江湾大桥钢混结合段特性分析

2021-10-24陈海斌李保木

工程技术研究 2021年16期

陈海斌，李保木

1.广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010

2.华南理工大学，广东广州 510641

1 工程概况

江湾大桥横跨北江，通航等级为内河Ⅲ级，单孔双向通航，通航净宽160m、净高10m；北江宽约400m，深约10m，航道靠北江南岸。结合河道和航道特点，采用独塔钢混组合梁斜拉桥，主塔位于北江北岸水域，桥跨布置为33m+102m+183m=318m，为半漂浮体系。

江湾大桥主跨为超宽钢箱梁结构体系，除了拉索处的横隔板，纵向还设置了桁架式或实腹式横隔板，钢箱梁自重轻，能提高斜拉桥的跨越能力，但刚度小，需在边跨配置混凝土箱梁结构，提高主跨刚度，并在钢箱梁和混凝土箱梁衔接处设置钢混结合段。由于北江水深较深，为避免在水中大量搭设支架增加混凝土段浇筑的困难，江湾大桥钢混结合段设置在⑮轴往主跨方向17.4m的位置，与常规的独塔钢混组合梁设置在主塔往主跨方向偏移的位置不同。

钢混结合段有整体式、填充混凝土整体式、填充混凝土直接式和承压板式等，该桥采用较为成熟的有格室后承压板形式，钢混结合段顶部42.5m，横向划分为14个钢格室，钢格室隔板设置了PCL键，钢格室腹板和纵腹板上开有Φ60mm圆孔，并穿过贯通的直径20mm的HRB400钢筋。钢混承压界面采用50mm厚的钢板，将钢箱梁主梁传递过来的内力过渡到混凝土箱梁。钢箱梁过渡加强段、钢混剪力连接段、混凝土横梁的长度分别为3.75m、2.7m和1.5m，钢混结合段附近的混凝土梁还设置了过渡加强段。钢混结合段位置钢箱梁过渡加强段顶、底板、腹板厚度为25mm，比标准段钢板偏厚，并采用加高T肋的方式对标准段的U肋上进行加强，确保了标准段U肋到钢混结合段传力的连续性。混凝土箱梁与钢混结合段之间除了上述的连接方式，普通钢筋也通过焊接到钢结构上的方式对钢混结合段进行加强。

2 有限元模型的建立与分析

2.1 建模概述

有限元实体分析能够解决三维杆系单元整体模型不能解决的问题，如细部构造的应力、局部构件的模拟等，局部模型的建立是边界条件和荷载根据全桥整体计算得到的，包括模型两端的弯矩、剪力和轴力。对于端部多节点的位置，则采用刚臂的形式将各个节点连接起来。模型分析了在最不利工况荷载组合下，钢混结合段在典型成桥阶段的空间受力性能。首先采用ANSYS Workbench中的几何建模工具Design Modeler建立了钢混结合段三维几何模型（考虑到桥面及荷载以梁中心线为对称轴，取一半结构进行建模），通过自动划分网格的形式建立了有限元模型，同时在模型中考虑了剪力钉、PBL剪力键等结构间的连接作用，预应力钢束降温桁架单元进行模拟，不考虑普通钢筋的参与。

2.2 ANSYSWorkbench建模

为了节约计算成本，考虑局部分析的精度要求，结合圣维南原理，只取钢混结合段前后钢箱梁和加强段、2.7m的钢混结合段、1.5m的混凝土横梁以及混凝土加强段，建立的几何模型如图1所示。

图1 江湾大桥钢混结合段三维模型

2.3 有限元模型

由于钢格室采用了膨胀混凝土，钢混结合段局部模型不考虑混凝土材料的时变特性，包括收缩和徐变，有限元模型钢板与桥面铺装层、剪力钉与PBL键、混凝土分别采用三维壳单元shell181、三维梁单元beam188和三维实体单元solid185进行网格划分，如图2～图3所示。模型总单元数和总节点数分别为428226和485392。

图2 钢混结合段有限元网格

图3 钢混结合段剪力钉和PBL剪力键钢筋网格

2.4 结果分析

从成桥状态最不利荷载组合下的局部应力分析结果可知，钢混结合段纵桥向始终处于全截面受压状态。钢箱梁加强段、钢混结合段及预应力混凝土应力水平总体较低，表明钢混结合段结构设计合理，具有足够的安全储备，如图4～图6所示。

图4 钢混结合段钢箱梁等效应力图

图5 钢混结合段钢箱梁纵桥向应力图

图6 剪力钉最大组合应力图

（1）钢混结合段由于存在众多的钢格室，在承压板、钢格室与混凝土黏结的位置均会出现应力集中的现象，但应力在结合面两侧一定距离会较为均匀。加强段钢箱梁的U肋及T肋与承压板的交界处有应力集中现象，钢箱梁加强段承压板、内腹板及底板交汇处的等效应力，最大达到175MPa。U肋及T肋与横隔板的交界区域存在等效应力最大达到212MPa的应力集中现象。

（2）钢混结合段混凝土纵桥向应力分布沿高度方向分层较明显，承压面两端的应力没有出现突变的现象，说明在钢混结合段两侧的刚度过渡较为合理。

（3）钢箱梁T肋承担了较大一部分轴力，对力的传递和分散作用明显。内外腹板附近顶板、U肋及T肋纵桥向应力变化较大，其他横桥向位置底板、U肋及T肋应力差值较小。