混合連續梁橋鋼混結合段實體受力仿真分析

李翔

（中鐵橋隧技術有限公司，江蘇 南京 210061）

0 引言

混合梁是近幾十年橋梁發展新的結構，但大都應用于斜拉橋中，由于混合梁的各方面的優勢逐漸被廣泛應用于連續梁橋。鋼混結合段是混合梁橋主橋中連接混凝土梁和鋼梁的關鍵部位[1]，其結構構造由鋼格室、室內混凝土、普通鋼筋、預應力鋼絞線及PBL剪力鍵等組成。

石雪飛等[2]對吳江學院路大橋鋼混結合段運用實體有限元軟件進行實體仿真分析，為設計和施工提供了可靠依據。姚亞東等[3]按1∶5設計了寧波甬江特大橋鋼混結合段的縮尺模型，對正常使用、超載、破壞三種工況進行了有限元分析和試驗論證。張景峰等[4]以烏蘇大橋為對象采用有限元對鋼混結合段部位的受力進行了非線性數值仿真分析。張景峰等[5]以烏蘇大橋為對象采用有限元對鋼混結合段部位的受力進行了非線性數值仿真分析。

目前，國內外還沒有關于鋼-混凝土混合梁的規范和設計標準，關于這類橋尚有較多等待解決的問題。本文以某混合連續梁橋為依托，建立鋼混結合段實體有限元模型進行受力仿真分析，為深入研究同類橋梁結合段的部位受力性能提供參考。

1 工程概況

某三跨混合連續梁橋，主跨100為鋼混結合梁，主跨跨中47m部分為鋼箱梁，跨中其余部分及兩側邊跨為50m混凝土梁。利用邊跨混凝土梁的壓重效果來調整了主跨的正彎矩，同時主墩兩側助理重量減輕，減少了橋墩附近的負彎矩，使得全橋受力性能加強。主梁混凝土部分為預應力混凝土梁結構，采用掛籃法對稱施工，鋼箱梁為預制場制造后整體吊裝，大大縮短了施工時間。

鋼混結合段是混合連續梁橋的重要傳力部位，它連接著鋼箱梁和混凝土梁，其內部構造為鋼格室填充混凝土，縱向預應力穿過結合段并錨固在鋼箱梁連接段內。結合段長度為1.5m，其構造主要為鋼格室、剪力板、剪力釘、普通鋼筋和混凝土，鋼混結合段立面如圖1所示。

圖1 鋼混結合段立面

2 有限元模型建立

運用橋梁實體仿真軟件FEA建立鋼混結合段模型，根據圣維南原理指出，只要荷載的合力正確，那么原來荷載作用區的地方，荷載的精確分布就不重要了。為研究結合段的準確受力情況，需截取結合段兩側混凝土梁和鋼箱梁一部分，避免荷載直接加載鋼混結合段中產生的應力集中現象，故實體模型由8.8m混凝土箱梁段、1.5m結合段、7.2m鋼箱梁段組成，實體模型共長17.5m。

因為鋼混結合段內部構造十分復雜，全部模擬實體情況比較困難，若嚴格模擬剪力釘會使實體模型計算過于龐大，計算結果比較復雜且計算結果重點不突出。由于經過前人的分析論證鋼格室和室內混凝土之間的相對滑移量很小，對鋼混結合段傳力情況和受力情況影響較小，故簡化了圓柱焊釘。

實體模型中鋼箱梁和混凝土箱梁采用實體單元，預應力鋼筋采用線單元。鋼混結合段實體有限元模型如圖2所示。混凝土箱梁、鋼混結合段和鋼箱梁采用共節點耦合的方式連接，鋼箱梁段采用Q345q-D鋼，混凝土箱梁段采用C55，預應力鋼絞線抗拉強度為1860MPa。

3 受力分析

3.1 傳力效果分析

鋼混結合段FEA實體模型建好后，首先分析其在單一荷載作用下的傳力效果，既能夠驗證實體模型建立的準確性，還能總結出其的傳力情況和一般規律。通過在混凝箱梁側截面采用固定約束，即為固定端，通過在鋼箱梁截面處分別施加單一荷載軸力、剪力及彎矩，通過實體模型運行分析鋼混結合段在單一荷載作用下的受力情況，且不考慮鋼混結合段自重和預應力鋼絞線產生力的作用。由于篇幅有限，本文只分析結合段在彎矩荷載作用下的受力情況和傳力規律。

對鋼混結合段實體模型受力分析位置進行規定，因鋼箱梁橫向截面左右兩側對稱，取一側腹板位置為分析對象，即結合段處的鋼箱梁腹板H-H截面；鋼混結合段格室腹板中間位置I-I截面為混凝土應力特征位置；鋼箱梁應力特征位置為鋼格室兩個豎向腹板位置也為I-I截面；最后取結合段頂板和底板位置為縱向受力特征位置，結合段受力取值特征位置如圖3～圖6所示。

