混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段受力性能的有限元分析

金龍， 楊永偉， 鄧露， 王子文， 劉秉輝(.四平市城市發(fā)展投資控股有限公司， 吉林 四平 36000； .中鐵九局集團第二工程有限公司；

3.湖南大學 工程結(jié)構(gòu)損傷診斷湖南省重點實驗室； 4.長吉城際鐵路有限責任公司)

橋梁是交通工程中的關(guān)鍵性樞紐，在交通運輸和發(fā)展中起非常重要的作用。近年來，組合結(jié)構(gòu)已經(jīng)被越來越多地應用于橋梁工程，其中混合梁斜拉橋因其良好的結(jié)構(gòu)性能、技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟效益得到迅速發(fā)展，如九江長江公路大橋、二七長江大橋等均采用混合梁斜拉橋。

鋼-混結(jié)合段是混合梁斜拉橋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其受力性能直接影響全橋的安全性及可靠性。鋼-混結(jié)合段主要由鋼、混凝土構(gòu)件和抗剪連接件(剪力釘和PBL剪力鍵)組成，構(gòu)造細節(jié)十分復雜。同時鋼-混結(jié)合段也是主梁結(jié)構(gòu)剛度突變點，傳力機理復雜，容易引起局部應力集中，甚至導致結(jié)構(gòu)失效。而目前尚無統(tǒng)一的理論用于計算和評估其承載能力和局部受力性能，因此對鋼-混結(jié)合段的研究通常以模型試驗為主。但模型試驗耗資過大，試驗周期較長，難以保證測量精度，而且各個工程中鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造細節(jié)差異很大，導致研究成果對工程實踐的參考價值有限。因此有必要利用有限元軟件對鋼-混結(jié)合段進行精確的數(shù)值模擬和計算分析。其中，抗剪連接件作為鋼-混結(jié)合段的關(guān)鍵構(gòu)件，主要傳遞鋼梁和混凝土梁之間的內(nèi)力。研究表明：混合梁斜拉橋的鋼-混結(jié)合段內(nèi)靠近混凝土梁的剪力釘群在荷載作用下剛度有所下降，而鋼-混組合梁橋中群釘受力極不均勻，部分剪力釘受力遠超平均水平。此外，趙晨和朱偉慶等的研究指出，現(xiàn)有的PBL剪力鍵的受剪承載力計算公式因受制于試驗條件而導致計算結(jié)果差異較大。因此，鋼-混結(jié)合段內(nèi)抗剪連接件的受力性能值得關(guān)注。該文以某混合梁斜拉橋為例，建立其鋼-混結(jié)合段的精細化有限元模型，研究鋼-混結(jié)合段內(nèi)各個構(gòu)件的應力分布和受力情況。

1 工程背景

采用某單索面獨塔混合梁斜拉橋為工程背景，其結(jié)構(gòu)采用塔-梁-墩全固結(jié)體系。主橋全長259 m，橋面寬36 m，跨徑布置為(90+169) m，采用鋼梁+混凝土梁的結(jié)構(gòu)形式。設計中心線處梁高3.4 m，梁頂設1.5%的雙向坡，梁底水平。鋼箱梁采用單箱九室截面，混凝土梁為等截面預應力箱梁，采用縱、橫向預應力體系，墩位處及拉索區(qū)均設置橫梁。鋼梁與混凝土梁通過鋼-混結(jié)合段連接，鋼混分界線位于主跨側(cè)距橋塔中心11.5 m 處，在該處設置40 mm厚的承壓板。鋼-混結(jié)合段長2.25 m，結(jié)合面鋼箱梁側(cè)加強段長3.4 m，設置了T形和U形兩種加勁肋進行增強，結(jié)合面混凝土梁側(cè)過渡段長5 m，其頂板、底板和腹板板厚均為漸變形式。

圖1 鋼-混結(jié)合段縱斷面圖(單位：mm)

