混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段設(shè)計

蔡建業(yè)

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 武漢 430063)

混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段設(shè)計

蔡建業(yè)

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 武漢 430063)

鋼混結(jié)合段的設(shè)計是混合梁斜拉橋的關(guān)鍵技術(shù)之一,鋼混結(jié)合段的位置、類型及細部構(gòu)造設(shè)計直接影響到橋梁的安全性和耐久性。結(jié)合寧波市福明路斜拉橋鋼混結(jié)合段的設(shè)計,介紹鋼混結(jié)合段位置的確定、結(jié)構(gòu)形式的選擇、細部構(gòu)造及結(jié)構(gòu)計算分析。分析表明本橋鋼混結(jié)合段受力合理,傳力平順,剛度過渡平穩(wěn)。

斜拉橋； 橋塔；鋼混結(jié)合段；合理位置；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 概況

寧波市福明路上跨寧波東站主橋跨徑布置為(55+45+220+45+55) m，橋面總寬34.5 m，雙向六車道，為一聯(lián)雙塔雙索面斜拉橋，采用半漂浮體系，主梁采用混合主梁，其中兩側(cè)邊跨各采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中段采用鋼箱梁，在鋼箱梁兩端與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁相交位置放置2 m長的鋼混結(jié)合段。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位：m)

2 鋼混結(jié)合段構(gòu)造

2.1 鋼箱梁

鋼箱梁頂面寬34.5 m，設(shè)2%的橋面橫坡，底部為半徑25 m的圓弧，兩側(cè)配有風(fēng)嘴，橋梁中線外梁高3.3 m。鋼箱梁頂面鋼板厚14(16) mm，在其下順橋向焊有8 mm厚間距600 mm的U形肋，穿越3.4 m間距的橫隔板，組成正交異性結(jié)構(gòu)的鋼橋面板。在橫隔板之間設(shè)置一道板厚12 mm的橫肋。箱梁底板厚12 mm，以間隔750、780 mm的U形肋加固。箱梁縱向設(shè)有2道厚28 mm的外腹板，其外側(cè)與斜拉索錨點的錨箱焊接。在外腹板間設(shè)置了2道內(nèi)腹板，間距10 m，均為實腹板。橫隔板均為實腹結(jié)構(gòu)，板厚12 mm。如圖2所示。

圖2 橫斷面布置(單位：m)

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱三室結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)外形與鋼箱梁保持一致。橋面寬34.5 m，梁高3.3 m。截面頂板0.25 m厚，底板厚0.25 m，內(nèi)腹板厚0.4 m，如圖2所示。

2.3 鋼混結(jié)合段構(gòu)造

圖3 鋼混結(jié)合段構(gòu)造(單位：mm)

鋼梁兩端分別與混凝土箱梁通過結(jié)合段連接，結(jié)合段的鋼箱梁套在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁之外，并且全斷面與之結(jié)合使其成為一體，如圖3所示。為了保證鋼混結(jié)合段混凝土梁及鋼梁之間的剪力傳遞，以及防止鋼板與混凝土之間的剝離，在鋼箱梁頂、底板延伸段以及承壓鋼板上布置了圓柱頭剪力釘，并利用混凝土箱梁內(nèi)的縱向預(yù)應(yīng)力束加以錨固，形成彎矩的傳遞。梁中的剪力則通過腹板及縱隔板上設(shè)置PBL剪力鍵以傳遞剪力，同時也通過端面焊釘傳遞。而2種梁體在剛度上的突變，則由在鋼箱梁上、下翼緣板的型肋逐漸變高而得到緩解。鋼混結(jié)合段端板采用60 mm厚鋼板，其橫向焊縫須在工廠進行，確保焊縫熔透。應(yīng)對焊縫進行消應(yīng)處理，同時保證板面的平整度。

3 材料參數(shù)

主梁采用C60混凝土，鋼箱梁、鋼錨箱采用Q345qD，鋼材容許應(yīng)力值按《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定執(zhí)行，對于板厚≥16 mm鋼板，考慮板厚影響，容許應(yīng)力按不同板厚屈服點的比例進行調(diào)整，外力組合容許應(yīng)力提高系數(shù)按規(guī)范執(zhí)行。鋼材參數(shù)見表1。

