无背索混合梁斜拉桥钢混结合段力学性能研究

摘要：文章以一座无背索混合梁斜拉桥钢-混结合段为研究对象，通过非线性数值仿真分析，研究了其钢-混结合段的力学性能。分析结果表明：在关键荷载工况下，钢箱梁过渡段、钢-混结合段与混凝土过渡段应力水平总体小于规范设计值，结构安全有保障;钢混结合段及过渡段的主要构件应力梯度较小，传力整体流畅、均匀，结构设计较为合理。

[作者简介]胡阳（1996—），男，硕士，研究方向为组合结构桥梁钢-混结合段。

混合梁斜拉桥因其良好的受力与经济性能，近年来得到广泛应用[1]。混合梁既解决了纯混凝土箱梁在长期荷载作用下的跨中下挠问题，也解决了单纯采用钢主梁导致箱梁在支座附近钢底板和腹板厚度过厚的问题[2]。斜拉桥或连续梁桥的主跨用钢梁、边跨用混凝土梁，形成混合梁组合体系，性能上将大幅度得以提高，并且具有跨越能力大的优点。对于主梁同时采用钢、混凝土材料按混合体系布置时，钢-混凝土梁段的连接段的传力机理和受力性能是该类结构力学行为研究的重点。钢-混凝土接合部是主梁刚度突变点，为了满足刚度平稳过渡和应力的平顺传递，钢-混结合段的构造一般较为复杂，且因其传递的荷载巨大，通常表现出较强的非线性受力特征。

对钢-混结合段受力行为的研究往往采用模型试验并结合有限元仿真分析[3-5]，考虑到模型试验耗费巨大，周期长，且难以精确测量结合段内部的受力、变形情况，故采用有限元仿真分析作为研究手段。为准确模拟钢-混结合段的传力机理和受力特性，同时兼顾分析计算的可行性，本文以一座独塔斜拉桥为工程背景，采用通用有限元分析软件ABAQUS研究了钢-混结合段受力的安全性与合理性，以期为类似结构设计计算提供参考。

1 工程背景

该混合梁斜拉桥的桥跨布置为（40+188+55） m（图1），主桥采用无背索斜拉桥，主梁采用等高度弧形截面梁，主跨及辅助孔采用钢结构箱梁，边跨采用混凝土箱梁。其中混凝土梁长74.45 m，钢梁长208.33 m。

钢-混结合面设在主跨，距塔中心19.5 m处，结合段长2.0 m，钢-混结合段采用C50自密实、微膨胀混凝土。结合段钢箱梁侧端部设置多格室结构，在隔室中填充混凝土，通过格室钢板与混凝土的摩擦力传递轴力、剪力和弯矩。钢格室腹板上设置PBL剪力键、承压板上设置栓钉以提高钢混结合段的传力性能。为使钢箱梁与混凝土箱梁结合紧密，采用预应力钢筋进行连接。考虑填充混凝土应力分散所必要的面积、格室内焊接空间、构件加工制作可行性等因素，钢格室高度取800 mm。为使钢箱梁节段截面特性逐渐过渡，结合段钢箱梁侧钢梁顶板、底板U型加劲肋设置倒T型加劲板进行过渡，截面过渡段长度3 500 mm;该节段顶、底板厚度局部加厚至20 mm，腹板局部加厚至24 mm，结合段布置见图2。

2 数值仿真分析模型

采用通用有限元软件ABAQUS进行仿真分析。钢混结合段内力传递主要通过承压板、PBL剪力键以及钢壁面与混凝土之间粘结摩阻三种途径。由于结合段受力复杂，传力路径较多，传统的梁单元模型难以准确评价其受力特征。根据圣维南原理，在钢混结合段左、右各截取5 m长的梁段，并基于对称性，对左侧1/2截面进行建模分析。钢-混结合段PBL连接键采用MPC约束方式将PBL剪力键孔壁与混凝土节点进行耦合连接，剪力钉则简化为在剪力钉处绑定钢板与混凝土节点实现，预应力筋采用等效集中力的形式施加于混凝土梁端锚固端对应位置。

