单索面混合梁斜拉桥钢混结合段扭转剪应力数值分析

李 谷

(湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410006)

混合梁斜拉桥边跨采用混凝土梁主梁，主跨采用钢箱梁，两种材料通过钢－混结合段进行转换。其主要结构特征为:边跨和主跨的重度与刚度相差较大，混凝土边跨能起到压重作用，增强对主跨的约束，提高整个桥梁结构的刚度，同时还能防止边墩出现负反力;主跨钢箱梁，自重轻，强度高，跨越能力比混凝土梁大。因此，较单一材料主梁斜拉桥，混合梁桥具有更小的边主跨比和更强的跨越能力，是在大跨和超大跨领域十分具备竞争力的桥型。

钢－混结合段是混合梁斜拉桥的关键部位，现大多设计成有格室构造，格室内灌注混凝土与格室肋板、顶、底缘板形成整体共同受力，传力机理复杂，因此对结合段的分析是设计混合梁斜拉桥的重点。对于钢混结合段的受力分析国内外研究资料主要集中在压、弯作用下的分析，而没有对钢混结合段进行受扭分析。六库怒江二桥因其单索面设计，在活荷载作用下结合段将承受很大的扭矩。本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS，结合实际工程——云南六库怒江二桥，对独塔单索面斜拉桥钢混结合段进行了扭矩作用下的受力分析，以研究钢－混结合段在扭矩作用下截面剪应力的分布规律。

1 工程概况

云南六库怒江二桥工程主桥为独塔单索面混合梁斜拉桥，采用塔梁墩固结体系，主塔高75m，跨径布置为175m主跨+81m边跨。钢混结合段位置设置在主跨距桥塔中心线8.75m处，主跨和边跨各设置斜拉索13对，拉索沿主梁中心线对称布置，主跨索距12m，边跨索距5m，其立面如图1所示。

图1 怒江二桥立面图(单位:cm)

主梁边跨为五室混凝土箱梁，主跨大部分为钢 箱梁，梁高2.8m，宽32m，其构造如图2所示。

图2 主梁标准截面图(单位:cm)

2 结合段构造

其采用有格室后承压板构造，从钢主梁过渡到混凝土主梁一共经过五个部分:普通钢箱梁、钢箱梁加强段、结合段钢格室、混凝土渐变段、混凝土主梁，其纵剖面图如图3－a所示，在这五个部分中，结合段钢格室是最关键的部位，也是本文研究的对象，其横截面图如图3－b所示。

图3 结合段构造图(单位:cm)

3 有限元模型

3.1 模型组成部分

本文采用ansys建立钢混结合段有限元模型，用shell63单元模拟钢板，用solid65单元模拟混凝土。由于要进行抗扭分析，故采用全结构模型，其组成部分包括:普通混凝土梁段7m，混凝土渐变段1.75m，结合段钢格室2m，钢箱梁加强段3m，普通钢箱梁段 16.25m，整个模型长 30m，宽 32m，高2.75m，图4表示了模型并标出其包括的各部分。

图4 结合段ansys段模型

针对该钢－混结合段的模型试验以及PBL剪力键试验表明，在结合段受压时，格室内灌注的混凝土膨胀受到格室钢板的环向约束，二者之间粘结强度很高，同时格室肋板上的PBL键在弹性阶段也具有很高的抗剪强度和刚度，上述因素使得格室内混凝土与格室钢板的相对滑移很小［1］，因此模型中格室钢板和混凝土之间是完全变形协调的，二者之间没有相对位移。

3.2 边界条件

3.2.1 约束边界

本模型将混凝土端截面完全固结，以模拟实桥塔梁墩处的固结，钢箱梁端截面不加约束，只用于加载，使得整个模型成为一端固结一端自由的悬臂。

3.2.2 力学边界

本文只研究2m钢格室中间截面在扭矩作用下的受力情况，所以在加载端施加的是由全桥整体分析得来的钢格室的局部内力，这样只保证钢格室的受力与实际相同，模型其他部位的受力和变形与实际不同。加载段设在最右侧的钢箱梁截面上，在该截面施加的扭矩通过普通钢箱梁段和钢箱梁加强段能够传递给结合段钢格室，避免产生圣维南效应。模型的边界条件如图5所示。

