單索面混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力數(shù)值分析

李 谷

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410006)

混合梁斜拉橋邊跨采用混凝土梁主梁，主跨采用鋼箱梁，兩種材料通過(guò)鋼－混結(jié)合段進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其主要結(jié)構(gòu)特征為:邊跨和主跨的重度與剛度相差較大，混凝土邊跨能起到壓重作用，增強(qiáng)對(duì)主跨的約束，提高整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，同時(shí)還能防止邊墩出現(xiàn)負(fù)反力;主跨鋼箱梁，自重輕，強(qiáng)度高，跨越能力比混凝土梁大。因此，較單一材料主梁斜拉橋，混合梁橋具有更小的邊主跨比和更強(qiáng)的跨越能力，是在大跨和超大跨領(lǐng)域十分具備競(jìng)爭(zhēng)力的橋型。

鋼－混結(jié)合段是混合梁斜拉橋的關(guān)鍵部位，現(xiàn)大多設(shè)計(jì)成有格室構(gòu)造，格室內(nèi)灌注混凝土與格室肋板、頂、底緣板形成整體共同受力，傳力機(jī)理復(fù)雜，因此對(duì)結(jié)合段的分析是設(shè)計(jì)混合梁斜拉橋的重點(diǎn)。對(duì)于鋼混結(jié)合段的受力分析國(guó)內(nèi)外研究資料主要集中在壓、彎作用下的分析，而沒(méi)有對(duì)鋼混結(jié)合段進(jìn)行受扭分析。六庫(kù)怒江二橋因其單索面設(shè)計(jì)，在活荷載作用下結(jié)合段將承受很大的扭矩。本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS，結(jié)合實(shí)際工程——云南六庫(kù)怒江二橋，對(duì)獨(dú)塔單索面斜拉橋鋼混結(jié)合段進(jìn)行了扭矩作用下的受力分析，以研究鋼－混結(jié)合段在扭矩作用下截面剪應(yīng)力的分布規(guī)律。

1 工程概況

云南六庫(kù)怒江二橋工程主橋?yàn)楠?dú)塔單索面混合梁斜拉橋，采用塔梁墩固結(jié)體系，主塔高75m，跨徑布置為175m主跨+81m邊跨。鋼混結(jié)合段位置設(shè)置在主跨距橋塔中心線(xiàn)8.75m處，主跨和邊跨各設(shè)置斜拉索13對(duì)，拉索沿主梁中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，主跨索距12m，邊跨索距5m，其立面如圖1所示。

圖1 怒江二橋立面圖(單位:cm)

主梁邊跨為五室混凝土箱梁，主跨大部分為鋼 箱梁，梁高2.8m，寬32m，其構(gòu)造如圖2所示。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)截面圖(單位:cm)

2 結(jié)合段構(gòu)造

其采用有格室后承壓板構(gòu)造，從鋼主梁過(guò)渡到混凝土主梁一共經(jīng)過(guò)五個(gè)部分:普通鋼箱梁、鋼箱梁加強(qiáng)段、結(jié)合段鋼格室、混凝土漸變段、混凝土主梁，其縱剖面圖如圖3－a所示，在這五個(gè)部分中，結(jié)合段鋼格室是最關(guān)鍵的部位，也是本文研究的對(duì)象，其橫截面圖如圖3－b所示。

圖3 結(jié)合段構(gòu)造圖(單位:cm)

3 有限元模型

3.1 模型組成部分

本文采用ansys建立鋼混結(jié)合段有限元模型，用shell63單元模擬鋼板，用solid65單元模擬混凝土。由于要進(jìn)行抗扭分析，故采用全結(jié)構(gòu)模型，其組成部分包括:普通混凝土梁段7m，混凝土漸變段1.75m，結(jié)合段鋼格室2m，鋼箱梁加強(qiáng)段3m，普通鋼箱梁段 16.25m，整個(gè)模型長(zhǎng) 30m，寬 32m，高2.75m，圖4表示了模型并標(biāo)出其包括的各部分。

圖4 結(jié)合段ansys段模型

針對(duì)該鋼－混結(jié)合段的模型試驗(yàn)以及PBL剪力鍵試驗(yàn)表明，在結(jié)合段受壓時(shí)，格室內(nèi)灌注的混凝土膨脹受到格室鋼板的環(huán)向約束，二者之間粘結(jié)強(qiáng)度很高，同時(shí)格室肋板上的PBL鍵在彈性階段也具有很高的抗剪強(qiáng)度和剛度，上述因素使得格室內(nèi)混凝土與格室鋼板的相對(duì)滑移很?。?］，因此模型中格室鋼板和混凝土之間是完全變形協(xié)調(diào)的，二者之間沒(méi)有相對(duì)位移。

3.2 邊界條件

3.2.1 約束邊界

本模型將混凝土端截面完全固結(jié)，以模擬實(shí)橋塔梁墩處的固結(jié)，鋼箱梁端截面不加約束，只用于加載，使得整個(gè)模型成為一端固結(jié)一端自由的懸臂。

3.2.2 力學(xué)邊界

本文只研究2m鋼格室中間截面在扭矩作用下的受力情況，所以在加載端施加的是由全橋整體分析得來(lái)的鋼格室的局部?jī)?nèi)力，這樣只保證鋼格室的受力與實(shí)際相同，模型其他部位的受力和變形與實(shí)際不同。加載段設(shè)在最右側(cè)的鋼箱梁截面上，在該截面施加的扭矩通過(guò)普通鋼箱梁段和鋼箱梁加強(qiáng)段能夠傳遞給結(jié)合段鋼格室，避免產(chǎn)生圣維南效應(yīng)。模型的邊界條件如圖5所示。

