混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段有限元分析

葉翰松，朱亞林，李端洲，馬 馳（.寧波鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 350； .合肥工業(yè)大學(xué)　土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥 30009）

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混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段有限元分析

葉翰松1，朱亞林2，李端洲2，馬 馳2
（1.寧波鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315012； 2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009）

摘要：結(jié)合鐵路鋼箱混合梁斜拉橋?qū)嶋H工程，利用大型有限元計算軟件ANSYS對混合梁鋼-混結(jié)合段的受力狀態(tài)開展有限元分析，通過計算得到結(jié)合段模型在最不利荷載組合工況下的應(yīng)力分布和變形情況。計算結(jié)果表明，鋼-混結(jié)合段的鋼板和混凝土的受力狀態(tài)均處于安全設(shè)計范圍之內(nèi)，傳力順暢，受力合理。

關(guān)鍵詞：混合梁斜拉橋；鋼-混結(jié)合段；應(yīng)力分布；有限元分析

0　引　言

隨著國內(nèi)橋梁工程技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼混結(jié)合段組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各式斜拉橋當(dāng)中［1］。這種組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，巧妙地運用了混凝土的抗壓性能和鋼結(jié)構(gòu)的抗拉性能進(jìn)行組合，具有承載力高、抗震性能強、施工簡捷等突出特點。由于其在構(gòu)造和功能方面的特點，鋼-混結(jié)合段組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計對于保證斜拉橋的安全及穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵的作用。一方面，鋼-混結(jié)合段是混合梁斜拉橋最薄弱的部位，由于是鋼材和混凝土兩種不同材料構(gòu)成，其強度和剛度在結(jié)合的部位最易出現(xiàn)突變，而且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。另一方面，在鐵路斜拉橋建設(shè)中，鋼-混結(jié)合段組合結(jié)構(gòu)發(fā)揮了傳力和連接的兩大功能，他們之間是通過剪力鍵等連接件形成統(tǒng)一整體來共同工作，因此它們的受力機理非常復(fù)雜［2-6］。對此，國內(nèi)外已有越來越多的學(xué)者針對鋼-混結(jié)合段這種特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專門的研究，研究的重點包括鋼-混結(jié)合段傳力機理、力學(xué)性能及疲勞等方面［7-8］。本文以寧波甬江左線特大橋——大跨度鐵路鋼箱混合梁斜拉橋的鋼-混結(jié)合段為例進(jìn)行有限元分析，研究鋼-混結(jié)合段在最不利荷載組合工況的受力特點，為同類橋梁的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1　鋼混結(jié)合段設(shè)計

大橋設(shè)計為鐵路鋼-混混合梁斜拉橋，半漂浮體系，全長909.1m，主跨以468m鋼-混混合梁跨越甬江，邊跨及部分中跨主梁為三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其余中跨主梁為鋼箱梁。中間通過鋼-混結(jié)合段連接，鋼-混分界點位于主跨側(cè)距索塔中心24.5m處，采用了階梯狀填充混凝土前后承壓板式鋼-混接頭［9-11］。整個結(jié)合段長14.05m，包含3m頂?shù)赘拱遄兒窕炷料淞哼^渡段、2m混凝土橫隔梁、4.05m頂?shù)赘拱遄兒皲摶爝^渡段、5m頂?shù)装錟（V）肋加焊變高T肋過渡段共4部分，鋼-混結(jié)合段結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。混凝土均采用C60補償收縮混凝土。

圖1　鋼-混結(jié)合段結(jié)構(gòu)形式

2　有限元模型的建立

2.1有限元模型

采用大型有限元通用Ansys軟件對該斜拉橋的鋼-混結(jié)合段進(jìn)行有限元數(shù)值計算，分析結(jié)合段在設(shè)計荷載工況下的受力狀態(tài)。鋼-混結(jié)合段實體模型如圖2所示，其結(jié)構(gòu)主要包括頂?shù)赘拱遄兒窕炷料淞哼^渡段，混凝土橫隔梁和頂?shù)仔涂傞L7.24m，高4.97m，寬20.93m。

有限元模型如圖3所示，其中混凝土部分采用8節(jié)點實體單元Solid45模擬，鋼板部分采用4節(jié)點板殼單元Shell181來模擬。本課題主要考慮在預(yù)應(yīng)力鋼筋、剪力釘和PBL剪力鍵未失效的狀態(tài)下研究鋼混結(jié)合段鋼板與混凝土之間脫空破壞對整體結(jié)構(gòu)的影響。因此建模中預(yù)應(yīng)力鋼筋、剪力釘、PBL剪力鍵采用等效剛度的方法模擬。鋼板的位置位于整個結(jié)合段的外表面，斜腹板的內(nèi)表面，中腹板和橫隔板的兩側(cè)以及鋼混過渡段內(nèi)表面。鋼板與混凝土連接形式屬于面面接觸大規(guī)模結(jié)構(gòu)，采用共節(jié)點的方法來實現(xiàn)彼此連接。

圖2　鋼混結(jié)合段實體模型

圖3　鋼混結(jié)合段有限元模型

計算材料采用線彈性材料，其屬性如表1所示。

表1　材料參數(shù)

整體模型中實體單元共計91066個，殼單元共計14494個，共計節(jié)點101437個。模型的總體坐標(biāo)系X方向為橋跨縱向，Y方向為豎向，Z方向為橋跨橫向。

