四線鐵路鋼混連續(xù)梁橋結合段力學性能分析

高哲凝

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063）

1 引言

鋼混混合梁充分利用鋼材的質輕、高強和混凝土技術成熟、抗壓能力強、造價低等屬性[1-2]，在受力性能、跨越能力、經(jīng)濟性等方面具有顯著優(yōu)勢[3]。鋼混結合段使得鋼主梁與混凝土主梁相互結合、共同受力[4]，滿足兩者之間剛度過渡平順、傳力合理，是鋼混混合梁受力最關鍵的環(huán)節(jié)[5-6]，其構造與施工也非常復雜，開展相關力學性能研究顯得尤為重要。由于鋼混結合段整體體量大，開展模型試驗研究整體費用高且費時費力[7-9]，致使鋼混結合段的有限元精細化仿真分析成為必要的替代方案。本文以流溪河特大橋為工程背景，采用有限元軟件ANSYS，對鋼混結合段的受力情況進行分析，為橋梁設計提供借鑒與參考。

2 工程概況

新建廣州至湛江高速鐵路廣州白云站至江村西線路所聯(lián)絡線流溪河特大橋為70 m+160 m+70 m 四線鋼混連續(xù)梁橋，設計速度160 km/h。主橋長300 m（含兩側梁端至支座中心線各0.8 m）。

鋼混結合段采用帶格室后承壓板構造，鋼梁腹板及頂?shù)装逋獍Y合段混凝土，混凝土梁的預應力鋼束分批錨固在鋼承壓板和鋼箱梁上[10-11]。為滿足鋼材和混凝土間的傳力需求，在承壓板和頂板、底板表面均布置焊釘連接件[12]，同時在格室內腹板、頂板、底板處均布置PBL 連接件。混凝土過渡段采用頂?shù)装寮案拱遄兏呒雍襁^渡，鋼梁部分過渡段采用在頂?shù)装逶O置變高度倒T 肋的方式過渡，鋼混結合段的立面如圖1 所示。

圖1 鋼混結合段構造圖（單位：mm）

3 計算模型

采用大型通用有限元軟件ANSYS，對鋼混結合段進行有限元仿真分析。本節(jié)采用實體單元solid65 模擬混凝土實體部分；板單元shell63 模擬鋼箱桁梁各鋼構件[13]；彈簧單元combin39模擬栓釘，link8 單元模擬預應力鋼束；建立鋼混結合段模型計算并分析該節(jié)段的受力及變形。模型示意圖如圖2 所示。為盡量減小節(jié)段模型邊界條件對計算結果的影響，結果分析時不考慮模型兩端一個節(jié)段長度范圍[14]。

圖2 鋼混結合段模型示意圖

模型混凝土段靠近主墩的一端施加固定約束，鋼箱梁段遠離主墩的一端質心處施加整體模型計算的主力工況下內力彎矩277 524 kN·m，剪力16 384 kN。

4 計算結果

4.1 鋼梁應力分析

根據(jù)計算結果提取鋼梁順橋向正應力、等效應力如圖3、圖4 所示。

圖3 鋼梁順橋向正應力（單位：M P a）

圖4 鋼梁等效應力（單位：M P a）

鋼梁順橋向正應力為上拉下壓，越靠近鋼混交界面應力值越大。頂板拉應力在靠近鋼混結合段的位置最大約為54 MPa；底板壓應力最大處約為72 MPa。鋼梁等效應力較小符合規(guī)范要求，在靠近鋼混結合段位置中腹板加勁肋與承壓板相交位置有應力集中，應力值約為96 MPa。

鋼梁內桁架應力情況良好，等效應力在15 MPa 以下，桁架連接板應力情況良好，等效應力在28 MPa 以下最大應力值出現(xiàn)在內側板下角點位置。

4.2 混凝土梁應力分析

混凝土段順橋向應力受壓為主，最大壓應力10 MPa，滿足設計強度要求。在鋼混結合段位置頂面有少部分拉應力，與承壓板接觸面上有少量拉應力，最大拉應力2 MPa，經(jīng)裂縫檢算，最大裂縫0.56 mm，滿足設計要求。

4.3 鋼混結合段應力

根據(jù)計算結果，提取鋼混結合段鋼結構、栓釘?shù)炔课坏膽ΓY果如圖5、圖6 所示。

圖5 鋼混結合段鋼結構等效應力（單位；M P a）

圖6 鋼混結合段鋼結構順橋向正應力（單位：M P a）

鋼混結合段鋼結構等效應力在靠近承壓板的一端較大，并且在鋼格室與內外腹板相交周邊有應力集中，最大應力為70 MPa。鋼混結合段鋼結構順橋向應力受壓為主，在與承壓板相交處最大，頂板為拉應力最大處約50 MPa，底板為壓應力最大處約58 MPa。

腹板栓釘順橋向剪切力為主，最大約為36 kN，豎向剪切力最大約為18 kN。鋼格室板栓釘順橋向剪切力為主。靠近承壓板位置少量栓釘達到31 kN，整體在24 kN 以下，豎向剪切力較小，最大約為6 kN。頂?shù)装逅ㄡ斨饕艿巾槝蛳蚣羟辛Γ畲蠹s為36.5 kN，橫橋向剪切力最大約為11.7 kN。

5 結語

通過建立局部有限元計算模型，分析了大跨鋼混混合梁結合段受力特性。計算了主力工況下鋼混結合段各構件的受力狀況，得到以下結論。

1）鋼梁順橋向正應力為上拉下壓，越靠近交界面應力值越大。頂板拉應力在靠近結合段的位置最大約為54 MPa；底板壓應力最大處約為72 MPa。在靠近結合段位置中腹板加勁肋與承壓板相交位置有應力集中，應力值約為96 MPa。

2）混凝土段順橋向應力受壓為主，最大壓應力10.0 MPa。在結合段位置頂面有少部分拉應力，與承壓板接觸面上有少量拉應力。

3）鋼混結合段鋼結構等效應力在靠近承壓板的一端較大，最大應力為70 MPa。鋼混結合段鋼結構順橋向應力受壓為主，在與承壓板相交處最大；頂板為拉應力，最大處約50 MPa；底板為壓應力，最大處約58 MPa。

4）鋼混結合段整體應力水平較低，傳力較均勻，總體構造設計合理，滿足混合梁鋼材與混凝土間的傳力需求。