圖5 模型邊界條件

4 施加荷載

表1為全橋整體分析得到的結(jié)合段鋼格室局部組合內(nèi)力，該組合使鋼格室受到的扭矩最大。

表1 鋼格室組合內(nèi)力

取表1中的扭矩值作為外荷載對(duì)模型進(jìn)行加載計(jì)算，由于加載段的shell63單元不能直接加載扭矩，因此扭矩是以力偶的形式作用在加載端截面的，并且，由于本文只研究扭矩對(duì)結(jié)合段鋼格室的影響，故不施加自重荷載。

5 分析結(jié)果

5.1 鋼格室中間截面剪力流方向

取鋼格室中間截面進(jìn)行研究，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制鋼格室截面鋼板和混凝土的剪力流方向，如圖6所示。

圖6畫(huà)出了鋼格室截面剪力流的方向，而且圖6－a格室鋼板賦予了編號(hào)，圖6－b為格室混凝土截面各個(gè)部分賦予了名稱(chēng)，為下面研究剪力流在截面內(nèi)大小分布做了準(zhǔn)備。

5.2 格室混凝土截面剪應(yīng)力分布

圖7表示了鋼格室中間截面混凝土截面扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力沿板長(zhǎng)方向的分布，其數(shù)值為沿板寬方向剪應(yīng)力絕對(duì)值的平均值。

圖6 截面剪力流方向

圖7 格室截面混凝土剪應(yīng)力分布

由圖7－a可知，鋼格室混凝土截面次腹板與中腹板之間的頂板內(nèi)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力最大(1.3MPa)，翼緣板扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力最小;由圖7－a、圖7－b可知，整個(gè)截面剪應(yīng)力沿頂板變化最大，沿底板變化最小;由圖7－c、圖7－d可知，斜腹板、次腹板和中腹板的剪應(yīng)力變化趨勢(shì)都是兩端小中間大，其中斜腹板內(nèi)的剪應(yīng)力最大(最大0.5MPa)，次腹板次之(最大0.4MPa)，中腹板最小(最大0.08MPa)。

5.3 格室鋼板截面剪應(yīng)力分布

圖8表示了鋼格室各部分沿截面長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力分布，鋼板截面內(nèi)剪應(yīng)力沿鋼板厚度方向不變，其數(shù)值為剪應(yīng)力的絕對(duì)值。

圖8 格室鋼板截面剪應(yīng)力分布

從圖8－f可知，格室鋼板截面剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在頂緣橫向26號(hào)鋼板位于次腹板和中腹板水平位置之間的截面上(4.7MPa)，剪應(yīng)力最小值出現(xiàn)在頂緣橫向26號(hào)鋼板翼緣處的截面上;從圖8－a、圖8－b、圖8－c可知，格室肋板的剪應(yīng)力水平普遍較低(0 ～0.4MPa)，但4、5、13、14 號(hào)肋板和斜腹板內(nèi)外側(cè)鋼板28、31連接的局部剪應(yīng)力比較高(1.2～2.0MPa);從圖8－e可知，截面斜腹板外側(cè)鋼板31的剪應(yīng)力比內(nèi)側(cè)鋼板28的大;從圖8－d、圖8－e可知，斜腹板內(nèi)外側(cè)鋼板剪應(yīng)力較大，次腹板處豎向鋼板剪應(yīng)力次之，中腹板處鋼板剪應(yīng)力較小。

5.4 鋼格室截面鋼板和混凝土承受扭矩比例

圖6、圖7和圖8說(shuō)明了鋼格室在扭矩所用下截面剪應(yīng)力的大小和方向，根據(jù)剪應(yīng)力的分布對(duì)鋼格室的形心積分便可以求出格室鋼板和混凝土分別承擔(dān)的扭矩，如表2所示。

由表2可知，在外部施加的40696.5kN·m扭矩作用下，格室鋼板截面剪應(yīng)力形成的扭矩為11540kN·m，約占總體的30%，混凝土截面剪應(yīng)力產(chǎn)生扭矩29156.5kN，約占總體的70%。

表2 格室中間截面鋼板與混凝土承擔(dān)的扭矩

6 結(jié)論

1)獨(dú)塔單索面混合梁斜拉橋會(huì)在運(yùn)營(yíng)時(shí)承受較大扭矩，在扭矩作用下格室截面鋼板和混凝土分別會(huì)產(chǎn)生剪力流，其方向如圖6所示。

2)截面不同部位剪應(yīng)力大小不同，其中混凝土中腹板和次腹板之間的頂板截面剪應(yīng)力最大，翼緣的剪應(yīng)力最小。

3)鋼格室肋板的剪力普遍比較小，但和斜腹板內(nèi)外側(cè)鋼板相連的肋板會(huì)在連接局部產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，鋼板剪應(yīng)力最大與最小區(qū)域與混凝土位置基本一致。

4)鋼格室截面內(nèi)鋼板和混凝土按照一定比共同例承擔(dān)扭矩，其中鋼板截面約占30%，混凝土截面承約占70%。

［1］張 龍.RPC剪力連接件受力性能試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2013.