表1 鋼材參數(shù) MPa

4 有限元計算分析

4.1 模型選取

取鋼混結(jié)合段進行局部分析。根據(jù)圣維南原理，為避免邊界條件對所研究段的影響，考慮分析梁段長度近似取梁寬，使鋼混結(jié)合段大致位于模型梁段中部，同時考慮梁段的邊界條件特點和鋼梁的節(jié)段劃分，取模型梁段長28.0 m建立ANSYS空間有限元實體模型，其中混凝土梁段長12.4 m，結(jié)合段長2.0 m，鋼梁段長13.6 m(4個節(jié)段)，有限元分析梁段示意如圖4所示。

圖4 有限元分析梁段示意(單位：m)

4.2 建模原則

混凝土箱梁采用Solid65、Solid95實體單元，鋼箱梁頂?shù)装?、腹板、縱橫隔板、加勁肋和端板均采用Shell63殼單元進行模擬，共建立了324 811個節(jié)點和271 997個單元。劃分網(wǎng)格時，混凝土箱梁部分的單元大小盡量精細、勻順過渡，單元網(wǎng)格尺寸為0.2～0.4 m，結(jié)合段混凝土劃分成六面體單元，其余部分自由網(wǎng)格劃分；鋼箱梁部分各構(gòu)件單元網(wǎng)格尺寸一般取0.1～0.2 m；模型中主梁不考慮橋面縱坡，但考慮橫坡，底板曲線段按真實線形考慮；不考慮剪力釘和PBL剪力鍵，T3、T4、DB、F2及D2與混凝土箱梁共用節(jié)點模擬兩者連接；不考慮錨箱，加載時將荷載加至錨箱與腹板相互作用區(qū)域；考慮縱隔板內(nèi)伸段；暫不考慮預(yù)應(yīng)力束。坐標系方向X-橫橋向、Y-豎向、Z-縱向。模型的實體圖及單元網(wǎng)格詳見圖5和圖6。

圖5 空間計算模型

4.3 邊界條件

在混凝土箱梁段橋塔位置取支座面作為約束面，約束該支座面的所有節(jié)點DX、DY和DZ。

4.4 荷載工況及組合

(1)施加的荷載

圖6 鋼混結(jié)合段單元網(wǎng)格

模型主要分析在恒載和各工況組合作用下鋼混結(jié)合段的受力情況，所以加載的工況考慮恒載、人群荷載及汽車荷載。所加的人群荷載及汽車荷載分別為整體計算鋼混結(jié)合段處截面內(nèi)力為Nmax、Nmin、Qmax、Qmin、Mmax和Mmin時相應(yīng)的斜拉索力及左右兩端截面主梁內(nèi)力。

(2)荷載組合

荷載組合為恒載+汽車效應(yīng)+人群效應(yīng)的6種組合工況，詳見表2。

表2 各荷載組合工況效應(yīng)索力及端截面內(nèi)力

(3)荷載加載方法

①在混凝土箱梁端和鋼箱梁端處設(shè)置剛性面，并將荷載施加到剛性面，荷載通過剛性面?zhèn)鬟f；

②模型中未直接模擬斜拉索，索力按空間力作用至實際錨箱構(gòu)造對應(yīng)的腹板節(jié)點上。

5 計算結(jié)果分析

(1)恒載作用

①恒載作用下在未加預(yù)應(yīng)力的情況下，鋼混結(jié)合段處混凝土的正應(yīng)力最大值為1.21 MPa，最小值為-8.9 MPa，均局部出現(xiàn)在鋼梁外側(cè)腹板對應(yīng)的位置處，應(yīng)力集中，衰減較快；結(jié)合段混凝土的正應(yīng)力主要分布在1.21～-8.9 MPa；結(jié)合段鋼板最大正應(yīng)力7.01 MPa，最大壓應(yīng)力為-53.4 MPa。

②恒載作用下鋼混結(jié)合段附近鋼箱梁構(gòu)件的最大正應(yīng)力為19.7 MPa，最大壓應(yīng)力為-165 MPa，最大剪應(yīng)力為29.5 MPa。

(2)荷載組合工況

各組合工況計算結(jié)果見表3～表5。

表3 荷載組合計算結(jié)果匯總表一 MPa

表4 荷載組合計算結(jié)果匯總表二 MPa

表5 荷載組合計算結(jié)果匯總表三 MPa

根據(jù)有限元計算結(jié)果，C1～C3段最大和最小正應(yīng)力局部出現(xiàn)在鋼梁外側(cè)腹板對應(yīng)的位置處結(jié)合段上緣，為應(yīng)力集中，衰減較快；S1段最小正應(yīng)力出現(xiàn)在腹板上緣與DB板焊接處，最大正應(yīng)力出現(xiàn)在腹板下緣；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在腹板上緣與DB板焊接處。綜合分析計算結(jié)果如下。

