混合梁斜拉桥结合段加劲过渡区受力机理分析

■吴江鸿

（福建省交通规划设计院，福州350004）

混合梁斜拉桥结合段加劲过渡区受力机理分析

■吴江鸿

（福建省交通规划设计院，福州350004）

为揭示混合梁斜拉桥钢混结合段加劲过渡区承载能力及破坏机理，以钢梁加劲过渡段局部模型试验为基础，建立考虑残余应力、初始缺陷等因素的钢梁加劲过渡区非线性计算模型，模拟分析过渡区应力集中和屈曲等受力特点。通过比较有限元计算和试验结果，表明采用A NS Y S建立壳单元有限元模型能够较好地模拟加劲过渡区的承载性能；基于加劲过渡区受压数值模拟分析，认为其破坏过程是局部刚度削弱引起屈曲，从而导致结构加劲过渡区整体屈曲发生。

混合梁结合段加劲过渡区受力机理有限元

1 序言

混合梁斜拉桥结构体系具有方便架设、保证支座不产生负反力、提高边跨刚度、有效控制主梁竖向变形、减少斜拉索疲劳影响等诸多优点[1]。结合段处是混合梁刚度的突变点，大桥需要通过混合梁结合段来实现刚度的平稳过渡。若设计不当则容易造成刚度的跳跃，产生变形突变和折角，出现桥面行车不平顺、跳车等现象，进而产生冲击荷载对结合段及其附近钢箱梁和混凝土箱梁的桥面系造成局部破坏。

钢混结合段主要包括钢梁加劲过渡段、钢混结合部、混凝土梁加强过渡段三部分组成。钢梁加劲过渡段一般由母板、后承压板、U肋、复合加劲肋、横隔板等组成。其目的在于将来自桥面板较大的轴力扩散至全截面，达到整个结构的传力平顺。刘荣[2]通过有限元计算模拟3种钢梁加劲过渡段形式，对传统复合加劲肋力学性能进行比较，探讨了复合加劲端部应力集中特点。辛灏辉[3]对2种新型加劲过渡段进行模型试验，揭示了其复合加劲端部局部屈曲的发生机理。

本研究以实桥混合梁钢混结合段尺寸为基础，开展钢梁过渡段1∶2缩尺的承载性能模型试验，并通过有限元建模研究钢梁加劲过渡段端部的受力机理、破坏模式及承载能力。

2 加劲过渡段模型试验

最近建设的几座混合梁斜拉桥为了减少钢梁加劲过渡段端部的应力集中，一般将焊接在U肋上的T肋在端部改为板肋。模型试件如图1所示，试件母板长1720mm，宽1040mm，厚10mm。U型加劲肋通长加劲，厚4mm。变高度T型加劲肋加劲长1000mm，竖板横板厚均为12mm。为改善突变截面的应力集中现象，T肋竖板前端延长300mm。

图1 模型试件构造及尺寸（单位：mm）

图2模型试件

图2 为模型试件，在后承压板开洞并使用螺栓固定在试验台底部，前承压板与试验台作动器连接。图3为加载示意图，采用电液伺服协调加载系统分级加载，并记录结构荷载位移曲线及相关数据。原桥在最不利工况下（成桥恒载+公路I级活载及人群荷载+温度作用+沉降作用），结合段截面轴力约在150000kN。由于模型仅包含三根肋且设计相对偏安全，模型构件对应的2.5倍设计荷载约为2000kN。故试验加载在2000kN以下采用力控制，2000kN以上采用位移控制加载。

图3 加载示意图

3 有限元模型及比较分析

3.1 模型建立

采用大型通用有限元软件ANSYS进行有限元模拟，使用可以考虑弹塑性本构、大变形大位移的SHELL181建立壳单元模型。构件网格划分及边界条件如图4所示。单元尺寸为板件厚度的3～4倍，满足结构受力分析要求。与作动器连接的顶部建立刚域，施加分布加载的位移荷载，并约束水平方向自由度。底部单元节点约束三个方向自由度，以模拟构件底部与结构固结。

图4 有限元模型建立及边界条件

钢材材料性质测试结果如表1所示。以测试结果数据为基础，采用双线性随动强化模型引入材料的本构关系。

表1 钢材材料性质测试结果

有限元计算中引入残余应力及初始缺陷，残余应力分布依照FHWA取值[4][5]，如图5所示。残余压应力取值为0.25fy，残余拉应力取值fy，且满足截面自平衡。初始缺陷依照欧洲规范Eurocode3[6]，采用有限元一阶弹性屈曲模态，对应弹塑性计算取值为板宽1/150。

图5 残余应力分布

3.2 与试验结果的比较分析

图6是模型试件在轴向力作用下荷载-位移曲线。试件受压过程共分成3个节段，分别是弹性受力阶段、弹塑性受力阶段和承载力下降段。三个阶段的刚度逐渐变化，在弹性受力阶段和弹塑性受力阶段，试件刚度与试验结果相近。

