铁路刚构-连续混合梁桥钢-混结合段合理构造参数研究

蒲黔辉，谢自畅，杨仕力，黄胜前，杨朝龙，洪 彧，3

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；3.西南交通大学陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室，成都 611756)

引言

对于混合梁桥而言，钢-混结合段是其截面特性的突变位置，成为全桥结构的薄弱环节，在设计中需引起高度重视。刚构-连续梁桥作为中大跨径的首选桥型之一，结合了连续梁桥和连续刚构桥各自的优点，一方面，相比连续刚构可降低温度和收缩徐变对结构产生的次内力影响；另一方面，通过一侧设置固结墩可使原本为固定支座的墩顶受力更合理，因而在整体受力性能上有一定优势[1]。

目前，混合梁广泛应用于公路桥梁，在铁路桥梁中则主要应用于斜拉桥[2-3]。文献[4-5]以宁波甬江特大桥为背景，利用数值仿真方法计算了结合段钢与混凝土的受力及轴力分配比例，研究了铁路斜拉桥钢-混结合段的受力特征及传力机理，并通过模型试验进行了验证，得到了其传力特性及合理构造参数；王小飞[6]采用ANSYS软件建立了混合梁斜拉桥钢-混结合段有限元模型，分析了其中钢和混凝土的受力状态及轴力分配比例，验证了结合段结构设计的合理性；韩建秋等[7]通过模型试验对银洲湖大桥结合段钢格室进行了轴向加载试验，分析了其破坏形态、界面滑移及应力传递规律；YANG等[8]采用模型试验和数值计算的方法，对潭江特大桥结合段进行了传力机理和参数分析研究，结果表明后承压板厚度对传力比及滑移影响显著，而前承压板则影响较小。

由上述文献综述可知，以往研究多针对公路桥梁的钢-混结合段或铁路斜拉桥结构，未见钢混结合段在铁路刚构-连续梁桥中应用的相关报道。刚构-连续梁受力特点与斜拉桥有较大差异，且由于刚构桥结合段往往位于中跨变高段，不同于斜拉桥等高梁结合段的受力，因而，有必要对其传力行为及合理构造参数进行研究。以拟建杭温铁路永嘉右行线跨甬台温特大桥为研究背景，采用数值模拟方法建立该桥钢-混结合段的仿真模型，对其受力特征及相关影响参数进行分析，为同类型桥梁结合段设计提供参考。

1 工程概况

新建杭温铁路永嘉右行线跨甬台温特大桥主桥为钢箱混合刚构-连续梁桥，该桥跨径布置为(100+216+100)m，全长418 m(包括两侧梁端至桥墩中心线各1 m)，桥面为单线有砟轨道，设计时速160 km，设计活载为ZK标准活载。主跨杭州岸侧主梁为墩梁固结，温州岸侧设置活动支座，如图1所示。主梁边跨及部分中跨为单箱单室预应力混凝土箱梁，中跨90 m(包括2个长4 m的钢-混结合段)为钢箱梁。钢与混凝土交界面位于主梁中跨侧距离桥墩中心线63 m处，钢-混结合段处于中跨变高梁段。如图2所示，该桥钢-混结合段采用有格室后承压板式构造，长4 m，承压板厚50 mm，预应力筋锚固于承压板以及混凝土梁腹板和顶底板齿块上。钢格室长1.45 m、高1.35 m、标准宽0.6 m和0.86 m。剪力连接件采用PBL剪力板和剪力钉，PBL开孔板开孔直径为70 mm，贯穿钢筋直径20 mm；剪力钉直径22 mm，长200 mm。在结合段两端各有长6 m的混凝土刚度过渡段和11 m的钢梁刚度过渡段，钢梁过渡段加劲肋采用U肋内插变高度T肋的形式。钢格室段的钢箱梁顶底板及腹板为双壁板，通过其上的剪力连接件加强钢箱与混凝土结构的连接。

图1 杭温特大桥主桥立面布置(单位：m)

图2 钢-混结合段构造(单位：mm)

2 钢-混结合段力学特性分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS软件建立钢-混结合段有限元模型，为充分考虑圣维南原理，结合段两侧均至少考虑1倍梁宽的圣维南区段。模型总长36 m，包含18 m钢梁段，4 m结合段，14 m混凝土梁段。钢梁部分采用壳单元Shell63模拟，混凝土采用实体单元Solid45模拟，预应力钢筋采用杆单元Link8模拟，剪力钉与PBL钢筋采用梁单元Beam44模拟。钢梁与混凝土梁分开建模，先建立结构的几何模型，再划分单元生成有限元模型。

