混合梁斜拉桥钢混结合段设计

蔡建业

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉 430063)

混合梁斜拉桥钢混结合段设计

蔡建业

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉 430063)

钢混结合段的设计是混合梁斜拉桥的关键技术之一,钢混结合段的位置、类型及细部构造设计直接影响到桥梁的安全性和耐久性。结合宁波市福明路斜拉桥钢混结合段的设计,介绍钢混结合段位置的确定、结构形式的选择、细部构造及结构计算分析。分析表明本桥钢混结合段受力合理,传力平顺,刚度过渡平稳。

斜拉桥； 桥塔；钢混结合段；合理位置；结构设计

1 概况

宁波市福明路上跨宁波东站主桥跨径布置为(55+45+220+45+55) m，桥面总宽34.5 m，双向六车道，为一联双塔双索面斜拉桥，采用半漂浮体系，主梁采用混合主梁，其中两侧边跨各采用预应力混凝土箱梁，中段采用钢箱梁，在钢箱梁两端与预应力混凝土箱梁相交位置放置2 m长的钢混结合段。桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置(单位：m)

2 钢混结合段构造

2.1 钢箱梁

钢箱梁顶面宽34.5 m，设2%的桥面横坡，底部为半径25 m的圆弧，两侧配有风嘴，桥梁中线外梁高3.3 m。钢箱梁顶面钢板厚14(16) mm，在其下顺桥向焊有8 mm厚间距600 mm的U形肋，穿越3.4 m间距的横隔板，组成正交异性结构的钢桥面板。在横隔板之间设置一道板厚12 mm的横肋。箱梁底板厚12 mm，以间隔750、780 mm的U形肋加固。箱梁纵向设有2道厚28 mm的外腹板，其外侧与斜拉索锚点的锚箱焊接。在外腹板间设置了2道内腹板，间距10 m，均为实腹板。横隔板均为实腹结构，板厚12 mm。如图2所示。

图2 横断面布置(单位：m)

2.2 预应力混凝土箱梁

预应力混凝土箱梁，单箱三室结构、结构外形与钢箱梁保持一致。桥面宽34.5 m，梁高3.3 m。截面顶板0.25 m厚，底板厚0.25 m，内腹板厚0.4 m，如图2所示。

2.3 钢混结合段构造

图3 钢混结合段构造(单位：mm)

钢梁两端分别与混凝土箱梁通过结合段连接，结合段的钢箱梁套在预应力混凝土箱梁之外，并且全断面与之结合使其成为一体，如图3所示。为了保证钢混结合段混凝土梁及钢梁之间的剪力传递，以及防止钢板与混凝土之间的剥离，在钢箱梁顶、底板延伸段以及承压钢板上布置了圆柱头剪力钉，并利用混凝土箱梁内的纵向预应力束加以锚固，形成弯矩的传递。梁中的剪力则通过腹板及纵隔板上设置PBL剪力键以传递剪力，同时也通过端面焊钉传递。而2种梁体在刚度上的突变，则由在钢箱梁上、下翼缘板的型肋逐渐变高而得到缓解。钢混结合段端板采用60 mm厚钢板，其横向焊缝须在工厂进行，确保焊缝熔透。应对焊缝进行消应处理，同时保证板面的平整度。

3 材料参数

主梁采用C60混凝土，钢箱梁、钢锚箱采用Q345qD，钢材容许应力值按《公路桥梁钢结构设计规范》中规定执行，对于板厚≥16 mm钢板，考虑板厚影响，容许应力按不同板厚屈服点的比例进行调整，外力组合容许应力提高系数按规范执行。钢材参数见表1。

表1 钢材参数 MPa

4 有限元计算分析

4.1 模型选取

取钢混结合段进行局部分析。根据圣维南原理，为避免边界条件对所研究段的影响，考虑分析梁段长度近似取梁宽，使钢混结合段大致位于模型梁段中部，同时考虑梁段的边界条件特点和钢梁的节段划分，取模型梁段长28.0 m建立ANSYS空间有限元实体模型，其中混凝土梁段长12.4 m，结合段长2.0 m，钢梁段长13.6 m(4个节段)，有限元分析梁段示意如图4所示。

图4 有限元分析梁段示意(单位：m)

4.2 建模原则

混凝土箱梁采用Solid65、Solid95实体单元，钢箱梁顶底板、腹板、纵横隔板、加劲肋和端板均采用Shell63壳单元进行模拟，共建立了324 811个节点和271 997个单元。划分网格时，混凝土箱梁部分的单元大小尽量精细、匀顺过渡，单元网格尺寸为0.2～0.4 m，结合段混凝土划分成六面体单元，其余部分自由网格划分；钢箱梁部分各构件单元网格尺寸一般取0.1～0.2 m；模型中主梁不考虑桥面纵坡，但考虑横坡，底板曲线段按真实线形考虑；不考虑剪力钉和PBL剪力键，T3、T4、DB、F2及D2与混凝土箱梁共用节点模拟两者连接；不考虑锚箱，加载时将荷载加至锚箱与腹板相互作用区域；考虑纵隔板内伸段；暂不考虑预应力束。坐标系方向X-横桥向、Y-竖向、Z-纵向。模型的实体图及单元网格详见图5和图6。