①在未加預(yù)應(yīng)力的情況下，各工況組合下鋼混結(jié)合段混凝土的正應(yīng)力最大值為1.7 MPa，最小值為-9.91 MPa，均局部出現(xiàn)在鋼梁外側(cè)腹板對應(yīng)位置處結(jié)合段上緣，為應(yīng)力集中，衰減較快；結(jié)合段混凝土的正應(yīng)力主要分布在1.7～-9.91 MPa，最大主拉應(yīng)力1.85 MPa，最小主壓應(yīng)力-10 MPa。從總體計算得到的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的上緣應(yīng)力為-5 MPa，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的下緣應(yīng)力為-7.9 MPa，可抵消荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

②鋼混結(jié)合段附近鋼箱梁構(gòu)件的最大正應(yīng)力為38.7 MPa，最小正應(yīng)力為-182 MPa，最大剪應(yīng)力為31.3 MPa，滿足規(guī)范要求；

③鋼混結(jié)合段附近鋼箱梁構(gòu)件縱向加勁肋的換算應(yīng)力為68.8 MPa，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

通過對鋼混結(jié)合段的分析研究，考慮了各種可能出現(xiàn)的工況組合，計算結(jié)果表明鋼混結(jié)合段整體上處于較平均的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)傳力體系清晰明確，鋼混結(jié)合段受力合理，各項指標均滿足規(guī)范要求。目前本橋已建成通車，運營情況良好，驗證了本設(shè)計的安全性和可靠性，并為類似鋼混結(jié)合段的設(shè)計，提供了參考借鑒依據(jù)。

[1] 劉玉擎.混合梁結(jié)合部設(shè)計技術(shù)的發(fā)展[J].世界橋梁，2005(4)：9-12.

[2] 陳開利,等.混合梁斜拉橋結(jié)合段設(shè)計技術(shù)的新發(fā)展[J].鐵道標準設(shè)計，2006(5)：43-44．

[3] 王軍文,等.石板坡長江大橋鋼混結(jié)合段局部應(yīng)力分析[J].公路交通科技，2007(8)：99-102．

[4] 占玉林,趙人達,等.鋼-混凝土組合橋面板試驗研究與理論分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2006(3)：360-365．

[5] 劉明虎,等.鄂東大橋混合梁鋼-混凝土結(jié)合部研究與設(shè)計[J].公路交通科技，2010(12)：78-85.

[6] 蘇慶田,等.鋼混組合箱梁橋受力的有限元仿真分析[J].橋梁建設(shè),2006(5)：28-31．

[7] 陳開利,等.混合梁斜拉橋的發(fā)展與展望[J].世界橋梁，2005(2)：1-4．

[8] 盧桂臣,鄒宏華.混合式斜拉橋鋼混結(jié)合段的優(yōu)化研究[J].中外公路,2006(3)：153-156.

[9] 樊健生,聶建國.鋼-混凝土組合橋梁研究及應(yīng)用新進展[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展,2006(5)：38-39.

[10]劉榮,等.混合梁結(jié)合部連接件受力分析[J]哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007(S2)：264-267.

[11]文武松,等.混合型斜拉橋連接部位的傳力研究[J].橋梁建設(shè),1997(3)：75-81．

DesignforSteel-ConcreteJointSegmentofCable-stayedBridgewithHybridGirder

CAI Jian-ye

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

The design of steel-concrete joint segment is one of the key technologies of a cable-stayed bridge with hybrid girder, while the design of location, type and detail structure of steel-concrete joint segment will directly affect the safety and durability of the bridge. This paper introduces the design of the steel-concrete joint segment of the Fuming Road cable-stayed bridge in Ningbo City, including the determination of location, the selection of structure types, the detail structure, the structure calculation and analysis of steel-concrete joint segment. The results show that this bridge structure is under rational stress state, the force transmission is smooth and the rigidity transition is steady.

cable-stayed bridge; pylon; steel-concrete joint segment; rational position; structure design

2013-10-10

蔡建業(yè)(1983—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)碩士。

1004-2954(2014)01-0068-04

U448.21+6; U448.27

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.01.017