结合梁斜拉桥钢砼结合部应力传递分析

马克亮,刘沐宇

(1.江苏省交通规划设计院股份有限公司,南京 210000；2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,武汉 430070)

结合梁斜拉桥钢砼结合部应力传递分析

马克亮1,刘沐宇2

(1.江苏省交通规划设计院股份有限公司,南京 210000；2.武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,武汉 430070)

结合部是结合梁斜拉桥结构及材料的突变部位，构造及受力状态复杂，是桥梁设计的关键。该文结合武汉二七路三塔结合梁斜拉桥，建立结合部ANSYS有限元模型，针对运营过程中六种不利工况，分析结合部主应力分布状态及传递规律。结果表明，结合部整体呈受压及低应力状态，结合部应力满足设计要求。

结合梁； 结合部； 有限元分析

运营中的武汉二七路长江大桥主桥是世界最大跨径的三塔结合梁斜拉桥，结合部是结合梁斜拉桥结构及材料的突变部位[1]，构造及受力状态复杂，为桥梁设计的关键[2]，本桥采用双工字钢结合梁-预应力砼π型梁结合部。文中建立结合部ANSYS有限元模型，分析结合部的主应力分布状态及传递规律，验证桥梁设计的合理性，为相关桥型的设计和施工提供参考。

1 工程概况

武汉二七路长江大桥主桥跨径分布为(90+160+2×616+160+90)m，总长1 732 m，宽31.85 m(见图1)。90 m跨采用预应力砼π型梁，梁高350 cm；其余采用双工字钢结合梁，其桥面板厚26 cm，梁高293.5 cm。主梁标准断面图见图2。

本桥结合部位于2#、6#辅助墩主桥侧4.5 m处。结合部通过承压钢板、栓钉及预应力钢束共同作用实现内力传递。钢梁通过4 m的加强段以承压钢板与预应力砼π型梁连接，而后钢梁继续延伸并伸入预应力砼π型梁3 m。钢梁伸入预应力砼π型梁部分设置ML15栓钉。预应力砼π型梁侧的预应力钢束延伸并固定在钢梁侧承压钢板处。结合部构造图见图3。

2 空间有限元模型的建立

2.1 模型节段选取

结合运营中武汉二七路长江大桥，采用ANSYS，对其结合部建立空间有限元模型进行应力分析。根据Saint-Venant’s Principle[3]，结合部位置约为整个节段模型的中间，结合梁段、砼梁段长度约两倍桥宽，同时考虑结合梁的节段划分及砼梁的结构特点，取结合梁30.75 m，结合部7 m，砼梁36 m,模型总长73.75 m。取结合面与桥梁中心线交点为坐标原点，取纵桥向为X轴，取竖桥向为Y轴，取横桥向为Z轴(详见图4)。

2.2 单元划分

结合部模型模拟单元信息及材料参数模拟材料特性见表1。本模型预应力钢束、砼间的粘结作用采用节点耦合法模拟，预应力采用降温法施加[4]。

表1 材料参数表

2.3 荷载类型

1)恒载

对结合部模型施加重力加速度模拟结构自重，二期恒载以8 t/m计(包括桥梁护栏及桥面铺装)。

2)活载

活载采用公路-Ⅰ级汽车荷载，按8车道加载。

2.4 荷载工况

采用MIDAS建立全桥模型，求得结合面节点轴力(N)、剪力(Q)、弯矩(M)的影响线；引起结合面内力最值的主要因素是活载，按结合面节点影响线的分布情况明确活载的最不利加载位置，并据此确定全桥活载加载方案[5]，求得结合部模型六种工况下的梁端内力、索力(见表2、表3)。

表2 结合部梁端内力表

注：轴力拉为正，剪力逆时针为正，弯矩下侧受拉为正。

表3 结合部索力表 /t

2.5 边界条件

结合部节段模型中，砼梁梁端固结，结合梁梁端以刚性域假定为平截面变形，在梁端施加表2、表3内力，砼梁端部下底板加支座限位，索力采用空间三向分力作用于斜拉索锚固点[6]。

3 有限元结果分析

取节段模型结合面7 m长的范围进行分析，S1、S2、S3分别代表第一、二、三主应力(正为拉，负为压)。

3.1 主应力

1)砼梁主应力

砼梁主应力分布见表4。

砼梁的最大主拉应力为1.3 MPa，发生在工况一结合面砼梁倒角处；最大主压应力为14.7 MPa，发生在一工况砼梁与桥面板接触面。砼梁的主应力处于-14.7～1.3 MPa区间。

