连续梁与悬索组合桥梁钢混结合段受力分析

2021-09-06朱福春崔明珠任伟新

合肥工业大学学报（自然科学版） 2021年8期

朱福春, 崔明珠, 任伟新, 章征

(1.安徽省交通控股集团有限公司,安徽合肥 230088; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

国内外混合梁的设计多应用于混合梁斜拉桥和混合梁连续梁桥中,如德国的舒马赫桥、中国上海徐浦大桥、中国舟山桃夭门桥、中国重庆石板坡长江大桥复线桥等[1-4]。近年来,混合梁悬索桥的出现拓宽了混合梁的应用范围,如2007年建成的佛山平胜大桥[5-6]和2014年开建的重庆鹅公岩轨道交通专用桥[7]。虽然目前混合梁应用已较为广泛,但是不同桥型和位置的钢-混结合段设计各有不同,因此针对钢-混结合段的研究,国内外学者大多采用有限元分析和模型试验的方法进行力学性能和传力机理分析。

文献[8]对混合梁结合段的构造形式进行了分类,并指出有格室构造的结合段应用前景更好;文献[9]对南昌英雄大桥的斜拉桥钢混结合段进行了1∶2缩尺试验,试验数据表明钢-混结合段有足够的强度,构造措施设计合理;文献[10]针对结合段内混凝土和钢板之间的连接方式,建立了2种有限元模型,研究2种模型的传力机理和适用情况;文献[11]针对有格室后承压板构造形式采用有限元建模分析进行了结构参数系统研究,指出抗剪连接件刚度和格室高度对结构的受力性能影响很大,需重点考虑;文献[7]对重庆鹅公岩轨道交通专用桥进行了缩尺试验和有限元建模分析,得到轴力作用下钢-混结合段的传力机理,并指出承压板为主要传力构件。国内外还有不少学者针对结合段内开孔板剪力连接件进行推出试验,进行承载力公式的推导[12-17]。

连续梁与悬索组合桥梁结构体系是一种新型组合协作体系桥梁,边跨采用混凝土外伸梁,可充分利用混凝土梁的重量和刚度,中跨悬索段采用钢箱梁,重量轻,跨越能力大。2种材料和桥型的结合,有效地发挥了钢梁和混凝土梁各自的优点,改善了结构体系的受力,优化了工程经济。连续梁与悬索组合桥梁结构通过钢-混结合段来连接2种体系,2种体系的交界处几何构造和应力场复杂,其受力特性直接关系到整个桥梁的安全[18-19]。因此，钢-混结合段的受力和传力问题需进行专门的研究。

1 钢混结合段构造形式

某大桥的设计方案为连续梁与悬索组合桥梁结构体系，桥型布置如图1所示,图1中的单位为m。方案中钢-混结合段采用部分填充后承压板式构造,钢-混结合段构造图如图2所示。

图1 连续梁与悬索组合桥梁结构体系示意图

图2 钢混结合段构造示意图

图1中组合桥梁主梁全长325 m,跨径布置为70 m+185 m+70 m。其中，主跨跨中等截面钢箱梁78 m，边跨及其余部分主跨采用变截面混凝土梁,跨中钢箱梁梁高3 m,变截面混凝土梁根部高6 m。因为钢梁与混凝土梁截面刚度不同,两者直接相连容易产生刚度突变,局部应力集中过大,所以通过钢-混结合段将2种梁体连接起来,利用2种不同材料梁段截面的几何特性差别来平衡其弹模差别,以逐级、有效地把钢箱梁高应力状态向混凝土梁低应力状态传递、分散[12]。

图2中钢-混结合段由混凝土过渡段、结合段和钢梁过渡段3个部分组成。混凝土过渡段采用增大普通混凝土梁段顶、底、腹板的厚度进行刚度过渡;结合段为多格室结构,格室内填充混凝土,在格室开孔钢板上设置栓钉和PBL剪力键,并将预应力钢绞线锚固于承压板,使格室钢板、承压板以及内填混凝土紧密结合;钢箱梁过渡段加厚了普通钢箱梁段顶、底板厚度,并在U肋上设置变高度T型肋进行刚度过渡。

2 钢-混结合段有限元分析

钢-混结合段因处于2种桥型的连接处,受力复杂,且重要性突出。选用有限元软件Midas FEA建立了钢-混结合段局部有限元模型,分析其在荷载组合工况下的应力状态,验证其安全性。

2.1 模型建立

根据圣维南原理,为减小边界条件对研究段的影响,选取包括钢-混结合段在内的分析段长度共17.85 m。其中：混凝土箱梁段长5.35 m,混凝土过渡段长1.39 m,钢-混结合段长2.11 m,钢箱梁过渡段长5.2 m,普通钢箱梁段长3.8 m。考虑到模型的复杂性和对称性,模型宽度方向取主梁的1/2。

