钢混组合斜腿刚构桥节点优化及结构稳定性分析

■何晓晖 王 健 代 亮

(深圳市市政设计研究院有限公司，深圳 518029)

1 概述

超静定斜腿刚构拱桥，造型优美，结构新颖，具有设计合理、结构轻巧、施工周期短等优点[1]。常用的斜腿刚架桥为钢筋混凝土结构，施工比较复杂，使用过程中会产生开裂等病害[2-3]，因此可以尝试将钢混凝土组合结构用于斜腿刚架[4]。在钢混凝土组合斜腿钢构中，上部结构采用工字型钢梁与钢筋混凝土桥面板结合的组合梁结构，在组合梁与承台之间通过型钢混凝土斜腿进行传力，斜腿钢梁与主梁钢梁作刚构连接[5]。主梁采用组合梁的形式充分利用混凝土抗压性能好，钢结构抗拉性能优的特点，二者通过剪力键结合，使结构在安全性和经济性上达到最优。斜腿采用型钢外包混凝土结构，二者不仅共同受力，并且型钢使斜腿与钢主梁连接简化，混凝土增加了斜腿的稳定性及作用传递至拱脚的可靠性[6-7]。

钢-砼组合梁结构在欧美、日本各国发展较早，编制了相应的设计标准或规范，但是这些规范主要是针对钢板梁以及闭截面钢箱梁的组合截面形式，体系上也主要是着重在技术上比较成熟的简支梁桥。从国外及国内的具有代表性的已建桥例来看，设计构思各异，仅针对所建桥梁开展了相应的研究工作，还未形成可供参考的具有共性的设计理论及方法，并且未出现本设计中采用组合梁斜腿刚构体系的桥梁形式，其受力与普通的工字钢组合梁桥受力特点有很大差异[8]。因此有必要针对这种新型组合桥型专项的主梁稳定性及加劲构造优化分析高精度数值模拟计算，确保桥梁结构的安全性、技术合理性以及经济性，为后续的设计和施工积累必要的经验。

2 桥梁结构有限元模型

2.1 桥梁概述

随着合肥市城市建设和交通事业的快速发展，早期建设的桥梁已经不能满足现在城市的通行需求，合肥市长江路老桥使用已达35年，同时原桥梁设计荷载等级较低(汽-15)。经过桥梁检测，该桥主结构的承载能力已严重不足；同时合肥地铁一号线区间位置与该桥重叠，且该桥也不满足新建道路路口交通设计设计要求，需要对其进行拆除重建。根据前期方案设计和征求市民的意见，在综合分析技术、经济、工期、施工条件等因素下，新建长江路桥梁方案确定采用上承式斜腿刚架拱桥结构，为超静定结构体系。主要技术标准为：(1)道路等级：城市快速路；(2)设计行车速度：80km/h；(3)荷载等级：公路-I级；(4)桥面宽度：双幅布置，单幅桥宽25.5m；(5)地震作用：地震动峰值加速度0.1g。

全桥桥长77.6m，主跨55.16m，单幅桥宽为：3m(人行道)+3.5m(非机动车道)+19m(机动车道)=25.5m。主梁采用变高度钢-混组合梁，斜腿采用等高度钢骨混凝土组合结构总体布置见图1。

上部主体结构采用钢-混凝土组合工字梁结构，单幅桥纵向共有7片工字型梁，纵梁横向间距3.6m；各纵梁间沿纵向每隔3.8～4.0m设置一道横梁，主梁上翼缘板宽为 0.6m，板厚25mm，下翼缘板宽0.6m，板厚40mm，纵梁腹板沿纵向变高度，在与斜腿结合处高度最大；桥面采用钢筋混凝土结构，板厚0.3～0.4m，横断面布置见图2。

2.2 桥梁结构整体有限元模型

图1 总体布置图

图2 半幅桥横断面布置图(单位cm)

本工程桥梁为主梁变高度的组合梁斜腿刚构桥，在中支点刚构节点处，不仅主梁高度变化，并且主梁与斜腿的连接构造也十分复杂，如何将上部结构承担的荷载安全、有效、平顺的传递至斜腿以及斜腿以下的承台是设计工作中至关重要的问题，斜腿部分的构造对桥梁总体受力也有一定的影响[9]。结构总体采用有限元分析对桥梁整体进行分析，着重分析中支点节点处变高度主梁及斜腿连接处的受力情况及其稳定性，并通过调整局部加劲构造优化桥梁的局部受力，提高桥梁稳定性[10-11]。

利用通用有限元软件对全桥进行实体-板壳建模，混凝土桥面板及混凝土斜腿采用实体单元模拟，钢主梁及斜腿内的型钢采用板壳单元模拟。本计算中认为斜腿与混凝土承台由良好的结合，斜腿固结在混凝土承台上，边跨支点处除中间主梁约束竖向及横桥向位移，其他纵向主梁仅约束竖向位移，所有支点均可沿顺桥向移动，如图所示。有限元计算中通过对生死单元模拟施工工况。

