谢国红

(中铁十五局集团第一工程有限公司 西安 710000)

随着大跨度斜拉桥的发展，钢-混结合梁斜拉桥由于桥下净空高、桥梁高度小、结构刚度大、同时可以合理利用混凝土的抗压与钢结构的抗拉性能等优点，被广泛使用。

混合梁斜拉桥主跨采用钢箱梁，优点在于其跨度大、自重轻、刚度大、承载能力强[1-2]。钢-混结合段是连接钢箱梁与混凝土梁的过渡结构，与边跨混凝土梁及主梁钢箱梁相连，是整座桥梁受力的关键结构之一。由于结合段是材料与结构特性的突变点，其传力机理、刚度设计、疲劳性能都是影响桥梁安全的重要因素。

国内外众多学者对钢-混结合梁进行了相关研究[3-4]，主要对钢箱梁与混凝土之间的黏结力、剪力钉经验荷载破坏、连接键纵向抗剪能力等进行分析与探讨。蒲黔辉等[5-6]以宁波甬江特大桥为背景，对影响结合段受力性能的结构设计参数进行了探讨。由于铁路斜拉桥有别于公路斜拉桥，其钢-混结合段设计与受力性能有一定区别。本文以潜江铁路支线跨汉江特大桥为依托，基于midas Civil建立的整桥模型确定钢-混结合段所受荷载，对铁路斜拉桥的钢-混结合段受力特点进行分析，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

潜江铁路支线跨汉江特大桥桥跨布置为32 m+50 m+93 m+260 m+38 m，主桥位于±2.5%的纵坡上，平面位于直线上。混凝土梁体采用C55混凝土，钢-混结合段采用C55补偿收缩混凝土；普通钢筋采用HPB300和HRB400。其中主梁由混凝土箱梁和钢箱梁2部分组成，混凝土部分主梁全长195.2 m，为等高梁，边支座中心线至梁端0.75 m，支座横桥向中心距离4.2 m，钢-混结合段位于主梁中跨距索塔23 m处，总体布置见图1。

图1 岳口江汉特大桥总体布置图(单位：m)

2 模型的建立

2.1 总体模型建立

采用midas Civil建立潜江铁路支线跨汉江特大桥整桥模型，全桥共394个单元，506个节点，其中主梁211个单元，桥塔99个单元。桥墩处约束采用固结支撑模拟，斜拉索采用只受拉的桁架单元模拟，桥塔及主梁用梁单元模拟，钢-混结合段通过修改结合段材料容重使其与实际重量等效，相应弹性模量通过刚度换算进行等效模拟，整桥模型如图2。

图2 整桥midas Civil模型

2.2 钢-混结合段模型的建立

采用midas FEA建立钢-混结合段受力有限元模型。边梁采用C55混凝土，钢-混结合段采用补偿收缩混凝土，纵向预应力筋采用抗拉强度标准fpk=1 860 MPa，弹性模量为Ep=195 GPa，单个公称直径为15.2 mm的高强度钢绞线，钢束型号为HRB335；竖向预应力抗拉强度标准值fpk=830 MPa，弹性模量Ep=200 GPa的预应力混凝土用螺纹钢筋；钢箱梁主材采用Q345qD。模型见图3与图4。

图3 结合段FEA模型几何图(黑色为剪力钉)

图4 结合段FEA模型有限元图(固结)

将混凝土箱梁端面进行固定约束，使模型成为悬臂结构，同时以钢箱梁过渡段端面形心处节点为主节点，使钢箱梁过渡段端面形成刚域，并在主节点上悬臂加载。

以截面形心节点为主节点形成刚性域，并在该形心节点处施加各种工况荷载。这种加载方法会导致钢箱梁截面局部区域应力偏大，结果失真，在建立模型时通过预留一定长度来减小这种方法对分析带来的不利影响，即预留了多余的混凝土梁段。根据圣维南原理，分布于弹性体上一小块面积(或体积)内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。从原理上分析，远离该固结截面处的受力情形与实际设计情况较为符合。故分析加载时主要靠近钢过渡段区，以便分析的结果更接近真实情况，边界约束见图4。

2.3 荷载工况

模型加载时将2个方向的弯矩等效为同作用的力偶，扭矩也同样处理。分析控制包括钢梁与承压板，横隔板等组成整体的钢壳单元、钢-混结合段内填充混凝土单元、混凝土梁单元、剪力钉、预埋在填充混凝土中的预应力钢束；荷载包括作用于钢梁横截面的轴力、纵桥与横桥向的剪力和弯矩、作用于钢-混段的扭矩、自重，以及预应力钢束张拉产生的预应力。根据潜江铁路支线跨汉江特大桥静力计算结果确定钢-混结合段在短期组合和弹性组合下的荷载，对midas FEA所建模型进行加载。

