严来章

(中铁二十四局集团安徽工程有限公司 安徽合肥 230011)

1 引言

传统的混凝土桥梁结构因其自身质量大，桥梁的设计承载能力有很大一部分是为了承担混凝土结构的自身重力，对于跨度越大的桥梁，这种限制越加明显。混合梁斜拉桥通过在边跨或者中跨的一部分梁体采用混凝土结构，而在中跨采用钢结构，不仅可以有效降低结构自重[1]，还能防止因跨中荷载过大导致桥墩支座处出现负反力[2]。混合梁斜拉桥因跨越能力大、造价经济合理等优点[3]，在公路桥梁建设中得到了广泛应用[4]。钢混结合段作为连接混凝土梁和钢梁的关键构件，承担着应力传递的重要作用，其受力性能对桥梁结构的安全性和稳定性有着至关重要的影响[5～6]。研究混合梁斜拉桥钢混结合段的受力性能及传力机理，对斜拉桥的安全施工和后期正常运营具有重要价值。

混合梁斜拉桥发展至今，已有诸多学者对钢混结合段进行了相关研究。陈开利等通过对舟山桃天门大桥钢混结合段按1∶2缩尺比例进行实际模型试验，获得钢混结合段在外部荷载作用下的应力分布规律[7]；周阳等依据甬江大桥主桥的结合段局部模型，对剪力连接键的静力和疲劳性能进行了分析研究[8]；韩建秋等以银洲湖大桥为背景，验证了无钢格室顶板的钢混结合段具有足够的安全性及可靠性[9]；姚亚东等通过建立甬江特大桥有限元模型，分析了钢混结合段中钢壳体和混凝土的受力及轴力的分配比例[10]；伍彦斌等通过建立红水河特大桥钢混结合段混合单元模型，分析了桥面板、承压板、连接键等构件传力比例[11]。

虽然已有很多学者对混合梁斜拉桥钢混结合段进行了研究，但由于设计构造的不同以及运营条件等因素，目前还没有统一的理论适用于所有混合梁斜拉桥的承载能力评估[12]。因此，结合有限元分析软件，对具体实际桥梁的钢混结合段受力进行仿真模拟分析，对桥梁的安全施工和运营维护具有重要的意义。本文以某混合梁斜拉桥为背景，建立钢混结合段局部有限元模型，对其成桥及关键施工阶段的受力性能进行研究。

2 工程概况

引江济淮工程文昌西路独塔双索面混合梁斜拉桥跨径布置为(30＋68＋140)m，桥面宽43 m。斜拉桥边跨主梁采用双肋式П形截面预应力混凝土梁，主跨采用钢混叠合梁，横断面布置如图1所示。混凝土梁伸入主跨12 m，主跨过桥塔8.75 m处设置顶底板承压板式钢混结合段，结合段长度为3.25 m。结合段顶底板伸入混凝土主梁3.25 m，同时在伸入混凝土的钢边箱板件均布置剪力钉。剪力钉材质为ML15，直径22 mm、高度180 mm，布置间距横桥向为130 mm，纵向间距为130～150 mm，钢混结合段立面构造如图2所示。

图1 钢主梁横断面布置(单位:mm)

图2 组合梁钢混结合段立面(单位:mm)

3 有限元模型计算

3.1 有限元模型建立

为了研究钢混结合段的受力性能，本文采用有限元软件对该斜拉桥的钢混结合段部分进行精细化建模。基于圣维南原理[13]，有限元模型分别考虑混凝土梁8.75 m、钢混结合段3.25 m、钢梁过渡段2 m以及钢梁段2.75 m四个部分。建立的钢混结合段有限元模型如图3所示，主梁细部模型如图4所示，模型材料参数设置如表1所示。

图3 钢混结合段整体有限元模型

图4 钢混结合段主梁单元模型

表1 有限元模型材料参数设置

3.2 模型荷载工况及边界条件

在建立的有限元模型中，因为混凝土结构变形较小，所以其边界条件设置为混凝土梁端完全固结，钢梁端为自由状态。综合考虑钢混结合段的受力状态，分别选取拆除满堂支架、斜拉索张拉完成以及成桥等三个工况进行分析，各工况对应的内力值如表2所示。

表2 荷载内力值

4 有限元分析结果

4.1 钢结构部分模拟结果

在工况一作用下，结合段处的钢纵梁及承压板的应力分布分别如图5所示。由计算结果可知，钢纵梁的峰值应力为85.8 MPa，分布区域主要集中在纵梁顶、底板与承压板相交处的折角位置。除折角位置外，纵梁总体应力均小于65.0 MPa，底板与顶板应力分布相近，构件总体受力较均匀。由图5a可知，钢纵梁顶、底板均表现出在与承压板交界处应力较大，随着与承压板距离增加，顶、底板处应力均呈现出逐渐减小的趋势。由图5b可知，承压板总体应力小于80.0 MPa，较大应力主要分布在承压板与钢纵梁顶底板、肋板、腹板、纵向加劲肋交界处。综上所述，工况一作用下结合段钢结构部分总体应力水平处于安全范围内，满足《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)要求。

图5 工况一作用下的钢梁计算结果(单位:Pa)

在工况二和工况三作用下，由模拟结果可知，钢纵梁的峰值应力分别为89.2 MPa和96.0 MPa位置均出现在顶板折角处，且纵梁顶板整体应力水平均，大于底板，其余构件受力状态与工况一相似。

