大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋主橋受力特性分析

裴憲誠

（山東高速暢通路橋工程有限公司，山東 高密 261500）

0 引言

在對大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋的研究中發現，橋體邊緣、中跨區域等，均是采用混凝土進行梁架搭設的，相比常規橋梁結構，該結構的橋體具有中橋重力跨度均衡、剛性顯著、造價成本低等優勢，因此，與該結構相關橋梁已經在我國公路橋梁施工中廣泛應用。自我國建成首座混合梁結構橋體，并投入市場應用后，市政單位就開始重視對該結構橋體的研究。根據有關人員的研究成果可知，鋼-混結合區段是橋體承載作用力的關鍵部位，因此鋼-混區段在受力后的穩定性也成了影響主橋安全性的評估關鍵[1]。綜合文獻檢索成果，周陽等研究學者通過構建鋼-混區段結構模型的方式，對橋體受力進行了模擬與分析，并提出了主橋在實際應用中的傳力機理，證明了鋼-混結構在主橋中，整體應力水平相對較低，因此可認為該結構的疲勞受力能力相對較強[2]。該文將綜合文獻檢索成果，對大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋在投入使用中，主橋的受力特性進行分析，并設計一種適用于分析過程的方法，致力于通過該方式，為我國市政工程中的橋梁建設項目施工，提供力學方面的指導意見。

1 鋼混組合結構理論分析

鋼混組合是指在型鋼或鋼板等鋼結構周圍澆筑混凝土，使鋼結構與混凝土合二為一，鋼材料與混凝土結合后，二者之間存在機械咬合力和套箍力，因此能夠共同工作。在連續剛構橋中，主跨鋼梁與邊跨預應力混凝土之間是橋梁的重要組成。鋼混結合段的傳力原則是以鋼梁中的補強部分將鋼梁自身所受的應力分散出去，這些應力通過承壓板、鋼混黏連力等共同作用傳遞到混凝土中，再傳導到主梁上。

鋼混結合部分可以簡要分為無格室和有格室2 種，其中無格室又可分為前承壓板、后承壓板、連接件式、端承壓板4 種；有格室可以分前后承壓板、前承壓板、后承壓板3 種。

有格室前后承壓板優勢在于混凝土箱梁部分澆筑較為容易，且大部分的軸力由前后板及格式中的鋼構件來承擔，且承壓板的應力較為分散；有格室有承壓板式優勢在于有變截面有利于緩解鋼梁剛度，且各勁肋之間的應力傳導較為流暢，使格式內部應力較為均勻；無格室承壓板優勢在于內部勁肋可有效分散承壓板所受應力，鋼混結合部分易于澆筑，且質量較高；無格室中頂底板與承壓板組合式的優勢不僅包括上述優點，還包括用勁肋來降低剛度變化幅度。下面對剛構橋主橋的受力特性進行分析。

2 剛構橋主橋受力特性分析方法

2.1 構建大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋主橋有限元模型

大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋主要以跨徑布置為主，形成雙塔混合箱結構梁斜拉橋，為探究該橋梁結構中主橋的受力特性分析，以某橋梁為例，對其進行有限元模型構建[3]。該橋梁規格為（2×45+210+550+165+4×45）m，承載兩線鐵路，包括250km/h 客運專線和預留120km/h 客貨共線。主橋采用鋼—混合梁結構，鋼梁整體采用單箱三室扁平鋼箱梁。利用ANSYS 有限元模型構建軟件，將該橋梁主橋各個結構參數輸入，獲得1 個主橋有限元模型。結構參數主要包括主橋建設材料、材料密度等。表1 為主橋有限元模型相關參數對照表。

表1 主橋有限元模型相關參數對照表

該文主要針對主橋結構的受力特性進行分析，因此在構建有限元模型時，將主橋受力作為模型函數的目標，因此進一步得出主橋受力模型的目標函數如公式（1）所示。

式中：K為主橋受力有限元模型目標函數，即主橋受力；σ為主橋受到極限荷載的壓力后，梁結構能夠承受的最大應力大小；dτ為主橋在建設過程中選用材料的最大強度；d為在主橋受到極限荷載壓力時，主橋大跨度中心位置上的撓度；[d]為主橋受到極限荷載壓力時，主橋大跨度中心位置上的撓度上限；T為主橋在投入使用后其橋梁自身的總質量。結合圣維南原理以及對稱性原則，選擇該主橋結構上鋼—混合梁階段40.8 m 范圍以內的箱梁結構并建模，在該模型的對稱面上施加相同的約束條件[4]。在模型中，可通過對鋼結構、混凝土結構和剪力釘等進行分單元模擬。結合該橋梁結構的實際情況得出，模型中共包含1 524 252 個節點，單元數量為2 045 422 個。在該主橋有限元模型中，鋼板結構被平均劃分為多個四邊形單元，混凝土結構被平均劃分為多個六面體單元。因此，根據上述公式（1），結合ANSYS 有限元模型構建軟件完成對其受力特性分析模型的構建。

2.2 繪制主橋橋梁位置與應力曲線

利用上述構建的主橋有限元模型，對主橋橋梁位置與應力的對應關系進行分析，并繪制位置—應力曲線，以便對主橋受力特性進一步分析[5]。為了找到主橋結構中頂、底板等應力分布規律，該文以該主橋上的3 個截面作為分析對象，對其進行編號，分別為ZQ1-DB1、ZQ1-DB2、ZQ1-DB3。分別在主橋橋梁與承壓板的不同縱向距離上，對主橋順橋向正應力進行測量[6]。完成測量后，將相關的參數結果進行記錄并從3 個截面中選擇2 個位置與應力變化最明顯的曲線，針對最不利負彎矩工況作用下沿垂直方向上不同橫向位置的主橋結構垂直位移和角度，并繪制成如圖1 所示的主橋橋梁位置—應力曲線圖。