2 有限元模型的建立

2.1 模型概況

采用空間混合有限元方法建立鋼-混結(jié)合段的Ansys三維節(jié)段模型，分析鋼-混結(jié)合段在最不利工況下的受力狀態(tài)。基于圣維南原理，選取鋼混分界線兩側(cè)14.3 m范圍的梁段建模，其結(jié)構(gòu)主要包括4.85 m長的混凝土箱梁、2.25 m長的鋼-混結(jié)合段和7.2 m長的鋼箱梁。鋼-混結(jié)合段有限元幾何模型如圖2所示。由于建模選取的節(jié)段為軸對稱結(jié)構(gòu)，為提高計算效率，有限元模型取橫橋向半幅箱梁段，并在中心截面處采用對稱的位移約束條件?；炷料淞翰捎肅50混凝土，彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比υ=0.167；鋼箱梁構(gòu)件主要采用Q345鋼材，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比υ=0.3。預應力鋼束采用φs15.2鋼絞線，公稱抗拉強度fpk=1 860 MPa，彈性模量E=1.9×105MPa，預應力張拉控制應力為0.75fpk。

圖2 鋼-混結(jié)合段有限元幾何模型

2.2 單元類型

鋼構(gòu)件采用Shell63單元模擬，板厚通過實常數(shù)設置；混凝土采用Solid65單元模擬，不考慮混凝土中的普通鋼筋和橫向預應力，鋼構(gòu)件與混凝土的材料屬性均設置為線彈性本構(gòu)關(guān)系；剪力釘采用Combin39單元模擬，Combin39單元的兩個節(jié)點位置完全重合，分別與混凝土單元和鋼板單元進行約束；PBL剪力鍵采用Beam4單元模擬，與混凝土的接觸采用約束方程，與開孔板的接觸采用節(jié)點耦合；預應力鋼絞線采用Link8單元模擬，采用降溫法施加預應力，通過約束方程模擬預應力筋和混凝土間的黏結(jié)作用；鋼板與混凝土間設置接觸單元，采用Conta173單元和Targe170單元模擬，忽略接觸面間的摩阻力。

2.3 邊界條件及荷載施加

有限元模型中，在混凝土箱梁端面處采用固結(jié)約束。假定鋼梁遠端為平截面變形，施加荷載時，在鋼箱梁端面處生成剛性面，在剛性面的中性軸處建立質(zhì)量單元，生成剛性線，并與鋼箱梁端面的剛性面連接形成剛性區(qū)域，將設計荷載等效地施加在剛性區(qū)域的主節(jié)點上。設計荷載值取自Midas全橋模型最不利工況下的截面內(nèi)力，包括軸力107 504 kN、彎矩49 950 kN·m和剪力801 kN。由于扭矩較小，該文計算時忽略其影響。

3 鋼-混結(jié)合段整體有限元分析

3.1 鋼梁計算結(jié)果與分析

在設計荷載作用下，分析有限元模型中鋼箱梁結(jié)構(gòu)的軸向受力情況。由計算結(jié)果可知：鋼箱梁結(jié)構(gòu)的軸向正應力范圍為-127～78 MPa(負值表示壓應力)， 除了幾處存在應力集中現(xiàn)象外，絕大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，且壓應力基本低于60 MPa。應力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在鋼箱梁底板折角與橫隔板交接處、鋼箱梁加強段加勁T肋尾端、斜底板和腹板交接處等部位。但由應力集中導致的高應力區(qū)域范圍都較小，且最大應力仍遠低于Q345鋼的屈服強度，所以不影響結(jié)構(gòu)的整體性能。

圖3為鋼箱梁各板件的軸向正應力沿縱橋向的變化情況。

圖3 鋼箱梁軸向正應力

由圖3可知：鋼箱梁各板件沿縱橋向的應力變化趨勢相似，均表現(xiàn)為加載端應力較大，鋼箱梁標準段應力分布均勻，變化平穩(wěn)。由于鋼箱梁加強段主梁截面增大，T形加勁肋對鋼箱梁板件應力的擴散作用較為明顯，有效地使各板件應力逐漸降低，而鋼-混結(jié)合段內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土在抗剪連接件的作用下共同受力，使結(jié)合段內(nèi)各板件的應力進一步降低。

