混合梁斜拉桥钢-混结合部力学行为有限元分析

章守峰，方诗圣，郝笛笛

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

桥梁工程是基础设施中的关键性枢纽，在交通运输和社会发展中起着非常重要的作用。近年来，组合结构已经被越来越多地应用于桥梁工程，精细化结构分析已逐步成为实现桥梁安全与经济的重要方法。混合梁斜拉桥因其结构性能良好，具有一定的技术优势且经济效益显著，得到迅速发展，如世界最大跨径非对称混合梁斜拉桥——湖北嘉鱼长江公路大桥、江西九江长江公路大桥等均为混合梁斜拉桥。

混合体系斜拉桥是指中跨采用钢结构、边跨采用混凝土结构的组合体系桥梁，于20世纪70年代兴起[1]。混合体系减小了主跨梁体内力及变形，降低了边跨支点负反力，加大了桥体的跨越能力，能有效发挥钢材与混凝土材料的特性，节约成本，经济性显著[2]。混合体系斜拉桥通常采用钢-混结合段进行钢结构与混凝土结构的连接。钢-混结合段是一种混凝土结构与钢结构的组合结构，主要通过钢绞线束及剪力钉形成的组合锚固体系进行钢箱梁横隔板与混凝土箱梁的连接[3]。由于钢材、混凝土材料自身特性存在极大差异，钢-混结合段连接构造、受力复杂，设计时易出现薄弱环节，可能会给桥梁日常运营埋下诸多结构安全隐患，同时钢-混结合段也是斜拉桥主梁结构刚度突变点，传力机理十分复杂，容易引起局部应力集中，甚至导致结构失效。因此，弄清混合梁斜拉桥钢-混结合段结构受力及内力传递规律显得尤为重要。

钢-混混合梁充分利用钢材的质轻、高强和混凝土的良好的抗压能力、较为经济、技术成熟等属性，在受力性能和造价等方面具有显著优势，近年来被广泛应用于大跨径的斜拉桥、连续梁桥主梁上。钢-混结合段是混合梁斜拉桥的关键结构，其受力性能直接影响整个桥梁结构的安全性及可靠性。钢-混结合部使得钢主梁与混凝土主梁相互结合、共同受力，满足二者之间刚度过渡平顺、传力合理，是钢-混混合梁受力最关键的环节，其构造与施工也非常复杂，开展相关力学性能研究显得尤为重要。目前尚无统一的理论用于计算和评估其极限承载能力和局部受力性能，因此对钢-混结合段的研究通常有模型试验和数值模拟两种方式。由于钢-混结合部整体体量大，开展模型试验研究耗资过大，试验周期较长，难以保证缩尺模型的测量精度，且各个工程中钢-混结合段的构造细节差异很大，导致研究成果对工程实践的参考价值有限，致使结合部的有限元精细化仿真分析成为必要的替代方案。本文结合安徽省滁州市襄河大桥的设计工作，以130 m边跨混合梁钢-混结合部为研究对象，采用大型通用有限元软件ANSYS建立局部三维模型，在四组不同轴力、剪力和弯矩的设计工况下，对钢-混结合部的受力状况进行有限元计算分析，为类似混合梁斜拉桥设计提供了借鉴与参考。

1 工程背景

襄河大桥是京沪高铁滁州站至沪汉蓉铁路全椒站的连接线工程，主桥为585 m。结构形式为跨径双塔双索面混合梁斜拉桥。若采用混凝土主梁，结构受力极不合理，故采用钢主梁代替部分大边跨混凝土主梁以减轻结构自重，跨中梁由钢构骨架组成，

边跨为钢梁和混凝土混合梁。钢梁与混凝土梁通过钢-混结合段连接，钢-混结合部位于主塔支座中心线水平距8.25 m。襄河大桥总体布置形式、钢-混结合部纵剖面如图1所示。

图1 襄河大桥总体布置平面图

2 钢-混结合部模型建立与工况设计

2.1 模型概况

根据设计图，结合部边侧钢构嵌入块长度为3.5 m，中部3处嵌入块长度均为1 m，选取距结合面钢梁段4 m、钢-混梁段8.25 m区段为研究对象，根据结构对称性，横向简化选取半模型，如图2所示。