從圖1 可以看出，在不同承重板的縱向距離上，依次被劃分為3 個不同階段和結構，不同階段分別為鋼—混結合段、鋼梁過渡段和鋼梁標準段；不同結構分別為承壓板結構、橫隔板結構1 和橫隔板結構2。圖1 中虛線為主橋頂板結構的縱向截面；實線為主橋底板結構的縱向截面。從圖1中可以看出，隨著與承重板垂直方向上的距離不斷增加，頂板結構的應力在鋼—混結合段和鋼梁過渡段都呈現出明顯上升的趨勢，而在鋼量標準段逐漸表現出下降的趨勢變化情況[7]。而底板結構的應力在3 個不同階段都呈現出逐漸下降的趨勢。從圖1 中可以看出，2 組曲線并不平滑，因此進一步說明在主橋結構上鋼梁頂板和底板的應力分布不均勻，在邊箱梁位置上最為明顯，具有明顯的剪力滯后效應。該主橋上述受力特性具有典型性，能夠代表大部分大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋主橋的位置與應力變化對應關系。

圖1 主橋橋梁位置—應力曲線圖

2.3 繪制主橋橋梁豎向位移與轉角曲線

為進一步探究主橋結構的剛度和變形特性，還需要沿上述選取的典型截面，對主橋結構上各個面抗彎剛度以及形心到截面距離上的轉角變化情況進行記錄，并繪制主橋橋梁豎向位移—轉角曲線，如圖2 所示。

通過對承壓板和橫隔板1 位置上主橋縱向距離和轉角變化參數進行記錄，得出1 條相對平滑的曲線。從圖2 中可以看出，在最不利負彎矩工況作用條件下，鋼—混結合段的轉角變化存在波動現象，此時鋼結構側的轉角相對較大，而在混凝土段的轉角基本沒有出現明顯的變化，從整體上來看，主橋梁承壓板和橫隔板結構1 上轉角的變化并不顯著[8]。當主橋受到最不利負彎矩工況的影響，在垂直方向上的位移分布總體上呈現出較為平緩的變化，在主橋結合面的兩側并沒有出現較為明顯的突變現象。

圖2 主橋梁縱向距離—轉角曲線圖

2.4 基于雙曲線的主橋受力特性分析

基于上述主橋橋梁位置—應力曲線和主橋梁縱向距離—轉角曲線，對主橋受力特性進行綜合分析。在主橋鋼—混結合段的不同長度位置上，對其應力分布情況進行分析。在確保各個結構不發生改變的前提條件下，分別選擇鋼—混結合段上的多組不同長度，通過調整主橋有限元模型上的相關參數，對其進行有限元仿真計算分析[9]。針對不同長度下的鋼—混結合段，通過調整頂板結構和底板結構長度、預應力長度等，改變其鋼—混結合段長度。完成上述操作后，分析在最不利負彎矩工況條件下的主橋受力情況。由于該文僅針對某一大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋主橋的受力特性進行分析，但在實際應用中，不同橋梁解耦股其相關參數量綱可能不同，因此數值上會存在一定的差異，但參數的變化情況基本保持不變。為了確保該文提出的分析方法能夠適用于不同結構的大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋主橋，該文在完成上述操作后，還需要對相關參數進行歸一化處理，如公式（2）所示。

式中：R為通過歸一化處理后得出的相關參數分析結果；V為帶入有限元分析模型中的樣本參數；Vmin為帶入有限元分析模型中樣本參數的最小值；Vmax為帶入有限元分析模型中樣本參數的最大值。因此，根據上述公式，對得出的分析結果進行歸一化處理，進一步提高該方法的實用性。

3 實驗論證分析

該文通過上述理論研究，提出了一種針對大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋主橋的受力特性分析方法，為了進一步探究該方法在實際應用中的優勢，將其與傳統分析方法分別帶入同一座該類型的橋梁建筑中，并針對其受力特性進行分析。該橋梁結構整體采用120 m+150 m+120 m 跨度，該橋梁包括鋼—混結合段、鋼梁過渡段和鋼梁標準段。在該橋梁的主橋位置上隨機選擇5 個不同位置，并分別標號為ZQ001、ZQ002、ZQ003、ZQ004、ZQ005。利用2 種分析方法對該主橋結構上的5 個位置節點進行受力特性分析，并將其各個階段的最大應力分析結果進行記錄，并與實際應力大小進行比較。得出的數據結果越接近實際數值，則說明該分析方法的分析結果越準確，反之得出的數據結果與實際數值相差越大，則說明該分析方法的分析結果越不準確。結合上述內容，完成此次對比實驗，并將2 種受力特性分析方法得出的結果記錄見表2。

從表2 中的數據可以看出，該文方法得出的分析結果與傳統方法得出的分析結果更接近實際各個位置上的應力大小。因此，通過對比實驗證明，該文提出的大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋主橋受力特性分析方法在實際應用中能夠針對主橋相關參數對受力特性進行更加準確地分析，為后續橋梁施工和維護提供更加可靠的數據依據。

表2 2 種受力特性分析方法實驗結果對比表

4 結語

該文通過結合實際大跨徑鋼-混合梁連續剛構橋項目，將其作為依托，針對其主橋的受力特性提出了一種全新的分析方法。通過對比實驗進一步證明，該文提出的分析方法能夠有效解決傳統分析方法在應用中存在的問題，并針對各個受力特性參數給出其相應的數值和變化曲線，對主橋受力特性更加直觀地分析。在后續的研究中，還將針對其他不同類型的橋梁建筑，對其受力特征進行分析，以此提高該文分析方法的適用性范圍。