圖3 應力取值位置立面圖

圖6 截面I-I鋼箱梁取值位置

分別取3種彎矩加載工況進行鋼混結合段實體仿真單一荷載作用下的受力分析，荷載工況一為鋼箱梁側施加1000kN·m的彎矩；荷載工況二為鋼箱梁側施加2000kN·m的彎矩；荷載工況三為鋼箱梁側施加4000kN·m的彎矩。經分析發現其傳力規律和效果跟作用荷載的大小無關，故本文僅展示在鋼混結合段在荷載工況三下的應力曲線圖，即在鋼箱梁側施加4000kN·m的彎矩。結合段傳力曲線應力如圖7所示。

圖4 截面H-H鋼箱梁取值位置

圖5 截面I-I混凝土梁取值位置

從圖7可以看出鋼混結合段實體有限元模型中的鋼箱梁腹板應力、鋼格室腹板應力和格室內腹板混凝土應力變化情況，鋼混結合段僅在一種荷載工況下傳力情況良好，且傳力規律跟施加荷載大小無關。當荷載通過鋼箱梁傳遞到結合段時，主要靠鋼格室內的混凝土與鋼格室的粘結摩擦傳遞荷載。鋼箱梁和混凝土梁受力情況跟受彎梁截面相似，且隨著荷載的不斷傳遞，受力也越來越小，表明結合段可以擴散彎矩荷載的作用。

圖7 結合段傳力曲線應力

從頂底板中間位置應力圖中可以看出，鋼混結合段實體有限元模型縱向傳力平穩，無明顯突變，說明結合段處的剛度從混凝土箱梁到鋼箱梁緩慢過渡，鋼混階段整體傳力效果較好。

3.2 施工階段應力分析

運用邁達斯Civil建立混合連續梁橋整體空間系桿模型，根據施工圖紙劃分施工階段，嚴格模擬施工順序，經施工階段分析后確定在最大懸臂狀態時，即結合段吊裝完成并張拉預應力后為結合段施工階段的最不受力情況，此時橋梁為單懸臂狀態，結合段受預應力荷載作用受力最大。

在Civil中提取混凝土箱梁截面和鋼箱梁截面處的軸力、剪力及彎矩施加于實體模型上，模型運行后發現格室內錨固區的混凝土有受力失真的情況是因為模型簡化了錨墊板構件，現實中不會出現失真的現象。排除應力失真部分，得出混凝土的第一主應力在-0.5～1.6MPa之間。

另分析發現鋼格室內的剪力鍵與其混凝土黏結的地方出現了2.6MPa的主拉應力，大于混凝土的抗拉設計值，分析發現張拉力傳遞給格室混凝土后進而分攤給PBL剪力鍵，導致結果超限。本文結合段沒有建立剪力釘，若剪力釘模擬后可能會使混凝土的主拉應力較小，甚至小于混凝土抗拉強度設計值，因剪力釘建立較麻煩且建好后模型運行十分困難，在此沒有考慮剪力釘的作用。

3.3 使用階段最不利荷載組合下應力分析

本小節分析結合段在使用階段下的受力情況，從Civil系桿空間模型提取出最不利荷載下的截面力值施加到實體模型中，分析得出混凝土受力沒有超限現象，應力基本在-1.0～1.3MPa區間，但是在剪力鍵與混凝土結合處發現了應力超限問題，出現了高達5.5MPa的拉應力，超過了混凝土的抗拉強度設計值。

4 結語

（1）通過建立鋼混結合段實體仿真模型，分析了結合段實體模型在單一荷載作用下傳力效果，分別模擬了在單一荷載剪力、彎矩及軸力作用下的受力規律和傳力效果。文中展示了結合段在彎矩荷載工況下的特征部位應力變化曲線，分析結果表明，應力傳遞規律及效果跟荷載大小無關，且傳力平穩。

（2）在施工階段分析中，結合段預應力張拉完為最不利受力狀態，此時橋梁處于單懸臂狀態，本文考慮了全部預應力張拉，分析結果表明，去掉應力失真部分，鋼格室受力滿足要求，但在剪力鍵與混凝土連接的地方，混凝土出現了較大的拉應力3.9MPa，大于混凝土強度設計值，是因為沒有嚴格模擬剪力釘，以及考慮了預應力張拉最大效應，現實中結合段預應力張拉為分批張拉，待全橋合龍后張拉全部預應力鋼絞線。

（3）在成橋最不利荷載組合下通過分析發現混凝土受力沒有出現超限現象，應力基本在-1.0～1.3MPa區間，但是在剪力鍵與混凝土結合處發現了應力超限問題，黏結處有高達5.5MPa的拉應力，在此受力作用下明顯超過了混凝土的抗拉強度設計值。

（4）混凝土的抗拉性能較差，而鋼混結合段構造和受力十分復雜，建議橋梁結合段施工時鋼格室內采用高性能混凝土增強其抵抗抗拉破壞的能力，另外預應力鋼絞線應分批張拉，待全橋合龍后張拉全部預應力鋼筋。

（5）本文以某混合連續梁橋為背景依托，根據局部模型建立原理，建立橋梁局部仿真模型，選取不同加載工況，分析了結合段的傳力效果、施工階段和使用階段下的受力情況，可為混合連續梁橋設計人員提供理論參考。