钢箱梁段以及钢格室板采用板单元模拟,材料选用Q345;混凝土箱梁和内填混凝土采用3D实体单元模拟,材料选用C50;预应力钢绞线采用钢筋单元模拟,预应力筋为φ15.2 mm钢绞线,标准抗拉强度为1 860 MPa。承压板与填充混凝土黏接较好,采用节点耦合方式进行模拟,其他位置处钢格室板与内填混凝土之间采用弹簧单元连接

来模拟抗剪连接件,弹簧单元剪切刚度根据相关研究[11]确定为2.34×105N/mm。

采用悬臂加载方式,将混凝土箱梁端部截面固结,约束6个方向的自由度,钢箱梁端部截面以截面形心为主节点,形成刚性域,在该形心节点处施加荷载。由于选取了1/2结构进行分析,在纵桥向对称面上施加对称约束。

有限元模型如图3所示。模型整体坐标系如下：纵桥向为Y轴,指向钢梁段的方向为正向;横桥向为X轴;竖向为Z轴。

图3 钢-混结合段有限元模型

为获得结合段真实的应力状况,对全桥进行整体计算分析,计算承载能力极限状态下钢箱梁端部截面的最不利轴力组合和最不利正弯矩组合内力,以及该组合下相应的结合段内吊杆力,结果见表1所列。将钢箱梁端部截面最不利荷载组合内力施加于端部形心点,吊杆力以竖向集中力方式直接作用于相应的锚固位置。

表1 最不利荷载组合工况下内力

2.2 钢-混结合段内力分析

最大轴力与最大正弯矩组合工况下模型的内力接近,以最大正弯矩组合工况为例,说明最不利荷载组合工况下钢-混结合段的受力机理。

最大正弯矩工况下,钢结构部分的Mises应力如图4a所示。除部分应力集中的区域,98.8%钢结构区域Mises应力均小于123.5 MPa,应力集中区域发生在横隔板与顶底板交界处、T加劲肋与U肋交界处以及吊杆力作用位置。普通钢箱梁段应力普遍大于钢箱梁过渡段,钢箱梁过渡段通过增设变高度T加劲肋,钢结构应力逐步扩散,通过承压板后结合段内钢结构应力减小明显,大部分低于40 MPa。

承压板的轴向应力分布如图4b所示。由图4b可知,除极小部分区域出现拉应力,99%以上区域均处于受压状态。截面上部T加劲肋对应位置以及预应力钢绞线附近压应力较大。

混凝土部分轴向应力分布如图4c所示。由图4c可知，除下格室底部小范围填充混凝土及横梁中部存在拉应力外,截面基本全部处于受压状态,最大压应力为18.2 MPa。

图4 钢-混结合段应力分布

结合段内填充混凝土应力分布规律与承压板应力分布规律相似,混凝土过渡段截面上部压应力大于截面下部区域,随着预应力筋的下弯,普通混凝土段截面压应力分布逐渐均匀。

3 钢-混结合段传力机理

钢-混结合段主要承受较大的轴力和弯矩,弯矩可以分解成受压侧压力和受拉侧拉力,因此对结合段仅作用轴向力,分析其结合段内轴力传递规律以及传力过程的主要影响因素。

3.1 传力过程分析

钢-混结合段钢格室和内填混凝土承担轴力比例的变化曲线如图5所示。由图5可知,经过承压板后,58.63%的轴力传递给内填混凝土,之后通过剪力连接件及钢-混之间作用力,轴力逐步由钢结构传递至混凝土。在端部轴力传递速度较快,分析原因是由于群钉效应,端部抗剪连接件作用更加明显,传力较快[11]。 143.5～160.0 cm段由于混凝土截面的增大,导致钢混接触区域增大,传力速度也明显增加。经过结合段后,钢格室内剩余轴力通过端部截面全部传递给混凝土。

图5 结合段轴力传递过程

3.2 承压板厚度影响分析

取承压板厚度为30、40、50、60、70、80 mm,分析承压板厚度对钢-混结合段内各构件传力的影响。不同承压板厚度下,混凝土轴力传递曲线和各构件传力比例如图6所示,见表2所列。从表2可以看出：随着承压板厚度的增加,承压板传递轴力的比例在逐渐增加,但总体增大幅度较小;剪力连接件传递轴力比例有所下降,钢格室端部传递轴力比例基本不变。由图6可知,承压板厚度变化主要影响靠近承压板100 cm内结合段的轴力传递,此范围内承压板厚度越小,轴力传递速度越快,随着距承压板距离增大,此影响逐渐消失。说明承压板厚度越小,前几排剪力连接件承受的荷载会越大,不利于剪力连接件的受力。

