中承式拱橋魚腹形主梁鋼混結(jié)合段受力研究

周志敏

重慶綠發(fā)恒越工程設(shè)計有限公司 重慶 402760

1 工程概況

主橋采用34+50+80+50m四跨梁拱組合體系，共長220m，跨越同茂大道段主梁采用鋼箱梁，其余梁段采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，采用大懸臂魚腹梁，箱梁頂寬32.0m，底寬24.0m，主梁梁高采用2.0m，主跨采用鋼箱拱肋，邊跨拱采用鋼筋混凝土拱，其余V腿部分采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用樁基接承臺形式。

圖1 立面布置圖（單位:m）

2 主梁鋼混結(jié)合段

主梁鋼混結(jié)合段長度為2.5m，包含1.5m的鋼結(jié)構(gòu)過渡段以及1.0m的混凝土段，混凝土段采用細石混凝土，PBL剪力板板厚20mm，開孔直徑60mm，內(nèi)置一根20鋼筋。

圖2 鋼混結(jié)合段布置圖（單位:m）

3 計算模型

采用大型通用有限元軟件對鋼混結(jié)合段進行分析，建立了有限元模型如圖3，選取了鋼箱梁段1.5m、承壓鋼板0.05m和混凝土段1.0m作為研究對象；對于混凝土，模型采用實體結(jié)構(gòu)單元來進行單元劃分；對于鋼箱梁，由于鋼箱梁底板、腹板以及T板厚度各不相同，為了反映真實情況，采用實體結(jié)構(gòu)單元來劃分，單元劃分形式選擇自動實體網(wǎng)格劃分；對于預(yù)應(yīng)力單元，采用的預(yù)應(yīng)力單元進行劃分，在有限元模型中，混凝土端面節(jié)點采用固接，對于鋼箱梁端面節(jié)點，首先在截面形心處建立的主節(jié)點，端面節(jié)點為從屬節(jié)點，兩者之間建立主從約束（剛性連接），限制主節(jié)點x（橫橋向）、y（縱橋向）、z（豎向）的位移。

圖3 鋼混結(jié)合段有限元模型

4 計算結(jié)果分析

4.1 總體計算荷載

表1 荷載工況組合下最不利荷載值

采用整體模型中提出鋼混結(jié)合段的內(nèi)力，利用軟件中加入節(jié)點力的形式對鋼混結(jié)合段進行局部受力分析[1]。

4.2 主拉應(yīng)力

鋼混結(jié)合段和各組成部分應(yīng)力分布云圖如下圖：

圖4 主拉應(yīng)力云圖

由上圖可知，在最不利的工況下，鋼箱梁的主拉應(yīng)力峰值為10.3MPa，混凝土的主拉應(yīng)力峰值為0.4MPa，遠低于C50抗拉強度設(shè)計值1.83MPa；承壓板的主拉應(yīng)力峰值為5.9MPa，出現(xiàn)在底板邊緣。鋼混結(jié)合段主拉應(yīng)力均低于材料抗拉強度設(shè)計值，應(yīng)力結(jié)果滿足規(guī)范要求[2]。

4.3 主壓應(yīng)力

鋼混結(jié)合段和各組成部分主壓應(yīng)力分布云圖如下：

圖5 主壓應(yīng)力云圖

由上圖可知，在最不利的工況下，鋼箱梁的主壓應(yīng)力峰值為10.3MPa，出現(xiàn)在頂板邊角處；混凝土的主壓應(yīng)力峰值為0.6MPa，遠低于C50抗壓強度設(shè)計值22.4MPa；承壓板的主壓應(yīng)力峰值為4.3MPa。鋼混結(jié)合段主壓應(yīng)力均低于材料抗壓強度設(shè)計值，應(yīng)力結(jié)果基本滿足規(guī)范要求[3]。

4.4 橫橋向應(yīng)力

鋼混結(jié)合段和各組成部分應(yīng)力分布如下圖。

圖6 橫橋向應(yīng)力結(jié)果

由上圖可知，在最不利的工況下，鋼箱梁段的橫橋向應(yīng)力大部分在-3.8MPa 和3.8MPa 以內(nèi)，其中負號為壓應(yīng)力，正號為拉應(yīng)力；混凝土橫橋向應(yīng)力較小，在-0.1～0.1MPa范圍內(nèi)；承壓板橫橋向應(yīng)力在-1.4～1.6MPa范圍內(nèi)，最值均出現(xiàn)在焊縫位置處，應(yīng)力結(jié)果基本滿足規(guī)范要求[4]。

4.5 豎向應(yīng)力

鋼混結(jié)合段和各組成部分應(yīng)力分布如下圖。

圖7 豎向應(yīng)力結(jié)果

由上圖可知，在最不利的工況下，鋼箱梁段的豎向應(yīng)力大部分在-3.7MPa 和3.8MPa 以內(nèi)，其中負號為壓應(yīng)力，正號為拉應(yīng)力；混凝土豎向應(yīng)力較小，在-0.1～0.1MPa范圍內(nèi)；承壓板豎向應(yīng)力在-2.1～1.6MPa范圍內(nèi)，最值均出現(xiàn)在焊縫位置處。綜上，應(yīng)力結(jié)果基本滿足規(guī)范要求[5]。

4.6 鋼束應(yīng)力分析

考慮彈性變形損失后的鋼束應(yīng)力在最不利的工況下，鋼束應(yīng)力在-383.1～319MPa之間，其中負號為壓應(yīng)力，正號為拉應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力結(jié)果基本滿足規(guī)范要求[6]。

5 結(jié)束語

通過對中承式拱橋魚腹形主梁鋼混結(jié)合段受力研究在不同荷載作用下的受力分析，有以下的設(shè)計體會：

總體設(shè)計中調(diào)整吊桿力使得鋼混結(jié)合段位置受力均衡，對于鋼混結(jié)合段的局部設(shè)計非常有利；另外鋼混結(jié)合段采用預(yù)應(yīng)力的形式施加預(yù)壓力，使得混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)均基本處于受壓狀態(tài)，構(gòu)造合理，部分結(jié)合點出現(xiàn)拉應(yīng)力，充分利用了混凝土的材料特性；特別注意鋼結(jié)構(gòu)的承壓板以及承壓板加勁肋的板件穩(wěn)定性受力，在鋼混結(jié)合段位置局部采用鋼筋網(wǎng)抗裂是有必要的。