钢-UHPC组合梁与PC梁结合段力学特性研究

摘 要：【目的】研究千米级混合式斜拉桥钢混结合段服役的安全性与可靠性。【方法】以观音寺长江大桥为研究对象，采用ABAQUS建立混凝土箱梁与钢-UHPC组合梁结合段的有限元模型，研究钢混结合段在最不利荷载工况下的力学特性，探讨结合段的传力机理。【结果】结果表明，钢混结合段中各构件的应力水平均在材料容许范围之内，结构具有一定的安全储备；结合段内力过渡平稳，组合梁底板应力在组合梁加强段下降了39.2%，结合段内部钢格室与混凝土的最大压应力分别为40.0 MPa和31.0 MPa，普通混凝土箱梁的应力水平沿着远离结合段的方向逐渐减小，随后保持稳定；在经过承压板后，70%的轴力直接传递给结合段混凝土，剩余轴力由钢构件以较为平缓的趋势向混凝土传递；在组合梁加劲U肋与普通U肋交接位置，结构应力达420.2 MPa。【结论】钢混结合段整体受力性能良好，建议在设计过程中优化加劲构造的布置方案。

关键词：混合梁斜拉桥；钢-UHPC组合梁；钢混结合段；有限元模拟

中图分类号：U442.5 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）21-0057-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.012

Research on the Mechanical Characteristics of the Joint Section

Between Steel-UHPC Composite Beam and PC Beam

PENG Yanqing1 YAO Yan2 LIU Shengzhi3 LIN Yang4 PENG Jianxin1

（1.School of Civil Engineering， Changsha University of Science ＆ Technology， Changsha 410000， China;

2.CCCC Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Guangzhou Branch， Guangzhou 510000， China;

3.Hubei Jiangling Yangtze River Bridge Co.， Ltd.， Jingzhou 434000， China;

4.CCCC Second Highway Survey and Design Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] To study the service safety and reliability of the steel-mixture combination section of kilometer-class hybrid cable-stayed bridge. [Methods] Taking Guanyin Temple Yangtze River Bridge as the research object， the finite element model of the joint section of concrete box girder and steel-UHPC composite beam was established by using ABAQUS， the mechanical characteristics of the joint section under the most unfavorable load conditions were studied， and the force transfer mechanism of the joint section was discussed. [Findings] The results show that the stress levels of each member in the steel-mixture combination section are within the allowable range of the material， and the structure has a certain safety reserve. The internal force of the joint section is stable， and the stress of the bottom plate of the composite beam decreases by 39.2% in the reinforced section of the composite beam. The maximum compressive stress of the steel lattice chamber and the concrete in the joint section is 40.0 MPa and 31.0 MPa， respectively. The stress level of the ordinary concrete box girder gradually decreases in the direction away from the joint section and then remains stable. After passing through the bearing plate， 70% of the axial force is transferred directly to the concrete in the binding section， and the remaining axial force is transferred to the concrete by the steel member in a relatively gentle trend. At the joint position between the stiffened U rib and the ordinary U rib， the structural stress reaches 420.2 MPa. [Conclusions] The overall mechanical performance of the steel-concrete joint section is good， and it is recommended to optimize the layout of the stiffening structure during the design process.

Keywords： hybrid girder cable-stayed bridge; steel-UHPC composite beam; steel concrete joint section; finite element simulation

0 引言

混合梁斜拉桥是指在边跨采用混凝土梁，在中跨采用钢梁或组合梁的桥梁结构形式。该桥型可以平衡边中跨结构的受力，提高桥梁的跨越能力，节约建造成本，一经问世便得到了全世界桥梁设计者的青睐［1-2］。钢混结合段作为一段连接两种不同材料主梁的构造，对混合梁斜拉桥的整体受力性能有着极大影响，也是全桥设计的重难点［3］。

时至今日，已有诸多学者通过模型试验或有限元模拟的手段对钢混结合段进行了相关研究。在结合段合理位置方面，王治均等［4］对比了国内外典型混合梁斜拉桥的设计方法，认为应根据合理的边主跨比例关系来选择混凝土梁和钢梁的连接位置；张鹏等［5］将结构受力、施工条件、工程造价设定为三个评价要素，采用定性比较和定量计算结合的关键要素评价法，对桥梁初步设计成果进行分析，最后确定钢混结合段的合理位置。在结合段承载能力方面，李小珍等［6］和姚亚东等［7］依托具体的工程实例进行了试验研究，结果均表明结合段具有充足的安全储备；韦锋等［8］和秦凤江等［9］分别基于实测数据和缩尺试验评估了钢混结合段的受力性能，并验证了局部有限元模拟的可靠性。在结合段传力方面，林一宁等［10］通过缩尺试验和数值模拟分析了钢混结合段的传力规律，得出结合段截面混凝土的竖向应力呈凹曲线分布，纵向应力由结合段向混凝土段递减的结论；刘明虎等［11］对钢混结合段进行了试验研究，发现承压板传递轴力最多，约52%，PBL连接件传递约32%的轴力，剩余轴力由剪力钉传递；蒲黔辉等［12］对结合段传力过程中承压板的作用进行了具体的探讨，指出承压板分担荷载比例随其厚度及剪力钉间距的增加而提高，承压板合理厚度取值为40～80 mm。