图6 不同厚度承压板轴力传递曲线

钢格室厚度/mm承压板剪力连接件钢格室端部3057.0213.7429.244057.5013.3129.195058.1312.7029.176058.6312.2429.127058.6812.2029.128059.3911.5229.09

3.3 钢格室厚度影响分析

钢格室进行设计时,外侧面板一般与钢箱梁过渡段的顶底板厚度保持一致,内侧面板及腹板厚度一般取16～25 mm[12]。内侧面板和腹板厚度取15、20、25、30、35 mm,分析钢格室厚度对各构件传力性能的影响。不同钢格室厚度下,混凝土轴力传递曲线和各构件传力比例如图7所示,见表3所列。由表3可知,随着钢格室面板和腹板厚度的增加,承压板承担轴力比例逐渐减小,厚度从15 mm增至35 mm,降幅为8.56%,钢格室端部承担轴力比例逐渐增加,增幅为8.65%,剪力连接件传递轴力比例变化幅度很小。由图7可知,不同厚度钢格室板轴力传递曲线基本平行,说明改变钢格室板厚度对剪力连接件传力影响很小。

图7 不同厚度钢格室板轴力传递曲线

表3 不同厚度钢格室各构件传力比例单位:%

综上可知,增大承压板厚度会增大承压板的传力比例,增大钢格室厚度会减小承压板传力比例,但承压板传递轴力比例均在54%以上,且增大幅度不超过9%,说明承压板为结合段内主要传力构件,且传力比例受参数变化影响不大[7]。

4 钢-混结合段刚度匹配

钢-混结合段两侧钢箱梁和混凝土梁弹性模量相差约6倍,通过设置钢箱梁和混凝土梁过渡段,平衡2种材料的弹性模量差别,逐步把钢箱梁应力平顺过渡到混凝土梁。为研究刚度匹配问题对整个钢-混结合段的受力影响,建立钢箱梁过渡段和混凝土梁过渡段的不同刚度配置模型,分析不同刚度配置下结合段内力。

4.1 不同刚度钢箱梁过渡段

钢箱梁过渡段通过设置变高度的加劲肋来进行刚度过渡[12]。修改T肋高度变化分别为400 mm、400～600 mm、400～800 mm(原模型T肋高度变化为400～800 mm)以及不设置T肋的4种模型,其中T肋高度变化为400 mm简称为T-400,同理400～600 mm和400～800 mm简称为T-600、T-800,不设置T肋称为无加劲肋。

最大正弯矩工况下,混凝土段最大和最小轴向应力及钢结构最大Mises应力见表4所列。由表4可知,无加劲肋模型与有加劲肋模型相比,混凝土段和钢结构段最大应力相差不明显,仅U肋最大应力明显小于有加劲肋模型,分析原因是无加劲肋模型无T肋与U肋交界处的应力集中现象。虽然无加劲肋模型最大应力与有加劲肋模型相差不大,甚至小于有加劲肋模型,但无加劲肋模型的整体应力水平较高。如钢结构顶板Mises应力,无加劲肋模型顶板100%区域应力大于50 MPa,有加劲肋模型约85%区域应力大于50 MPa;顶板U肋Mises应力,无加劲肋模型90.2%区域应力大于70 MPa,有加劲肋模型约60%区域应力大于70 MPa。T肋高度变化不同的3个模型,最大应力和应力分布水平均相差不多。

表4 不同刚度钢箱梁过渡段结构内力单位:MPa

综上可知,在钢箱梁过渡段设置加劲肋可以缓解钢箱梁部分的高应力状态,但T肋的高度变化对结构内力水平影响较小,可以在适当范围内减小T肋的高度变化。

4.2 不同刚度混凝土过渡段

混凝土过渡段通常采用加大混凝土填充量的方式,使结合段处2种不同材料梁段的刚度过渡比较平缓,传力比较顺畅[1]。为了研究混凝土填充量变化对结合段受力的影响,修改混凝土过渡段长度为460、920、1 390 mm和不设置过渡段,对模型作用最大正弯矩组合工况下的内力,分析钢-混结合段内力的变化。

最大正弯矩工况作用下,混凝土梁段及内填混凝土最大和最小轴向应力以及钢结构段最大Mises应力见表5所列。由表5可知：无过渡段模型混凝土梁段及内填混凝土轴向压应力值最大,有过渡段模型的轴向压应力值相差不多,但过渡段长度较大时,会增大混凝土最大轴向拉应力值(出现在横隔梁中部);无过渡段模型的承压板和钢箱梁Mises应力值也比有过渡段模型大,有过渡段模型中,过渡段1 390 mm钢箱梁内力值最大。