4.2 结合段内混凝土的受力分析

在工况一作用下，混凝土纵向应力分布如图6所示，混凝土梁的纵向应力范围为－26.5～1.5 MPa。由图6可以发现，混凝土的最大压应力均出现在钢绞线锚固区。结合段的拉应力峰值为1.5 MPa，位置集中在混凝土与钢梁肋板相交区域，发生这种现象的原因是由于钢肋板与混凝土相接触的位置均为直角，容易产生应力集中。钢混结合段由于钢板的存在，填充混凝土的整体性产生了一定程度的破坏，被分割的混凝土块受力性能相对于整体混凝土受到了一定的削弱。

图6 工况一作用下结合段混凝土受力分析结果

在工况二和工况三作用下，混凝土梁的纵向应力分布范围分别为－26.6～1.5 MPa和－28.2～1.2 MPa，整体应力满足设计要求。由模拟结果可知，在工况二作用下，混凝土应力由结合段底部向顶部逐渐降低，这是由于当拉索张拉完成之后，结合段由于弯剪组合效应，其底部受拉、上部受压，但混凝土正截面仍以受压为主。

4.3 剪力钉连接件受力性能分析

剪力钉按位置分布分别被划分成顶板上层、顶板下层以及底板三个区域，具体布置见图2。剪力钉的受力分布及特征如表3所示。

在工况一作用下，钢纵梁埋入段顶板及底板剪力钉纵向剪力分布如图7所示，其中纵坐标代表各排剪力钉距离承压板起始段的距离。由图7可知，剪力钉纵向剪力值分布区域为4～78 kN，三层剪力钉纵向剪力值除底板首排中部剪力钉因局部应力集中而导致剪应力较大外，其余剪力钉受力均处于较低的合理范围内；结合段顶板上层和下层剪力钉剪力值在横向不同位置受力较为接近，沿纵向呈现两端大、中间小的马鞍形分布，但各排剪力钉在纵向受力差异并不显著，这说明结合段钢梁与混凝土共同变形，二者之间产生的相对滑移较小；结合段剪力钉最大剪力出现在底板开始端中部，约为78 kN，大部分剪力钉纵向剪力主要分布在10～30 kN，剪力钉总体受力均满足《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64—01—2015)。

图7 工况一作用下各层剪力钉纵向剪力值

4.4 成桥阶段传力机理分析

获取关键截面处轴力，分析结果分别如图8和表4所示。其中，图8横坐标表示截面距离加载端长度。由图8可知，在Z＝0～4.75 m节段(Z代表关键截面到钢梁加载端面的纵向距离)，钢梁承担75.3%的轴力，桥面板承担24.7%的轴力；在Z＝4.75～4.85 m(承压板厚0.1 m)，钢结构承担的轴力下降至33.61%，混凝土结构承担的轴力上升至66.39%，这表明通过承压板与混凝土结构的拉压作用传递给混凝土的轴力占41.69%；在Z＝4.85～6.33 m节段，钢结构所承受的轴力通过剪力钉、结合段内各构件继续传递，此段距离钢结构受力下降至19.15%；在Z＝6.33～6.48 m节段，钢结构承担的轴力比例小范围突变，下降至10.08%，这是由于钢结构腹板、肋板、纵横加劲肋退出受力；在Z＝6.48～8 m节段内，钢体承担的轴力逐渐减小至0。

图8 钢－混结合段轴力分担比例

表4 传力单元内力

由表4可知，承压板所承受轴力的41.69%通过承压板与混凝土结构主梁的拉压作用传递给混凝土，其他轴力传递给埋入段钢结构及剪力钉，其中底板承担了39.51%，顶板承担了15.23%，腹板承担了19.62%，肋板承担6.85%，纵横加劲肋承担了3.29%，焊钉承担了15.46%。埋入段钢结构所承受的轴力主要由底板、顶板、腹板、焊钉承担，主要传力构件受力均衡。

5 结束语

为研究混合梁斜拉桥钢混结合段在成桥及施工阶段的受力性能，本文利用有限元软件对结合段部分进行精细化建模，并对结构在拆除满堂支架、斜拉索张拉完成以及成桥等三个工况下的受力性能进行重点分析，探究各工况下结合段区域内钢纵梁、填充混凝土、以及剪力钉的受力性能，并揭示结构在成桥阶段下的传力机理，得到以下结论:

(1)在三种工况作用下，结合段钢结构受力性能满足设计要求；承压板峰值应力出现在与钢纵梁各构件交界处；埋入段钢纵梁的峰值应力均出现在顶底板折角处，钢纵梁各构件的应力分布沿纵桥向较为平顺。

(2)填充混凝土表现为全截面受压为主，受力性能满足设计要求；由于结合段钢板的存在破坏了混凝土构件的整体性，混凝土受力性能受到一定程度削弱；在工况二作用下，由于弯剪组合效应，填充混凝土表现为底部受拉、上部受压，但混凝土截面仍以受压为主。

(3)各排剪力钉在横向不同位置受力较为接近，沿纵向呈现两头大、中间小的马鞍形分布；在工况二作用下，底板剪力钉在弯剪组合效应下出现剪力负值。

(4)在成桥阶段，桥面板、结合段混凝土及钢纵梁分别承担了24.7%、41.69%和33.61%的轴力，三种传力构件传力比例相近，传力设计较为合理；埋入段钢纵梁轴力主要由顶板、底板、腹板以及埋入段焊钉承担。