尽管目前已有大量针对钢混结合段的研究成果，但尚未形成完整的理论用于评估其受力性能［13］。同时，随着桥梁跨度的不断增长，越来越多的新型材料和新型结构被应用在混合梁斜拉桥中［14］，这也对钢混结合段的构造设计提出了新的要求。本研究以观音寺长江大桥为例，建立混凝土箱梁与钢-UHPC组合梁结合段精细化有限元模型，分析结合段的力学特性，探讨结合段的传力机理，研究成果可为同类型结构的设计与运用提供参考。

1 工程概况

1.1 全桥立面布置

观音寺长江大桥采用对称式双塔双索面半漂浮体系斜拉桥结构形式，跨江主桥跨径布置为（62+64+2×72+80+1 160+96+72+2×64+54）m=1 860 m。主桥中跨为钢-UHPC组合梁，长度为1 106 m，两边边跨为混凝土箱梁，长度均为377 m。大桥主梁宽41 m（含风嘴及锚固区），截面中心高度为4 m，采用单层桥面布置，双向6车道高速公路，车辆荷载等级为公路Ⅰ级。大桥总体布置情况如图1所示。

1.2 混凝土梁与组合梁结合段

混凝土梁与钢-UHPC组合梁结合段位于图1中的钢混结合面位置处，距离桥塔中心线27 m，该钢vgYyyntS2Dqab6HyLHR61DnKPT1nuEj5AgsM/wUa4CA=混结合段长度为7.75 m，包括组合梁加强段2.5 m，结合段3.75 m及混凝土梁过渡段2 m。组合梁顶板混凝土采用UHPC160，厚度为350 mm；在组合梁加强段设置2 m长的加腋段，使顶板混凝土厚度由350 mm过渡至500 mm，底板U肋采用变高度倒T形加劲肋进行过渡；结合段现浇混凝土采用UHPC160，设置多格室结构，钢格室在结合面组合梁侧1.25 m，在结合面混凝土梁侧0.75 m，高度取0.8 m，标准宽度取800 mm；在中腹板位置设置多个伸入混凝土的开孔钢腹板；该桥梁通过预应力筋、承压板、剪力钉、PBL剪力键及钢板与混凝土的黏结力传递结构轴力、剪力和弯矩。钢混结合段具体构造形式如图2、图3所示。

2 钢混结合段有限元模型的建立

2.1 建模概述

采用空间混合有限元方法建立钢混结合段Abaqus三维节段模型，分析结合段在最不利荷载工况下的力学特性。考虑圣维南原理，选取5 m组合梁段、2.5 m组合梁加强段、3.75 m结合段、4.75 m混凝土梁段，共16 m梁段进行分析。为提高计算效率，以横桥向中心面为对称轴，取半幅梁段进行建模，不考虑混凝土中的普通钢筋和横向预应力筋的作用。

有限元模型中的混凝土、钢板、预应力筋分别用实体单元C3D8R、壳单元S4R和线单元模拟。混凝土与钢构件的材料属性均设置为线弹性本构关系。混凝土梁段采用C60混凝土，弹性模量为3.60×104，泊松比为0.2；组合梁钢板采用Q500qD钢材，弹性模量为2.06×105，泊松比为0.3；UHPC弹性模量为4.62×104，泊松比为0.2；预应力筋采用1860钢绞线，弹性模量为1.95×105，泊松比为0.3，采用降温法施加预应力。

2.2 边界条件及荷载

由于结合段位置靠近桥塔，承受较大的拉索水平分力，因此边界条件设置为约束混凝土梁一侧的所有自由度，释放组合梁侧所有自由度，并在对称面施加对称约束［15］。假设组合梁远端符合平截面假定，将组合梁侧刚性面耦合在一个节点上，用于施加等效荷载。等效荷载取Midas全桥模型中最不利荷载工况对应位置的截面内力，包括轴力213 428 kN、弯矩83 621 kN。由于结合段内布置了大量剪力钉用于防止钢板与混凝土之间的滑移，故在有限元模型中采用绑定约束模拟剪力钉的作用，预应力筋及钢格室腹板与混凝土的黏结作用采用约束方程模拟。