图5 空间计算模型

4.3 边界条件

在混凝土箱梁段桥塔位置取支座面作为约束面，约束该支座面的所有节点DX、DY和DZ。

4.4 荷载工况及组合

(1)施加的荷载

图6 钢混结合段单元网格

模型主要分析在恒载和各工况组合作用下钢混结合段的受力情况，所以加载的工况考虑恒载、人群荷载及汽车荷载。所加的人群荷载及汽车荷载分别为整体计算钢混结合段处截面内力为Nmax、Nmin、Qmax、Qmin、Mmax和Mmin时相应的斜拉索力及左右两端截面主梁内力。

(2)荷载组合

荷载组合为恒载+汽车效应+人群效应的6种组合工况，详见表2。

表2 各荷载组合工况效应索力及端截面内力

(3)荷载加载方法

①在混凝土箱梁端和钢箱梁端处设置刚性面，并将荷载施加到刚性面，荷载通过刚性面传递；

②模型中未直接模拟斜拉索，索力按空间力作用至实际锚箱构造对应的腹板节点上。

5 计算结果分析

(1)恒载作用

①恒载作用下在未加预应力的情况下，钢混结合段处混凝土的正应力最大值为1.21 MPa，最小值为-8.9 MPa，均局部出现在钢梁外侧腹板对应的位置处，应力集中，衰减较快；结合段混凝土的正应力主要分布在1.21～-8.9 MPa；结合段钢板最大正应力7.01 MPa，最大压应力为-53.4 MPa。

②恒载作用下钢混结合段附近钢箱梁构件的最大正应力为19.7 MPa，最大压应力为-165 MPa，最大剪应力为29.5 MPa。

(2)荷载组合工况

各组合工况计算结果见表3～表5。

表3 荷载组合计算结果汇总表一 MPa

表4 荷载组合计算结果汇总表二 MPa

表5 荷载组合计算结果汇总表三 MPa

根据有限元计算结果，C1～C3段最大和最小正应力局部出现在钢梁外侧腹板对应的位置处结合段上缘，为应力集中，衰减较快；S1段最小正应力出现在腹板上缘与DB板焊接处，最大正应力出现在腹板下缘；最大剪应力出现在腹板上缘与DB板焊接处。综合分析计算结果如下。

①在未加预应力的情况下，各工况组合下钢混结合段混凝土的正应力最大值为1.7 MPa，最小值为-9.91 MPa，均局部出现在钢梁外侧腹板对应位置处结合段上缘，为应力集中，衰减较快；结合段混凝土的正应力主要分布在1.7～-9.91 MPa，最大主拉应力1.85 MPa，最小主压应力-10 MPa。从总体计算得到的预应力产生的上缘应力为-5 MPa，预应力产生的下缘应力为-7.9 MPa，可抵消荷载产生的拉应力，且压应力满足规范要求。

②钢混结合段附近钢箱梁构件的最大正应力为38.7 MPa，最小正应力为-182 MPa，最大剪应力为31.3 MPa，满足规范要求；

③钢混结合段附近钢箱梁构件纵向加劲肋的换算应力为68.8 MPa，满足规范要求。

6 结语

通过对钢混结合段的分析研究，考虑了各种可能出现的工况组合，计算结果表明钢混结合段整体上处于较平均的应力状态，结构传力体系清晰明确，钢混结合段受力合理，各项指标均满足规范要求。目前本桥已建成通车，运营情况良好，验证了本设计的安全性和可靠性，并为类似钢混结合段的设计，提供了参考借鉴依据。

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DesignforSteel-ConcreteJointSegmentofCable-stayedBridgewithHybridGirder

CAI Jian-ye

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

The design of steel-concrete joint segment is one of the key technologies of a cable-stayed bridge with hybrid girder, while the design of location, type and detail structure of steel-concrete joint segment will directly affect the safety and durability of the bridge. This paper introduces the design of the steel-concrete joint segment of the Fuming Road cable-stayed bridge in Ningbo City, including the determination of location, the selection of structure types, the detail structure, the structure calculation and analysis of steel-concrete joint segment. The results show that this bridge structure is under rational stress state, the force transmission is smooth and the rigidity transition is steady.

cable-stayed bridge; pylon; steel-concrete joint segment; rational position; structure design

2013-10-10

蔡建业(1983—)，男，工程师，2008年毕业于西南交通大学，工学硕士。

1004-2954(2014)01-0068-04

U448.21+6; U448.27

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.01.017