表4 结合部砼梁主应力分布表

2)钢梁主应力

钢梁主应力分布见表5。

表5 结合部钢梁主应力分布表

钢梁的最大主拉应力为32.0 MPa，发生在工况一结合面横梁加劲肋倒角处；最大主压应力为84.7 MPa，发生在工况一小纵梁下翼缘与横梁接触点。钢梁的主应力处于-84.7～32.0 MPa区间。

3)桥面板主应力

桥面板主应力分布见表6。

表6 结合部桥面板主应力分布表

桥面板的最大主拉应力为1.0 MPa，发生在桥面板预应力锚固点；最大主压应力为17.0 MPa，发生在工况一钢梁上翼缘渐变段端部与桥面板接触点。桥面板的主应力处于-17.0～1.0 MPa区间。

3.2 应力传递规律

结合部正应力分布分析得：工况一作用下结合部受力最不利，针对工况一研究结合部的传力规律。

1)砼梁-钢梁翼缘应力传递规律

砼梁-钢梁上翼缘沿Z轴纵向正应力传递如图5所示，下翼缘沿Z轴纵向正应力传递如图6所示。

结合部砼梁-钢梁上翼缘整体受压，压应力由砼梁至钢梁方向呈递增趋势；结合部钢梁下翼缘整体受压，砼梁下翼缘背离结合面方向由受压逐渐变为受拉。若干节点拉应力值为1.3 MPa，但没有超出砼抗拉强度设计值1.96 MPa。针对纵向正应力砼梁-钢梁上翼缘比下翼缘总体偏高。砼梁、钢梁上下翼缘纵向正应力分布较均匀，承压钢板处纵向正应力变化较大。

2)砼梁-钢梁腹板应力传递规律

砼梁-钢梁腹板沿y轴纵向正应力传递如图7所示。

结合部钢梁腹板整体受压，砼梁腹板主体受压，靠近砼梁底板若干节点出现0.5 MPa左右拉应力，但没有砼抗拉强度设计值1.96 MPa。砼梁-钢梁腹板纵向正应力分布较均匀，沿纵桥向以及竖桥向应力呈递增趋势，承压钢板处纵向正应力变化较大。

3)砼梁-桥面板应力传递规律

砼梁-桥面板沿Z轴纵向正应力传递如8图所示。

结合部砼梁-桥面板整体受压。桥面板、砼梁纵向正应力沿分布较均匀，沿纵桥向呈递增趋势，承压钢板处纵向正应力变化较大。砼梁-桥面板纵向正应力边主梁总体比跨中偏高。

4 结 论

a.砼梁主应力变化处于-14.7～1.3 MPa区间，钢梁主应力变化处于-84.7～32.0 MPa区间，桥面板主应力变化处于-17.0～1.0 MPa区间。结合部处于低应力状态，结合部的应力分布满足设计要求。

b.结合部总体受压，砼梁底板若干节点出现拉应力，但没有超过砼抗拉强度设计值1.96 MPa。

c.结合部纵向正应力沿分布较均匀，纵向正应力上翼缘比下翼缘偏高、边主梁比跨中偏高。承压钢板处应力变化较大。

[1] 周孟波,斜拉桥手册[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 刘玉擎.混合梁接合部设计技术的发展[J].世界桥梁,2005(4) :9-12.

[3] 陈开利,余天庆,习刚.混合梁斜拉桥的发展与展望[J].桥梁建设,2005(2) :1-4.

[4] 周 颖,徐 资,段乃民.湛江海湾大桥钢-砼梁结合部受力分析[J].中外公路,2006,26(5) :120-122.

[5] 陈开利,王戒躁,安群慧.舟山桃夭门大桥钢与砼结合部模型试验研究[J].土木工程学报,2006,39(3) :86-90.

[6] 王军文,倪章军,宋晓东,等.石板坡大桥钢箱梁车载作用下局部应力分析[J] .石家庄铁道学院学报,2007,20(1):6-9.

Stress Transmission Analysis of Joint Section on the Composite Girder Cable-stayed Bridge

MA Ke-liang1,LIU Mu-yu2

(1.Jiangsu Province Communications Planning and Design Institute Limited Company，Nanjing 210000, China;2.Hubei Key Lab of Roadway Bridge & Structure Engineering，Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Joint section is the mutation of structures and materials on the composite girder cable-stayed bridge.The structure and stressing state of Joint section are extremely complicated,which is the important link of bridge design.This paper builds the spatial finite element of joint section on Road Erqi Wuhan Yangtze River Bridge and analysises the situation of principal stress distribution and transmission rule on the joint section according to six unfavorable load cases during operation process.The results showed that joint section is in low-stress state,and its stress distribution can completely meet the requirements of design.

composite girder; joint section; finite element analysis

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.010

2015-03-03.

武汉市建设科技项目(200923).

马克亮(1983-)，硕士.E-mail:make-0305@163.com