图2 数值模型纵向研究范围

2.2 模型前处理

假定模型材料为线弹性，不考虑结构缺陷；钢材密度为7 850 kg/m3，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3；混凝土密度为2 500 kg/m2，弹性模量为3.55×104MPa，泊松比为0.2。数值模型中钢-混结构采用实体单元Solid 90(20节点四面体单元，相比8节点可退化单元Solid 45、188、65计算精度更高)；钢-混结合部采用多点约束(MPC)算法，认为钢、混接触面间无相对滑移；所选模型研究段考虑重力荷载及钢梁端内力(利用桥梁博士系统计算内力)，其中重力通过设置9.8 m/s2惯性力实现，钢梁端内力通过刚性面域法施加，自由度设于截面形心，内力作用于主节点(MPC 184单元)；钢-混梁端节点全位移约束，中轴对称面处节点采用对称约束，钢-混结合部几何模型计算网格如图3所示。

图3 钢-混结合部几何模型计算网格图

2.3 钢-混结合部局部模型工况设计

钢-混结合段主要承受轴力、弯矩作用，受剪力作用相对较小，结构以纵向受力为主，因此数值模拟工况中需要重点考虑轴向力和弯矩荷载。根据全模型分析结构内力情况，选择分析如下6个设计荷载工况中的最大轴力、最小轴力、最大弯矩、最小弯矩4个重点工况进行计算分析。其中A-A截面为加载面，如图4所示，设计荷载工况见表1。

图4 AA截面示意

表1 AA截面内力

3 计算结果分析

3.1 钢梁计算结果与分析

3.1.1 最大轴力工况

荷载组合形式为：轴力-85 337.2 kN，剪力4 872.7 kN，弯矩33 680.9 kN·m，在此种荷载组合下，钢梁段轴向应力、钢梁段第一主应力如图5、图6所示。

图5 钢梁段轴向应力

图6 钢梁段第一主应力

钢梁段轴向应力计算结果表明：钢结构处应力峰值为116 MPa，为压应力，位于结合部截面边侧钢腹板处，上部桥面板应力峰值为25.4 MPa；钢梁段第一主应力计算结果表明：钢结构处应力峰值为118 MPa，位于结合部截面中轴处，上部桥面板应力峰值为4.72 MPa。

3.1.2 最小轴力工况

荷载组合形式为：轴力-10 304.5 kN，剪力2 099.7 kN，弯矩3 655.3 kN·m，在此种荷载组合下，钢梁段轴向应力、钢梁段第一主应力如图7、图8所示。

图7 钢梁段轴向应力图

图8 钢梁段第一主应力

钢梁段轴向应力计算结果表明：钢结构处应力峰值为117 MPa，受压，位于结合部截面中轴线腹板处，上部桥面板应力峰值为26.2 MPa。钢梁段第一主应力计算结果表明：钢结构处应力峰值为139 MPa，位于结合部截面边侧，上部桥面板应力峰值为6.8 MPa。

3.1.3 最大弯矩工况

荷载组合形式为：轴力-90 103.7 kN，剪力5 186.7 kN，弯矩36 440.0 kN·m，在此种荷载组合下，钢梁段轴向应力、钢梁段第一主应力如图9、图10所示。

图9 钢梁段轴向应力

图10 钢梁段第一主应力

钢梁段轴向应力计算结果表明：钢结构处应力峰值为125 MPa，受压，位于结合部截面边侧腹板处，上部桥面板应力峰值为28.0 MPa。钢梁段第一主应力计算结果表明：钢结构处应力峰值为125 MPa，位于结合部截面中轴处，上部桥面板应力峰值为4.9 MPa。

3.1.4 最小弯矩工况

荷载组合形式为：轴力-98 278.6 kN，剪力1 785.8 kN，弯矩906.2 kN·m，在此种荷载组合下，钢梁段轴向应力、钢梁段第一主应力如图11、图12所示。