分析模型中混凝土结构采用三维实体单元C3D8R模拟，共100 632个单元;钢箱梁采用板壳单元S4R模拟，共165 642个单元。有限元模型见图3。

模型边界设置为混凝土箱梁端完全固定，在钢箱梁端施加全桥分析得到的荷载，见图4。施加的荷载包括混凝土箱梁及钢箱梁自重、预应力以及施工、运营阶段荷载。

主要针对施工及运营阶段的2个关键工况进行分析，2个工况荷载见表1。

3 有限元仿真分析结果

钢混过渡段的受力分析主要包括混凝土箱梁过渡段、钢箱梁过渡段、钢混剪力键连接结合段3个部分，混凝土箱梁过渡段主要研究混凝土箱梁过渡段截面纵向应力，钢箱梁过渡段主要研究钢箱梁与钢混结合段分界面的应力分布、钢箱梁顶板、腹板的应力过渡段及纵向应力过渡。钢混结合段主要研究剪力连接件及各构件应力分布。

3.1 拆除满堂支架工况

拆除满堂支架工况下钢-混结合段各部位应力水平见图5～图7。

从图5可以看出，钢箱梁过渡段顶板最大Mises应力247 MPa，出现在顶板与中腹板、结合段承压板相连处。中腹板上侧压应力峰值为-252 MPa，下侧拉应力峰值为71.8 MPa，表现出明显的受弯特征。边腹板靠近承压板位置PBL剪力键处应力水平较高，整体应力水平-119～197 MPa，加劲肋应力水平在-243～46.4 MPa。

从图6可以看出，结合段顶部靠近承压板一侧PBL剪力键应力水平较高。除第一列PBL剪力键外，结合段钢结构纵向应力值为-94～262 MPa。结合段钢结构的应力梯度较低，应力分布较为均匀。

从图7可以看出，混凝土过渡段边腹板与栓钉板连接位置剪应力较大，其余部位剪应力分布均匀，范围在-22～4.8 MPa。随着实心混凝土段的延伸，截面剪应力分布逐渐趋向均匀，顶底部剪应力大，中间部分剪应力小。

3.2 6车道偏载工况

6车道偏载工况下钢-混结合段各部位应力水平如图8～图10所示。

從图8可以看出，钢箱梁过渡段顶板最大Mises应力215 MPa，出现在顶板与中腹板、结合段承压板相连处。中腹板上侧压应力峰值为-216.7 MPa，下侧拉应力峰值为64.2 MPa，表现出明显的受弯特征。边腹板靠近承压板位置PBL剪力键处应力水平较高，整体应力水平-187～227 MPa，加劲肋应力水平在-181～19.5 MPa。

从图9可以看出，结合段顶部靠近承压板一侧PBL剪力键应力水平较高。除第一列PBL剪力键外，结合段钢结构纵向应力值为-84.9～283 MPa。结合段钢结构的应力梯度较低，应力分布较为均匀。

从图10可以看出，混凝土过渡段边腹板与栓钉板连接位置剪应力较大，其余部位剪应力分布均匀，范围在-17～2 MPa。随着实心混凝土段的延伸，截面剪应力分布逐渐趋向均匀，顶底部剪应力大，中间部分剪应力小。

4 结束语

本文对于无背索混合梁钢-混结合段关键荷载工况下结构设计的安全性与合理性进行了局部有限元仿真分析与评估，结论：

（1）2种关键荷载工况下，钢-混结合段承压板、加劲肋、PBL剪力板、栓钉剪力板、中腹板与边腹板与等关键传力部位整体应力处于较低水平，混凝土应力在顶板及底板位置较大，中间部分应力较小，结构安全水平较高。

（2）钢混结合段及过渡段的主要构件应力梯度较小，钢混结合段传力整体流畅、均匀，结构设计较为合理。

参考文献

[1] 聂建国. 钢-混凝土组合结构桥梁[M]. 北京： 人民交通出版社， 2011.

[2] 张景峰，李小珍，肖林，等.混合梁斜拉桥钢-混结合段受力行为仿真分析[J].西南交通大学学报，2014，49（4）：619-625+699.

[3] 肖林，叶华文，卫星，等.斜拉桥桥塔钢-混结合段的力学行为和传力机理研究[J].土木工程学报，2014，47（3）：88-96.

[4] 姚亚东，杨永清，刘振标，等.铁路箱形混合梁斜拉桥钢-混结合段有限元分析[J].桥梁建设，2015，45（1）：45-50.

[5] 蒲泊舟.大跨径混合梁斜拉桥钢混结合段受力性能分析[D].重庆：重庆交通大学，2015.