自锚式悬索桥钢- 混结合段传力机理分析

王锋

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆400074）

混合梁在1972 年于德国问世后，其新颖的结构引起了人们的重视，但是由于材料工艺以及技术认识的不足，导致这种桥型经历了十年左右的低谷，直到20 世纪90 年代，才在欧洲、日本等地逐渐发展起来，我国在混合梁方向的发展主要是在近三十年，由于其较传统混凝土桥梁具有更大的跨径、桥型优美和适用于更多复杂地形等诸多方面的优势，在国内得到了较好的发展。现代悬索桥为增大跨径，通常在跨中部位使用自重较轻、变形能力较强的钢箱梁，而在靠近边跨位置通过使用混凝土梁增加桥梁配重，平衡中跨竖向变形。结合段作为连接钢箱梁和混凝土梁的重要构件，其主要作用就是保证钢箱梁和混凝土梁不同的刚度在此平滑过渡，同时使钢板和混凝土之间的内力流畅传递。

1 工程概况

某自锚式独塔悬索桥为了使钢箱梁的内力平顺传递到混凝土梁上，在靠近桥墩8.8m 处设置长度为6.75m 的结合段。其采用无钢格室构造[1]形式，为了使结合段应力平滑传递，结合段混凝土梁采用喇叭状，使其末端混凝土厚度与结合段另一侧即钢箱梁侧T 肋在承压板处等高，而在钢箱梁侧，通过采用变高度U肋、加劲肋以及T 肋等构造措施，增加了箱梁的刚度，使钢箱梁应力沿变高肋平滑传递至承压板。此外，结合段混凝土梁侧分别设置长1.5m 顶板和底板，与长2m，厚度为25mm 的PBL 剪力键共同传递剪力。

2 有限元模型建立

根据圣维南原理[2]，使用等效作用力作用时，应力只会在靠近作用点处有区别，而在远离作用点的区域，等效作用力产生的应力相差很小。因此，本文中建立全长34.35m 的有限元实体模型，其包括：混凝土段8.8m +结合段2m +钢箱梁加劲过渡段4.75m +A 类梁段6m+标准梁段10.8m，又因为本桥梁沿桥梁方向左右对称，故采用二分之一模型。最终采用Midas FEA 建立的有限元实体模型如图1 所示。

图1 钢箱梁板件单元模型及网格划分

3 计算结果分析

3.1 结合段应力云图分析

如图2 所示，结合段钢板mises 应力介于0.89～89.8Mpa 之间，应力集中点的位置多在预应力筋在承压板锚固位置以及肋板于承压板相交位置，但是98%区域mises 应力值都低于67.5Mpa。从应力云图上看，结合段承压板处mises 应力值较远离承压板的钢板相应的mises 应力低，且距离承压板越远，应力越低。

图2 结合段钢板Mises 应力云图（单位Mpa）

承压板作为结合段最重要的构件之一，其受到混凝土梁侧的PBL 剪力键、顶底板、预应力筋以及钢箱梁侧加强肋的作用，也是结合段中受力状况最复杂的构件。图3 为结合段承压板mises 应力云图，从图中可以看出，承压板收受mises 应力介于3.52～89.8Mpa 之间，99%区域mises 应力在73.6Mpa 以下，整体应力值处于较低水平，应力较大处多在预应力筋锚固点以及钢箱梁腹板与承压板相交处。对于预应力筋锚固点应力较大，由于实际施工过程中，会在预应力筋锚固点设置锚垫板以缓冲和分散应力。

图3 结合段承压板Mises 应力云图（单位Mpa）

3.2 结合段受力特征

选择每个梁箱室的中心位置，分别计以DD、EE 和FF 截面。以承压板为起点，每0.2m 为间隔距离，且由于PBL 剪力键在承压板上是间隔布置，所以取距离前面所取三个截面距离最为接近的剪力键，依次记录顶板和底板剪力键的剪切应力值，得到图4 所示剪力键应力变化曲线。

图4 特征截面顶、底板PBL 剪力键应力变化曲线

从上述应力变化曲线可以看出，顶板剪力键在靠近承压板附近剪应力是最大的，且随着距离承压板的距离逐渐增大，剪应力降低并趋于平缓；而底板恰恰相反，其是在靠近承压板附近时，剪应力最小，随着距离承压板距离越远，剪应力逐渐增大并在0.4m 以后趋于平缓。

4 结论

4.1 钢箱梁和承压板最大mises 应力介于0.89～89.8Mpa 之间，且应力集中现象多出现在预应力钢筋锚固点以及钢箱梁钢板与承压板交接的位置，但都处于安全水平。

4.2 在最不利负弯矩工况下，PBL 剪力键最为结合段最重要的构件之一，其mises 应力介于7.28～42.09Mpa 之间，整体处于较低水平。

4.3 钢混结合段受力机制大致为，钢箱梁的内力通过加劲肋，包括U 肋、变高T 肋传递到承压板，然后由承压板传递到混凝土、剪力键以及顶底板上，其中，混凝土主要承受轴力作用，剪力键也承受一部分但是较混凝土小，剪力键主要作用是传递混凝土到承压板之间的剪力，顶底板由于有铆钉存在，可以承受部分剪力和轴力。