图5 模型边界条件

4 施加荷载

表1为全桥整体分析得到的结合段钢格室局部组合内力，该组合使钢格室受到的扭矩最大。

表1 钢格室组合内力

取表1中的扭矩值作为外荷载对模型进行加载计算，由于加载段的shell63单元不能直接加载扭矩，因此扭矩是以力偶的形式作用在加载端截面的，并且，由于本文只研究扭矩对结合段钢格室的影响，故不施加自重荷载。

5 分析结果

5.1 钢格室中间截面剪力流方向

取钢格室中间截面进行研究，根据计算结果绘制钢格室截面钢板和混凝土的剪力流方向，如图6所示。

图6画出了钢格室截面剪力流的方向，而且图6－a格室钢板赋予了编号，图6－b为格室混凝土截面各个部分赋予了名称，为下面研究剪力流在截面内大小分布做了准备。

5.2 格室混凝土截面剪应力分布

图7表示了钢格室中间截面混凝土截面扭转剪应力沿板长方向的分布，其数值为沿板宽方向剪应力绝对值的平均值。

图6 截面剪力流方向

图7 格室截面混凝土剪应力分布

由图7－a可知，钢格室混凝土截面次腹板与中腹板之间的顶板内扭转剪应力最大(1.3MPa)，翼缘板扭转剪应力最小;由图7－a、图7－b可知，整个截面剪应力沿顶板变化最大，沿底板变化最小;由图7－c、图7－d可知，斜腹板、次腹板和中腹板的剪应力变化趋势都是两端小中间大，其中斜腹板内的剪应力最大(最大0.5MPa)，次腹板次之(最大0.4MPa)，中腹板最小(最大0.08MPa)。

5.3 格室钢板截面剪应力分布

图8表示了钢格室各部分沿截面长度方向的剪应力分布，钢板截面内剪应力沿钢板厚度方向不变，其数值为剪应力的绝对值。

图8 格室钢板截面剪应力分布

从图8－f可知，格室钢板截面剪应力最大值出现在顶缘横向26号钢板位于次腹板和中腹板水平位置之间的截面上(4.7MPa)，剪应力最小值出现在顶缘横向26号钢板翼缘处的截面上;从图8－a、图8－b、图8－c可知，格室肋板的剪应力水平普遍较低(0 ～0.4MPa)，但4、5、13、14 号肋板和斜腹板内外侧钢板28、31连接的局部剪应力比较高(1.2～2.0MPa);从图8－e可知，截面斜腹板外侧钢板31的剪应力比内侧钢板28的大;从图8－d、图8－e可知，斜腹板内外侧钢板剪应力较大，次腹板处竖向钢板剪应力次之，中腹板处钢板剪应力较小。

5.4 钢格室截面钢板和混凝土承受扭矩比例

图6、图7和图8说明了钢格室在扭矩所用下截面剪应力的大小和方向，根据剪应力的分布对钢格室的形心积分便可以求出格室钢板和混凝土分别承担的扭矩，如表2所示。

由表2可知，在外部施加的40696.5kN·m扭矩作用下，格室钢板截面剪应力形成的扭矩为11540kN·m，约占总体的30%，混凝土截面剪应力产生扭矩29156.5kN，约占总体的70%。

表2 格室中间截面钢板与混凝土承担的扭矩

6 结论

1)独塔单索面混合梁斜拉桥会在运营时承受较大扭矩，在扭矩作用下格室截面钢板和混凝土分别会产生剪力流，其方向如图6所示。

2)截面不同部位剪应力大小不同，其中混凝土中腹板和次腹板之间的顶板截面剪应力最大，翼缘的剪应力最小。

3)钢格室肋板的剪力普遍比较小，但和斜腹板内外侧钢板相连的肋板会在连接局部产生较大剪应力，钢板剪应力最大与最小区域与混凝土位置基本一致。

4)钢格室截面内钢板和混凝土按照一定比共同例承担扭矩，其中钢板截面约占30%，混凝土截面承约占70%。

［1］张 龙.RPC剪力连接件受力性能试验研究［D］.长沙:湖南大学，2013.