图11 钢梁段轴向应力

图12 钢梁段第一主应力

钢梁段轴向应力计算结果表明：钢结构处应力峰值为116 MPa(压)，位于结合部截面边侧腹板处，上部桥面板应力峰值为25.4 MPa(压)。钢梁段第一主应力计算结果表明：钢结构处应力峰值为118 MPa，位于结合部截面中轴处，上部桥面板应力峰值为4.7 MPa，低于相关规范容许应力。

3.2 混凝土梁计算结果与分析

3.2.1 最大轴力工况

荷载组合形式为：轴力-85 337.2 kN，剪力4 872.7 kN，弯矩33 680.9 kN·m，在此种荷载组合下，钢梁段轴向应力、钢梁段第一主应力如图13、图14所示。

图13 混凝土梁段轴向应力

图14 混凝土梁段第一主应力

混凝土梁段轴向应力计算结果表明：钢-混结合面处应力值较大，远离结合部区域应力分布较小且较为均匀，峰值为18 MPa。峰值点位于结合部截面中轴顶板处。混凝土梁段第一主应力计算结果表明：钢-混结合面处应力值较大，远离结合部区域应力分布较为均匀，峰值为22.1 MPa,邻近结合部截面中轴处。

3.2.2 最小轴力工况

荷载组合形式为：轴力-10 304.5 kN，剪力2 099.7 kN，弯矩3 655.3 kN·m，在此种荷载组合下，钢梁段轴向应力、钢梁段第一主应力如图15、图16所示。

图15 混凝土梁轴向应力

图16 混凝土梁第一主应力

混凝土梁段轴向应力计算结果表明：钢-混结合面处应力值较大，远离结合部区域应力分布较小且较为均匀，峰值为18 MPa。峰值点位于结合部截面中轴顶板处。混凝土梁段第一主应力计算结果表明：应力分布无明显规律，结合面及边侧处应力值较其他位置更大，峰值为39.8 MPa，位于梁边侧底部。

3.2.3 最大弯矩工况

荷载组合形式为：轴力-90 103.7 kN，剪力5 186.7 kN，弯矩36 440.0 kN·m，在此种荷载组合下，钢梁段轴向应力、钢梁段第一主应力如图17、图18所示。

图17 混凝土梁段轴向应力

图18 混凝土梁段第一主应力

混凝土梁段轴向应力计算结果表明：轴向应力分布较为均匀，峰值为23.9 MPa(压)，峰值点邻近结合部中轴截面下侧。混凝土梁段第一主应力计算结果表明：钢-混结合面处应力值较大，远离结合部区域应力分布较为均匀,峰值为22.6 MPa,邻近结合部截面中轴顶板处。

3.2.4 最小弯矩工况

荷载组合形式为：轴力-98 278.6 kN，剪力1 785.8 kN，弯矩906.2 kN·m，在此种荷载组合下，钢梁段轴向应力、钢梁段第一主应力如图19、图20所示。

图19 混凝土梁轴向应力

图20 混凝土梁第一主应力

混凝土梁段轴向应力计算结果表明：钢-混结合面处应力值较大，远离结合部区域应力分布较小且较为均匀，峰值为17.2 MPa。峰值点位于结合部截面中轴顶板处。混凝土梁段第一主应力计算结果表明：应力分布无明显规律，结合面及边侧处应力值较其他位置更大，峰值为38.7 MPa，位于梁边侧底部。

4 结 论

采用大型通用元软件ANSYS，在4组不同轴力、剪力和弯矩的设计工况下，对混合梁斜拉桥钢-混结合部进行了数值模拟分析，计算得出在设计荷载作用下的受力性能，得到以下结论：

(1) 在静力设计荷载作用下，钢-混结合部内各构件的应力均低于标准梁段内的同类构件，且沿纵桥向变化平顺，钢-混结合部可以有效传递内力。部分区域存在应力集中现象，但仍满足结构整体受力性能的要求。

(2) 在轴向力和弯矩的不同工况下，模型钢梁过渡段、结合段和混凝土过渡段传力顺畅，沿纵桥向结构各部位应力变化匀顺，满足局部受力性能的要求。

(3) 数值分析结果与类似斜拉桥钢-混结合部模型缩尺试验结果在趋势上基本吻合，也进一步验证了采用非线性有限元分析是一种经济、有效的研究手段，能够在解决实际工程的同时增加经济效益。