種加載方法會導致鋼箱梁截面局部區域應力偏大，結果失真，在建立模型時通過預留一定長度來減小這種方法對分析帶來的不利影響，即預留了多余的混凝土梁段。根據圣維南原理，分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關；荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布。從原理上分析，遠離該固結截面處的受力情形與實際設計情況較為符合。故分析加載時主要靠近鋼過渡段區，以便分析的結果更接近真實情況，邊界約束見圖4。

2.3 荷載工況

模型加載時將2個方向的彎矩等效為同作用的力偶，扭矩也同樣處理。分析控制包括鋼梁與承壓板，橫隔板等組成整體的鋼殼單元、鋼-混結合段內填充混凝土單元、混凝土梁單元、剪力釘、預埋在填充混凝土中的預應力鋼束；荷載包括作用于鋼梁橫截面的軸力、縱橋與橫橋向的剪力和彎矩、作用于鋼-混段的扭矩、自重，以及預應力鋼束張拉產生的預應力。根據潛江鐵路支線跨漢江特大橋靜力計算結果確定鋼-混結合段在短期組合和彈性組合下的荷載，對midas FEA所建模型進行加載。

3 計算結果

3.1 midas Civil計算結果

整體模型軸力及彎矩見圖5及圖6。可以看出，無論軸力還是彎矩在鋼-混結合段處均有明顯突變，原因是鋼-混結合段截面大、剛度大。靠近主塔一側的混凝土梁由于自身截面大，由鋼箱梁傳遞的應力反而不大，在靠近主塔處軸力為8 551 kN,結合段僅5 984 kN，鋼箱梁則達到53 200 kN；在靠近主塔處彎矩為3 159 kN·m,結合段僅1 626 kN·m，鋼箱梁則達到29 321 kN·m。

圖5 midas Civil軸力圖

圖6 midas Civil彎矩圖

3.2 midas FEA計算結果

根據midas Civil計算所得鋼-混結合段受力，對midas FEA模型進行加載，見圖7。

圖7 荷載加載示意圖

混凝土的縱向應力分布見圖8。

圖8 混凝土縱向應力

由圖8可知，混凝土的主壓應力整體水平不高，基本處于-3.5 MPa以下水平，只有在靠近預應力鋼束錨固處和固結端的局部位置有較高的應力集中，最高為-6.3 MPa；混凝土縱向應力由鋼梁端向混凝土梁端遞增，其中橋面中心處應力最大，橫橋向應力的變化趨勢也與整體相似。

鋼殼的縱向應力分布見圖9。

圖9 鋼殼縱向應力

由圖9可知，鋼殼的整體應力分布變化相差不大，其大多數的應力值均在-2.5～-3.11 MPa間，其變化趨勢是由加載端向混凝土固結端逐漸變小，在靠近混凝土固結端時出現部分應力集中，其極值達到-4.99 MPa，同時在鋼殼靠近混凝土固結處上緣有小部分的拉應力;在鋼殼內部,承壓板與鋼格室橫隔板交界處和承壓板鋼梁外殼交界處出現部分應力集中的現象;承壓板的應力分布從四周向中心逐漸減小,數值在-2.21～-1.53 MPa間。

鋼-混結合段整體的縱向應力分布見圖10。

圖10 整體縱向應力

由圖10可知，其上緣部分受壓，變化趨勢為由加載端向固結端逐漸增大，其數值基本在12.3 MPa以下；在鋼梁上緣近混凝土固結處出現應力集中，其極值達到23.09 MPa;下緣部分受拉，其變化趨勢為固結端向加載端逐漸減小，其數值基本在-23.16 MPa以下；在鋼梁下緣近混凝土固結處出現應力集中，其極值達到-34.7 MPa。

4 結論

1) 鋼-混結合段受力合理，滿足運營要求；同時傳力較為復雜，在鋼-混結合段內部中腹板和承壓板的邊界焊縫處容易產生應力集中，應保證施工質量。

2) 通過承壓板和剪力釘都有應力、應變分布可以推論在鋼箱梁的應力傳遞過程中，鋼-混結合段內的剪力釘和承壓板都承擔傳遞力，并且承壓板和剪力釘在傳遞過程中承擔大部分軸力。

3) 由承壓板的應力、應變分布可以得出，承壓板在鋼-混結合段中的作用主要是使內力在其自身厚度范圍內得到進一步擴散，從而能夠均勻地傳遞至混凝土箱梁中。

4) 通過數據分析可以得出，剪力釘在鋼-混段剪力的傳遞過程中分擔約40.12%，而承壓板則分擔31.83%，剪力釘比承壓板承擔傳遞的力更多。

[1] 嚴國敏.現代斜拉橋[M].成都：西南交通大學出版社,1996.

[2] 田曉青.混合梁鋼-混結合段傳力機理研究[D].上海：同濟大學,2008.

[3] 胡建華,葉梅新,黃瓊. PBL剪力連接件承載力試驗[J].中國公路學報,2006,19(6):65-72.

[4] 曼亞平.洋浦大橋鋼-混結合段試驗研究[D].長沙：中南大學,2011.

[5] 蒲黔輝,周陽,施洲.鐵路混合梁斜拉橋鋼-混結合段受力及參數分析[J].橋梁建設,2016,46(1):12-17.

[6] 王向陽，夏小勇，韓麗麗，等.獨塔斜拉橋鋼拱塔豎轉施工風致抖振響應分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2012，40(2)251-255，260.

[7] 周友權.鐵路新型鋼-混組合獨塔部分斜拉橋設計研究[J].鐵道標準設計,2017,61(3):82-87.