2.2邊界條件

通過Ansys中提供的約束方程在鋼箱梁遠(yuǎn)端截面的形心位置建立一個主節(jié)點，將其和鋼梁端截面的節(jié)點添加剛性區(qū)域。內(nèi)力荷載組合可以通過主節(jié)點施加在鋼箱梁端，結(jié)構(gòu)的自重可通過重力加速度施加。在結(jié)構(gòu)的中縱截面上施加對稱約束。

2.3荷載工況

鋼混結(jié)合段相對于整個主橋?qū)儆诰植拷Y(jié)構(gòu)，其受力極其復(fù)雜。本項目通過受力分析施加截面最不利內(nèi)力荷載組合。利用有限元軟件MidasCivil進(jìn)行全橋整體有限元分析，從中提取結(jié)合段結(jié)構(gòu)最不利內(nèi)力荷載組合。共分為三種工況，即分別在小里程端（結(jié)合段混凝土端截面）最大軸力，最大彎矩和最大剪力三種情況下大里程端（結(jié)合段鋼梁端截面）荷載內(nèi)力組合。三種工況荷載數(shù)值如下表2所示。

表2　荷載工況

3　有限元結(jié)果分析

采用有限元程序ANSYS 對鋼- 混結(jié)合段三種工況下的受力狀態(tài)進(jìn)行分析。限于篇幅，文中只給出了最大彎矩工況作用下的結(jié)果視圖，見壓應(yīng)力為負(fù)；位移單位為mm。

圖4　混凝土主壓應(yīng)力 （最大彎矩工況）

圖5　混凝土主拉應(yīng)力（最大彎矩工況）

圖6　鋼板Von Mises應(yīng)力（最大彎矩工況）

圖7　鋼混結(jié)合段位移（最大彎矩工況）

最大彎矩工況作用下，鋼混結(jié)合段鋼混過渡段中腹板與橫隔梁連接處主壓應(yīng)力偏大，最大主壓應(yīng)力為-10.2MPa，主要由于軸力作用下產(chǎn)生的偏心彎矩及荷載內(nèi)力組合的作用導(dǎo)致。大部分混凝土主壓應(yīng)力基本處于-5.55MPa～-2.1MPa范圍內(nèi)，橫隔板處主壓應(yīng)力偏小，基本處于-2.1MPa～0.2MPa之間?；炷敛糠种骼瓚?yīng)力水平較低，基本介于-1.4MPa～0.95MPa之間，最大主拉應(yīng)力位于橫隔梁靠近中腹板處，最大主拉應(yīng)力為1.74MPa。鋼混結(jié)合段鋼板部分的Von Mises等效應(yīng)力值基本介于4.9MPa～36.3MPa，最大應(yīng)力位于鋼箱梁端截面斜底板和斜腹板交接處，最大應(yīng)力值為40.8MPa，主要由于應(yīng)力集中所導(dǎo)致。整體結(jié)構(gòu)變形比較小，最大位移值為0.724mm，位于鋼箱梁端截面處。鋼混結(jié)合段整體剛度比較大，變形相對較小，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

最大軸力工況以及最大剪力工況作用下，鋼混結(jié)合段應(yīng)力和位移分布趨勢同最大彎矩工況結(jié)果基本類似。甬江左線特大橋鋼混結(jié)合段在三種最不利荷載工況作用下靜力學(xué)分析主要數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)荷載工況內(nèi)力數(shù)值及靜力分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，三種工況下軸力基本未發(fā)生變化，在彎矩和剪力均發(fā)生一定變化的前提下，鋼混結(jié)合段的受力及變形基本變化不大。因此，相比而言結(jié)合段受軸力影響比較大。

表3　鋼混結(jié)合段靜力分析結(jié)果

4　結(jié)論

本文通過采用有限元軟件對鋼混結(jié)合段進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗證其受力及變形是否滿足設(shè)計要求，并對其結(jié)構(gòu)和傳力機理作了一定的分析。采用有限元方法對鋼混結(jié)合段模型分析時，需較準(zhǔn)確模擬結(jié)合段的邊界條件和受力狀態(tài)，這需要首先進(jìn)行全橋整體有限元分析，從中提取結(jié)合段結(jié)構(gòu)最不利內(nèi)力荷載組合。

結(jié)果顯示，在三種最不利工況下，鋼混結(jié)合段混凝土大部分都處于受壓狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)混凝土和鋼板的拉壓應(yīng)力水平均不高，都處于安全設(shè)計范圍之內(nèi)，受力變化比較均勻，無突變。為了避免局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，實際結(jié)構(gòu)中應(yīng)設(shè)置倒角和斜坡。

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Finite Element Analysis on Steel-Concrete Joint Part of Hybrid Girder Cable-Stayed Bridge

YE Hansong1，ZHU Yalin2，LI Duanzhou2，MA Chi2
（1.The headquarters of Ningbo railway project construction， Ningbo， Zhejiang， 315012，China；2. School of Civil and Hydraulic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei， 230009， China）

Abstract：According to project example of hybrid girder cable-stayed bridge in railway engineering， the finite element program ANSYS is used to analyze the mechanical properties of steel and concrete joint part. We can get the stress and deformation state of the joint part under the least favorable condition. The results show that the mechanical state of steel and concrete in the joint part are within the scope of the safety design， in which the load transfers well.

Keywords：Hybrid Girder Cable-Stayed Bridge；steel and concrete joint part；stress distribution；finite element analysis

作者簡介：葉翰松（1972- ），男，高級工程師，主要研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51409076）；安徽省自然科學(xué)基金資助項目（1408085QE89）

收稿日期：2015-05-18

DOI:10.11921/j.issn.2095-8382.20160202

中圖分類號：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382（2016）02-006-05