3 钢混结合段力学特性分析结果

3.1 钢结构计算结果

在最不利荷载工况下，钢混结合段有限元模型中钢结构的mise应力云图如图4、图5所示。

由应力云图可知，横隔板对结构受力影响较小，主要作用是增大结构的刚度及稳定性；钢结构下部应力水平高于上部，在结构底板倒T形加劲U肋与普通U肋交接处发生了比较明显的应力集中现象，最大应力达420.2 MPa，原因是结构刚度在该位置变化较大，但最大应力低于Q500qD钢材的屈服强度，结构仍处于安全状态。除该区域外，钢结构整体应力处于较低水平，组合梁底板应力水平在106～210 MPa范围内，越靠近风嘴位置，应力越小。由于建模过程中未在预应力钢绞线锚固位置设置刚性垫片，因此承压板在对应位置及与中腹板交接的位置有明显的应力集中，最大应力为182.8 MPa，其余部位应力水平均在70 MPa以内。

各构件应力沿着纵桥向的变化趋势（取构件截面中间部位）如图6所示。由图6可知，组合梁加强段底板应力水平呈下降趋势，在靠近承压板位置处，应力下降至128.2 MPa，下降幅度达39.2%，说明设置倒T形加劲肋可以有效扩散结构应力，有利于结构内力的平顺过渡。由于结构底部刚度增大，中腹板在组合梁加强段的受力较组合梁段更为明显。结合段内部钢结构与混凝土共同作用，钢格室腹板应力水平在40 MPa以内，在靠近承压板位置应力最大，在施工过程中要保证该位置混凝土的密实度。

3.2 混凝土结构计算结果

在最不利荷载工况下，钢混结合段有限元模型中混凝土结构沿纵桥向的轴向正应力云图如图7所示。

由图7可知，组合梁中UHPC顶板的轴向正应力范围为-33.9～-7.5 MPa（负值表示受压），在边界拐角位置存在应力集中，考虑边界设置带来的计算误差，由于应力集中的区域极小，因此并不影响结构整体的受力性能。在布设预应力钢绞线的起始截面，UHPC顶板的压应力变大，随后稳定在-15.2～-18.5 MPa，压应力在顶板加厚区域有明显降低，说明增加UHPC顶板的厚度可以有效扩散截面应力。钢格室内填UHPC的轴向正应力范围为-31.0～3.2 MPa，高应力区主要集中在与钢隔室腹板结合位置及预应力钢绞线锚固位置，最大压应力发生在钢混结合面顶部截面变化处。由于上下预应力筋的作用，钢混结合段截面中部混凝土受力不明显，在极少区域内处于受拉状态，最大拉应力为3.2 MPa。结合段总体处于受压状态，压应力分布比较均匀，无明显突变，说明结构内力在结合段的过渡比较平顺。混凝土梁的轴向正应力范围为-2.3～-18.6 MPa，沿着远离结合段的方向，应力逐渐减小，随后保持均匀，在边界拐角位置有局部应力集中。

综上所述，混凝土结构整体处于受压状态，各部分轴向正应力均处于较低水平，相较于材料容许值具有充分的富余，结构具有充足的安全储备。

3.3 钢混结合段传力分析

钢混结合段主要承受较大的轴力与弯矩，弯矩可等效为作用在结构上下缘的压力或拉力［16］，故本节仅对结合段内各构件的轴向力进行分析。

本研究取钢混结合段内的多个截面作为轴力传递过程中的参考面，采用对节点力进行积分的方式得到混凝土结构和钢结构在各截面位置所传递轴力的占比，计算结果如图8所示。

由图8可知，在经过承压板之后，70%的轴力直接传递给结合段内填混凝土，轴力在靠近承压板位置传递较快，随后在PBL剪力键及混凝土与钢结构之间黏结力的作用下，以较为平缓的趋势向混凝土梁方向传递；在钢混结合面位置处，由于混凝土截面积的增大，混凝土的传力占比出现明显增加；经过钢混结合面之后，轴力传递速度加快，至结合段末端，剩余轴力全部传递给混凝土梁，传力过程平稳。

4 结论

本研究对观音寺长江大桥混凝土梁与钢-UHPC组合梁结合段进行了数值模拟，分析其在最不利荷载工况下的受力性能，得出以下结论。

①在最不利荷载工况下，钢混结合段各构件的应力水平均在材料极限强度范围之内，结构整体受力性能良好，具有一定的安全储备。

②结构底板应力在组合梁加强段有明显的下降，最大下降幅度达39.2%；在结合段内部，钢格室应力水平在40 MPa以内，UHPC应力水平在-31.0 MPa以内；混凝土梁的应力水平沿着远离结合段的方向逐渐减小，随后趋于稳定，说明钢混结合段内力过渡平顺，设计合理。

③在经过承压板后，70%的轴力直接传递给混凝土，剩余轴力由钢结构以较为平缓的趋势向混凝土传递。

④在组合梁底板加劲U肋与普通U肋交接位置处，存在明显的应力集中，最大应力达420.2 MPa，初步考虑为加劲T肋导致的截面刚度突变，建议在设计过程中优化此处加劲构造的布置方案。

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