3 计算结果

3.1 midas Civil计算结果

整体模型轴力及弯矩见图5及图6。可以看出，无论轴力还是弯矩在钢-混结合段处均有明显突变，原因是钢-混结合段截面大、刚度大。靠近主塔一侧的混凝土梁由于自身截面大，由钢箱梁传递的应力反而不大，在靠近主塔处轴力为8 551 kN,结合段仅5 984 kN，钢箱梁则达到53 200 kN；在靠近主塔处弯矩为3 159 kN·m,结合段仅1 626 kN·m，钢箱梁则达到29 321 kN·m。

图5 midas Civil轴力图

图6 midas Civil弯矩图

3.2 midas FEA计算结果

根据midas Civil计算所得钢-混结合段受力，对midas FEA模型进行加载，见图7。

图7 荷载加载示意图

混凝土的纵向应力分布见图8。

图8 混凝土纵向应力

由图8可知，混凝土的主压应力整体水平不高，基本处于-3.5 MPa以下水平，只有在靠近预应力钢束锚固处和固结端的局部位置有较高的应力集中，最高为-6.3 MPa；混凝土纵向应力由钢梁端向混凝土梁端递增，其中桥面中心处应力最大，横桥向应力的变化趋势也与整体相似。

钢壳的纵向应力分布见图9。

图9 钢壳纵向应力

由图9可知，钢壳的整体应力分布变化相差不大，其大多数的应力值均在-2.5～-3.11 MPa间，其变化趋势是由加载端向混凝土固结端逐渐变小，在靠近混凝土固结端时出现部分应力集中，其极值达到-4.99 MPa，同时在钢壳靠近混凝土固结处上缘有小部分的拉应力;在钢壳内部,承压板与钢格室横隔板交界处和承压板钢梁外壳交界处出现部分应力集中的现象;承压板的应力分布从四周向中心逐渐减小,数值在-2.21～-1.53 MPa间。

钢-混结合段整体的纵向应力分布见图10。

图10 整体纵向应力

由图10可知，其上缘部分受压，变化趋势为由加载端向固结端逐渐增大，其数值基本在12.3 MPa以下；在钢梁上缘近混凝土固结处出现应力集中，其极值达到23.09 MPa;下缘部分受拉，其变化趋势为固结端向加载端逐渐减小，其数值基本在-23.16 MPa以下；在钢梁下缘近混凝土固结处出现应力集中，其极值达到-34.7 MPa。

4 结论

1) 钢-混结合段受力合理，满足运营要求；同时传力较为复杂，在钢-混结合段内部中腹板和承压板的边界焊缝处容易产生应力集中，应保证施工质量。

2) 通过承压板和剪力钉都有应力、应变分布可以推论在钢箱梁的应力传递过程中，钢-混结合段内的剪力钉和承压板都承担传递力，并且承压板和剪力钉在传递过程中承担大部分轴力。

3) 由承压板的应力、应变分布可以得出，承压板在钢-混结合段中的作用主要是使内力在其自身厚度范围内得到进一步扩散，从而能够均匀地传递至混凝土箱梁中。

4) 通过数据分析可以得出，剪力钉在钢-混段剪力的传递过程中分担约40.12%，而承压板则分担31.83%，剪力钉比承压板承担传递的力更多。

[1] 严国敏.现代斜拉桥[M].成都：西南交通大学出版社,1996.

[2] 田晓青.混合梁钢-混结合段传力机理研究[D].上海：同济大学,2008.

[3] 胡建华,叶梅新,黄琼. PBL剪力连接件承载力试验[J].中国公路学报,2006,19(6):65-72.

[4] 曼亚平.洋浦大桥钢-混结合段试验研究[D].长沙：中南大学,2011.

[5] 蒲黔辉,周阳,施洲.铁路混合梁斜拉桥钢-混结合段受力及参数分析[J].桥梁建设,2016,46(1):12-17.

[6] 王向阳，夏小勇，韩丽丽，等.独塔斜拉桥钢拱塔竖转施工风致抖振响应分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2012，40(2)251-255，260.

[7] 周友权.铁路新型钢-混组合独塔部分斜拉桥设计研究[J].铁道标准设计,2017,61(3):82-87.