在建模计算时，通过节点耦合的方式考虑承压板与混凝土的相互作用，其他钢板仅通过将剪力钉和PBL钢筋与混凝土节点耦合的方式连接[9-11]。采用悬臂方式进行加载，即约束混凝土端截面所有节点自由度，在钢梁端截面形心位置处建立刚域，并在其上施加荷载。以承压板作为内力等效控制截面，将全桥Midas模型中该截面在最不利荷载工况下的内力进行等效后加至梁端(需扣除预应力效应和剪力施加位置由于远离控制截面所引起的附加弯矩)。建立的钢-混结合段三维有限元模型在4 m结合段处的单元模型如图3所示。根据对比，节段模型内力分布与全桥MIDAS模型计算结果基本一致，二者的等效情况见表1。钢-混结合段的结合面为全桥最薄弱的部位之一，利用全桥模型计算可得主力+附加力作用下结合面最不利受力工况为最大正弯矩工况，因此选定该组合为局部模型的加载工况。

图3 钢-混结合段有限元模型

表1 全桥模型内力与局部模型等效加载力

2.2 应力分布特性

结合段在承压板截面处于最大正弯矩工况下钢梁和混凝土顺桥向正应力如图4、图5所示，其中，X为横桥向距桥梁中心线距离，Z为纵桥向距承压板距离(沿混凝土侧为负，沿钢梁侧为正)。该工况下，结合段钢梁顶板最大压应力为64.5 MPa，钢梁底板最大压应力为40.7 MPa，正弯矩作用明显。混凝土正应力水平较低，最大压应力-10 MPa，压应力向混凝土刚度过渡段侧逐渐增加。钢梁顶板灌注孔周围应力水平略高于其他位置。从顺桥向来看，板件应力在格室段内增大，随后在混凝土加强段内逐渐减小。由图6可知，从横桥向来看，由于格室段在顶底板布有PBL剪力板，且腹板采用了双壁板，因而越靠近承压板剪力滞现象越显著，中部正应力较两侧高，钢梁最大正剪力滞系数为2.17，最大负剪力滞系数为0.12；混凝土最大正剪力滞系数为1.86，最大负剪力滞系数为0.10。

图4 结合段钢梁应力云图

图5 结合段纵横桥向正应力

图6 剪力滞系数分布

总体来看，结构受力较为均匀，整体应力水平较低。钢结构部分压应力大部分处于50 MPa以下，混凝土部分压应力基本处于10 MPa以下。钢梁板件在混凝土侧边缘布有剪力钉的区域存在一定的应力集中现象，拉应力峰值约为5 MPa左右，说明该处钢与混凝土之间可能出现法向的相对剥离。可以看出，钢梁应力最终减小至0，混凝土应力则从0逐渐增加，说明荷载逐步从钢梁传递至混凝土梁。

2.3 传力特性

对于有格室-后承压板式结合段，荷载由钢结构传递至混凝土的路径包括后承压板、顶底板上的剪力键及格室隔板上的剪力键，传力方式分为承压板的直接承压作用以及剪力连接件的受剪[12-14]。通过对各截面上的正应力进行积分，即可得到不同部分传递轴力的比例，该结合段钢梁与混凝土梁的轴向荷载承担比如图7所示。

图7 结构荷载传递曲线

计算结果表明，在后承压板截面上，承压板通过直接承压作用传递给混凝土的荷载占总荷载的56.2%，钢梁其他部分承担荷载比例为43.8%，随着传力长度增加，混凝土承载比例逐渐提高，在前0.5 m承担的轴力比例快速上升至74.3%，之后上升较为平缓。从格室-混凝土加强段截面的84.2%到最终承担全部荷载，这表明加强段顶底板剪力钉传递了15.8%的荷载。格室内顶底板与腹板传力比分别为33.2%和10.7%，表明顶底板剪力钉较PBL传力多，起到主要传剪作用。在距承压板1.5 m以后，传力构件仅为顶底板剪力钉。两种结构承担的荷载变化基本匀顺，无明显突变。