3 节点优化设计和受力分析

3.1 原有节点设计及结果分析

桥梁原有主梁变高度处加劲设计如

图所示，主要通过三道竖向加劲以及结合部的斜向加劲传递荷载，并设置水平加劲承担顺桥向的应力作用。

主梁腹板及上下翼缘的Mises应力构造示意图如图5所示，在中支点附近主梁靠近上翼缘处受到的应力较小，主梁靠下翼缘处收到的应力较大，并且应力较大处集中在下翼缘处，主梁应力分布较不均匀，且应力传递路径不明确。

3.2 主梁节点优化设计及结果分析

考虑到原有设计中主梁传力主要靠下翼缘传递，其应力较大，为分担下翼缘的应力，在主梁靠近下翼缘位置处设置一道与下翼缘平行的加劲肋，同时调整其他位置的加劲构造，具体调整如图6所示。并且在靠近行车道侧的边侧主梁上的加劲为双面布置，防止在偏载的不利影响下最边侧主梁发生失稳现象。

图4 原有加劲设计构造示意图

图5 原有设计主梁节点Mises应力

调整主梁构造后，主梁应力传递主要靠下翼缘板及平行的加劲共同承担，应力得到较大的分担；主梁应力较为均匀，应力较大的区域增加，进一步分散了主梁的应力。在加劲端部有一定的应力集中现象，但应力水平不高。

4 节点优化前后的机结构总体稳定性分析

4.1 原设计桥梁总体稳定性分析

4.1.1 成桥使用阶段1：恒载作用

图3 桥梁模型及约束条件

由于有栏杆等二期恒载的偏载作用，主梁在最外侧的主梁上会最先发生失稳，失稳的前两个模态如图8所示。屈曲系数约为9，稳定性较好。主要的失稳位置为从跨中向边跨第四与第五个横隔梁之间。

4.1.2 成桥使用阶段2：恒活载共同作用

所有主梁最外侧边梁的加劲均为单面布置，而当车辆荷载满布于车道上时，桥梁整体处于偏载作用，故最外侧边梁最先发生失稳，失稳模态如图9所示。主要的失稳位置仍为从跨中向边跨第四与第五个横隔梁之间。屈曲系数均超过5，稳定性较好。

4.2 优化设计后桥梁总体稳定性分析

4.2.1 成桥使用阶段1：恒载作用

在恒载作用下，由于有栏杆等二期恒载的偏载作用，主梁在最外侧的主梁上会最先发生失稳，失稳的前两个模态如图10所示。屈曲系数均超过10，稳定性较好。主要的失稳位置为从跨中向边跨第四与第五个横隔梁之间。

4.2.2 成桥使用阶段2：恒活载共同作用

当车辆荷载满布于车道上时，桥梁整体处于偏载作用。但由于最内侧主梁加劲为双面布置，其稳定性较好，故相对的内侧第二片主梁会先于最内侧主梁失稳，失稳模态如图11所示。主要的失稳位置仍为从跨中向边跨第四与第五个横隔梁之间。屈曲系数均超过5，稳定性较好。

图6 优化后加劲布置设计示意图

图7 优化设计后主梁节点Mises应力

图8 恒载作用下桥梁屈曲模态

图9 满布车辆荷载作用下桥梁屈曲模态

图10 恒载作用下桥梁屈曲模态

图11 满布车辆荷载作用下桥梁屈曲模态

4.3 优化设计前后桥梁总体稳定性对比

经过节点优化设计后，在恒载作用下桥梁最先发生失稳以及主要失稳位置不变，但屈曲系数有一定的提高。在恒活载共同作用下，桥梁最先发生失稳位置变化，主要失稳位置不变，屈曲系数均超过5，桥梁总体稳定性有所提高。

5 结论

(1)提出了组合梁斜腿刚构桥代替传统的钢筋混凝土斜腿刚架桥，主梁采用组合梁充分利用混凝土抗压性能好，钢结构抗拉性能优的特点。斜腿采用型钢外包混凝土结构，二者共同受力，并且型钢使斜腿与钢主梁连接简化，混凝土增加了斜腿的稳定性及作用传递至拱脚的可靠性。

(2)采用钢混组合结构的上承式斜腿刚架拱桥新型结构设计，中支点刚构主梁高度变化形成异形节点，主梁与斜腿的连接构造复杂。通过调整局部加劲构造，对斜腿刚构的主梁进行节点优化设计，根据对比分析，经过优化设计后的主梁应力分布更加均匀，应力传递路径明确，有效防止在偏载的不利影响下最边侧主梁发生失稳现象。

(3)利用通用有限元软件对全桥进行实体-板壳建模，进行桥梁结构总体稳定性分析，经过优化设计后的桥梁屈曲系数提高，总体稳定性有进一步提升。