江灣大橋鋼混結(jié)合段特性分析

陳海斌，李保木

1.廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010

2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641

1 工程概況

江灣大橋橫跨北江，通航等級為內(nèi)河Ⅲ級，單孔雙向通航，通航凈寬160m、凈高10m；北江寬約400m，深約10m，航道靠北江南岸。結(jié)合河道和航道特點，采用獨塔鋼混組合梁斜拉橋，主塔位于北江北岸水域，橋跨布置為33m+102m+183m=318m，為半漂浮體系。

江灣大橋主跨為超寬鋼箱梁結(jié)構(gòu)體系，除了拉索處的橫隔板，縱向還設(shè)置了桁架式或?qū)嵏故綑M隔板，鋼箱梁自重輕，能提高斜拉橋的跨越能力，但剛度小，需在邊跨配置混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，提高主跨剛度，并在鋼箱梁和混凝土箱梁銜接處設(shè)置鋼混結(jié)合段。由于北江水深較深，為避免在水中大量搭設(shè)支架增加混凝土段澆筑的困難，江灣大橋鋼混結(jié)合段設(shè)置在?軸往主跨方向17.4m的位置，與常規(guī)的獨塔鋼混組合梁設(shè)置在主塔往主跨方向偏移的位置不同。

鋼混結(jié)合段有整體式、填充混凝土整體式、填充混凝土直接式和承壓板式等，該橋采用較為成熟的有格室后承壓板形式，鋼混結(jié)合段頂部42.5m，橫向劃分為14個鋼格室，鋼格室隔板設(shè)置了PCL鍵，鋼格室腹板和縱腹板上開有Φ60mm圓孔，并穿過貫通的直徑20mm的HRB400鋼筋。鋼混承壓界面采用50mm厚的鋼板，將鋼箱梁主梁傳遞過來的內(nèi)力過渡到混凝土箱梁。鋼箱梁過渡加強段、鋼混剪力連接段、混凝土橫梁的長度分別為3.75m、2.7m和1.5m，鋼混結(jié)合段附近的混凝土梁還設(shè)置了過渡加強段。鋼混結(jié)合段位置鋼箱梁過渡加強段頂、底板、腹板厚度為25mm，比標(biāo)準(zhǔn)段鋼板偏厚，并采用加高T肋的方式對標(biāo)準(zhǔn)段的U肋上進行加強，確保了標(biāo)準(zhǔn)段U肋到鋼混結(jié)合段傳力的連續(xù)性。混凝土箱梁與鋼混結(jié)合段之間除了上述的連接方式，普通鋼筋也通過焊接到鋼結(jié)構(gòu)上的方式對鋼混結(jié)合段進行加強。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 建模概述

有限元實體分析能夠解決三維桿系單元整體模型不能解決的問題，如細(xì)部構(gòu)造的應(yīng)力、局部構(gòu)件的模擬等，局部模型的建立是邊界條件和荷載根據(jù)全橋整體計算得到的，包括模型兩端的彎矩、剪力和軸力。對于端部多節(jié)點的位置，則采用剛臂的形式將各個節(jié)點連接起來。模型分析了在最不利工況荷載組合下，鋼混結(jié)合段在典型成橋階段的空間受力性能。首先采用ANSYS Workbench中的幾何建模工具Design Modeler建立了鋼混結(jié)合段三維幾何模型（考慮到橋面及荷載以梁中心線為對稱軸，取一半結(jié)構(gòu)進行建模），通過自動劃分網(wǎng)格的形式建立了有限元模型，同時在模型中考慮了剪力釘、PBL剪力鍵等結(jié)構(gòu)間的連接作用，預(yù)應(yīng)力鋼束降溫桁架單元進行模擬，不考慮普通鋼筋的參與。

2.2 ANSYSWorkbench建模

為了節(jié)約計算成本，考慮局部分析的精度要求，結(jié)合圣維南原理，只取鋼混結(jié)合段前后鋼箱梁和加強段、2.7m的鋼混結(jié)合段、1.5m的混凝土橫梁以及混凝土加強段，建立的幾何模型如圖1所示。

圖1 江灣大橋鋼混結(jié)合段三維模型

2.3 有限元模型

由于鋼格室采用了膨脹混凝土，鋼混結(jié)合段局部模型不考慮混凝土材料的時變特性，包括收縮和徐變，有限元模型鋼板與橋面鋪裝層、剪力釘與PBL鍵、混凝土分別采用三維殼單元shell181、三維梁單元beam188和三維實體單元solid185進行網(wǎng)格劃分，如圖2～圖3所示。模型總單元數(shù)和總節(jié)點數(shù)分別為428226和485392。

圖2 鋼混結(jié)合段有限元網(wǎng)格

圖3 鋼混結(jié)合段剪力釘和PBL剪力鍵鋼筋網(wǎng)格

2.4 結(jié)果分析

從成橋狀態(tài)最不利荷載組合下的局部應(yīng)力分析結(jié)果可知，鋼混結(jié)合段縱橋向始終處于全截面受壓狀態(tài)。鋼箱梁加強段、鋼混結(jié)合段及預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)力水平總體較低，表明鋼混結(jié)合段結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，具有足夠的安全儲備，如圖4～圖6所示。

圖4 鋼混結(jié)合段鋼箱梁等效應(yīng)力圖

圖5 鋼混結(jié)合段鋼箱梁縱橋向應(yīng)力圖

圖6 剪力釘最大組合應(yīng)力圖

（1）鋼混結(jié)合段由于存在眾多的鋼格室，在承壓板、鋼格室與混凝土黏結(jié)的位置均會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但應(yīng)力在結(jié)合面兩側(cè)一定距離會較為均勻。加強段鋼箱梁的U肋及T肋與承壓板的交界處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼箱梁加強段承壓板、內(nèi)腹板及底板交匯處的等效應(yīng)力，最大達到175MPa。U肋及T肋與橫隔板的交界區(qū)域存在等效應(yīng)力最大達到212MPa的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）鋼混結(jié)合段混凝土縱橋向應(yīng)力分布沿高度方向分層較明顯，承壓面兩端的應(yīng)力沒有出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，說明在鋼混結(jié)合段兩側(cè)的剛度過渡較為合理。

（3）鋼箱梁T肋承擔(dān)了較大一部分軸力，對力的傳遞和分散作用明顯。內(nèi)外腹板附近頂板、U肋及T肋縱橋向應(yīng)力變化較大，其他橫橋向位置底板、U肋及T肋應(yīng)力差值較小。

3 結(jié)論

文章結(jié)合有限元分析軟件ANSYS Workbench對江灣大橋鋼混結(jié)合段建立鋼混結(jié)合段有限元模型進行分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）在最不利工況組合荷載作用下，鋼混結(jié)合段鋼格室整體應(yīng)力水平較低，但在局部鋼板開孔和焊接部位易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；橫隔板對鋼混結(jié)合段傳力影響較小，但可增強結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。

（2）鋼混結(jié)合段內(nèi)混凝土梁應(yīng)力水平較低，混凝土與承壓板、剪力鍵及預(yù)應(yīng)力鋼絞線接觸的位置會出現(xiàn)應(yīng)力集中和較大拉應(yīng)力，結(jié)合面混凝土整體處于受壓狀態(tài)，受力合理。

（3）鋼混結(jié)合段鋼格室各板沿縱向應(yīng)力變化較平順，應(yīng)力水平較低。鋼混結(jié)合段頂板截面被注漿孔削弱，鋼板應(yīng)力水平會增大，在設(shè)計過程中需合理設(shè)置注漿孔的位置、數(shù)量等。