3 钢-混结合段参数分析

3.1 承压板厚度

为研究承压板厚度对钢-混结合段受力性能的影响，分别对不同厚度承压板的结合段进行有限元计算分析，其他参数保持不变，结果见图8。

图8 混凝土结构轴力传递曲线

从图8可以看出，随着承压板厚度的增加，承压板传递给混凝土的轴力比例增大。当承压板厚度在40～60 mm时，其传力比随承压板厚度的增加增长较快。从40 mm增大至60 mm时，结合面上混凝土承担的轴力比从52.0%增至60.1%；当承压板厚度在60～80 mm时，传力比随承压板厚度的增加增长趋于平缓。承压板厚度的改变仅对距结合面2.5 m范围内轴力的分配有影响，对此范围外的截面影响较小。可以认为，增大承压板的厚度能够提高承压板传递荷载的效率，但仅在一定范围内效果明显。而随着承压板变厚，其与相邻板件之间的应力集中水平也会相应提高，从而使得结构中易出现疲劳问题[15]。由于承压板厚度在60 mm以上时，增加厚度对传力效果提升不明显，且刚构桥的轴力远较斜拉桥小，因而承压板无需太厚，40～60 mm属于比较合理的承压板厚度范围。

3.2 钢梁埋入段长度

为研究钢梁埋入段长度对结合部受力性能的影响，分别对不同钢梁埋入段长度(除开格室长度以后)的结合段进行有限元分析，其他参数保持不变，结果见图9。

图9 不同埋入段长度混凝土传力比

由图9可知，钢梁埋入段长1 m时，混凝土在各截面所承担的荷载较长度1.5 m及以上时略有提高，而当钢梁埋入段长度≥2.5 m时，其长度的变化对结合段传力效果的影响很小。一般而言，埋入段长度越长，结合段顺桥向应力变化越趋于平缓，但这同时会增大结构的竖向变形。且结合部长度较长时，剪力连接件并不能更有效的发挥抗剪作用，甚至会降低其效果[16-18]。因此，在同类型结合段设计中，应综合考虑传力的均匀性、结构变形等多方面因素，根据方案比选确定最为经济合理的结合段长度。

3.3 剪力钉刚度

为研究剪力钉刚度对结合部受力性能的影响，分别对剪力钉直径为19，22，25 mm的结合段进行有限元分析，其他参数保持不变。由于剪力钉刚度对结合段传力比的影响较小，以下仅讨论其对剪力分布的影响，靠近混凝土侧顶板第一排剪力钉的横桥向剪力分布如图10所示。

图10 剪力钉剪力分布

由图10可知，剪力钉所受顺桥向剪力沿横桥向呈双峰形分布，其刚度对所受剪力影响较大，随着剪力钉刚度的增加，靠近混凝土梁侧的剪力钉承担的剪力显著增加，同时，其沿横向的分布越不均匀。原因在于，剪力钉刚度增大会使钢梁将更大的轴力以顺桥向剪力的形式传给剪力钉，继而传给混凝土，而对于剪力钉群而言，刚度越大，其受力就越不均匀[19-21]。可以看出，当焊钉直径从22 mm改为25 mm时，其抗剪刚度增加约14%，而剪力最大值增幅可达到约50%，但抗剪承载能力仅能增加约29%。因此，设计时不建议通过增大剪力钉直径来提高结构的抗剪承载力。

4 结论

针对杭温特大桥混合梁刚构-连续梁桥钢-混结合段，通过有限元模型计算了其应力分布特性，并重点分析了对结合段传力有影响的若干构造参数，以得到该类桥梁合理的结合段构造参数，得到以下结论。

(1)后承压板通过直接承压作用传递给混凝土的轴力比例约为56%，传力效果显著，其余轴力通过结合段内的剪力连接件传递。钢梁应力逐渐减小，混凝土应力水平整体较低。结构传力顺畅，设计合理。

(2)随着承压板厚度的增加，其所分担的轴力比例也有所增加，但对传力的影响仅限于距承压板2.5 m范围内。当承压板厚度大于60 mm后，其对传力的影响较小。因此，合理的承压板厚度应为40～60 mm，对于铁路荷载而言，除结构安全以外，还需综合考虑疲劳特性等因素选择适当的取值。

(3)钢梁埋入段长度的增加对于钢梁顶底板应力的平缓变化有利，对结构的竖向位移有影响。当钢梁埋入段长度大于2.5 m后，其对结合段传力效果的影响不甚显著。因此，应根据实际情况合理控制钢梁埋入段长度。

(4)当剪力钉刚度提高时，其承担的剪力也显著增加，但剪力钉剪力沿横向的分布越不均匀。同时，剪力最大值的增幅较抗剪承载能力的增加更高。因此，不建议通过增大剪力钉直径来提高结构的抗剪承载力。

上述问题的研究为大跨度铁路梁桥的设计提供了一种技术思路，采用混合梁的结构形式提高了桥梁跨越能力，同时中跨钢梁采用节段吊装的施工方法缩短了工期，该设计具有较好的应用价值。