试件的承载力Pu在3890kN，为0.78Py，有限元计算承载力与试验值误差在2.3%。其中P为结构受压承载力，Py为结构最薄弱截面全截面受压屈服的理论承载力。

图6模型试件荷载-位移曲线比较

图7 是试件受压破坏模态，试件出现了较为明显的局部屈曲和整体屈曲。在试验过程中，由于局部屈曲与整体屈曲的发生时间相近，无法比较先后关系。局部屈曲的位置在复合T肋加劲的末端，整体屈曲出现的弯折也在此附近。U肋顶面与侧板均出现局部屈曲，顶面内凹，侧板外凸。试件在T肋延长段末端出现整体屈曲，弯折明显。对比屈曲发生的位置及趋势，有限元的计算结果与试验结果均吻合。

4 加劲过渡区受力机理分析

钢混结合段加劲过渡区在加载初期处于弹性受力阶段，刚度保持不变，结构的承载力是与结构的轴向位移成正比，达到构件的弹性承载力Pe在0.45Py左右。

加劲过渡区应变状态如图8所示，随着荷载继续增加，加劲过渡区进入弹塑性受力阶段。塑性应变最早产生自过渡区突变截面，位于T型加劲板竖板的延长前端。此处过渡区U肋截面由于应力集中和一定的初始缺陷，含有残余压应力的部分截面进入屈服，导致截面刚度下降。此阶段过渡区斜率逐渐降低，加劲过渡区刚度不断下降，达到加劲过渡区的弹性承载力Pu≈0.78Py。当结构承载力到Pu时，突变截面全截面进入塑性，突变截面以上的母板区域出现较大塑性区。由于应力集中，位于U肋顶面的塑性区塑性发展最大。

图7 试件破坏模态

图8 加劲过渡区塑性应变状态

为进一步了解结构塑性应变随承载力的发展，加劲过渡区各板件位于突变截面处的塑性应变随荷载变化如图9所示。

加劲过渡区受压的塑性发展可分为三部分：即（1）承载力达到Pe后，构件U肋顶面塑性应变逐渐增加；（2）在承载力增至0.6Py时，含有残余压应力的母板板件塑性应变逐渐发展；（3）达到Pu后，母板各块板件塑性变形迅速发展，U肋顶面塑性应变基本已不再发展。

通过塑性应变发展可知，在承载力上升段，刚度削弱分成两次：第一次是U肋顶面进入塑性；第二次是含残余压应力的母板进入塑性。在承载力上升过程中，U肋的屈曲逐渐发展；而母板的屈曲发生在承载力的下降过程中。

图10为各部分板件屈曲位移随受压荷载变化的曲线。荷载到达Pu，由于局部缺陷的影响引起变截面处U肋局部屈曲，U肋侧板面外位移反向增大。母板面外位移在达到Pu前较小，当U肋加劲效果因屈曲降低后，母板承担比例增加，面外位移迅速增大，最终引起朝向U肋方向的整体屈曲。

图9 板件塑性应变随荷载的变化

图10 板件屈曲位移随荷载的变化

5 结论

（1）基于ANSYS有限元模拟混合梁结合段加劲过渡区，计算极限承载力与试验结果误差为2.3%，刚度变化趋势与试验测试结果相近，破坏形态与试验现象吻合。

（2）加劲过渡区破坏原因是应力集中导致含有残余压应力与初始缺陷的U肋顶面及侧面的局部屈曲，削弱了截面刚度，在模型进一步承载过程中，受力偏心导致结构整体屈曲发生。

（3）加劲过渡区刚度削弱其原因一是因为复合T肋延长板导致U肋截面应力集中，塑性变形最先发生在U肋顶面及侧面；二是因为母板含有残余压应力板件进入塑性，最终母板与U肋均发生局部屈曲并丧失刚度。

[1]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.

[2]Liu Rong,Liu Yuqing.Analysis of auxiliary ribs in steel–concrete joint of hybrid girder[J].Journal of Constructional Steel Research. 2015,112:363-372.

[3]Xin Haohui,Liu Yuqing,He Jun,Zhang Youyou.Experimental and analytical study on stiffened steel segment of hybrid structure[J].Journal of Constructional Steel Research.2014,100:237-258.

[4]肖维思,王佳,刘玉擎,黄李骥.高强度U肋加劲钢板残余应力测试及模拟分析[J].同济大学学报:自然科学版,2016,44（11）:1645-1652.

[5]Department of Transportation Federal Highway Administration（FHWA）.（2012）.Manual for Design,Construction,and Maintenance of Orthotropic Steel Deck Bridges,No.FHWA-IF-12-027.

[6]European Committee for Standardization,（2005）.Eurocode 3:Design of steel structure–Part 1–5:Plated Structural Elements,Brussels,EN 1993-1-5.