同時，由于結(jié)合段負彎矩的影響，底板、斜底板的應力較大，頂板的應力較小。承壓板兩側(cè)鋼梁各板件應力發(fā)生突變，說明承壓板在應力傳遞過程中的作用較大。鋼-混結(jié)合段內(nèi)鋼梁頂?shù)装宓膽ο染鶆蚱骄徬陆?，在靠近鋼梁尾端處急劇降低，說明鋼梁應力已有效地傳遞至混凝土中，而由于鋼-混結(jié)合段內(nèi)設置了多個鋼格室和較密的抗剪連接件，導致鋼-混結(jié)合段內(nèi)腹板的應力水平較低。

3.2 混凝土計算結(jié)果與分析

在設計荷載作用下，分析有限元模型中鋼-混結(jié)合段內(nèi)混凝土的軸向受力情況，其軸向正應力如圖4所示。

圖4 混凝土軸向正應力(單位：MPa)

由圖4可知：鋼-混結(jié)合段內(nèi)混凝土梁的軸向正應力范圍為-15～1 MPa(負值表示壓應力)，整體應力水平較低，相對于容許值有充足的富余。由于有限元建模時承壓板上預應力鋼絞線錨固區(qū)未設置剛性墊塊模型，導致靠近錨固點處的混凝土出現(xiàn)較大的應力集中，部分混凝土承受拉應力，建議在距離承壓板0.5 m內(nèi)的混凝土中設置加固鋼筋，防止開裂。此外，鋼-混結(jié)合段內(nèi)大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，且壓應力基本低于10 MPa。

圖5為鋼格室內(nèi)混凝土的軸向正應力沿縱橋向的分布情況。

由圖5可以看出：靠近承壓板的混凝土應力集中明顯且存在拉應力，集中應力在距離承壓板0.3 m處開始擴散，到距離承壓板0.9 m處混凝土的應力分布已較為均勻，說明鋼梁應力先通過承壓板和抗剪連接件傳遞至與其接觸的混凝土，再擴散至整個混凝土截面。同時，遠離承壓板處的混凝土應力逐漸增大，說明結(jié)合段內(nèi)混凝土承擔的內(nèi)力增大，鋼-混結(jié)合段較好地實現(xiàn)了軸力和彎矩從鋼梁向混凝土梁的傳遞，剛度過渡合理。

4 鋼-混結(jié)合段抗剪連接件受力分析

4.1 PBL剪力鍵受力分析

鋼-混結(jié)合段上、下鋼格室內(nèi)沿梁高方向分別設置了3排PBL剪力鍵，沿縱橋向共7排。提取各部位PBL剪力鍵的內(nèi)力，分別得到鋼-混結(jié)合段上、下鋼格室內(nèi)PBL剪力鍵所受剪力的分布情況(圖6)。

圖5 鋼格室內(nèi)混凝土軸向正應力分布(單位：MPa)

圖6 鋼-混結(jié)合段內(nèi)各部位PBL剪力鍵所受剪力

由圖6可知：各排PBL剪力鍵受力大小沿縱橋向的變化趨勢相似，剪力大小為10～70 kN，距承壓板最遠的PBL剪力鍵所受剪力最大，是其他部位PBL剪力鍵所受剪力的2～6倍，但遠低于文獻[15]中由各個公式或試驗得出的PBL剪力鍵的極限抗剪承載力。

由于承壓板直接傳遞的內(nèi)力較大，因此距承壓板最近的PBL剪力鍵所受剪力較大。而距承壓板較遠處混凝土集中應力開始擴散，故第2排PBL剪力鍵所受剪力較第1排變小。但距承壓板更遠的混凝土承擔的內(nèi)力變大，所以后排PBL剪力鍵所受剪力逐漸增大。

4.2 剪力釘受力分析

張景峰等分別采用線性剪力釘模型和非線性剪力釘模型對剪力釘?shù)氖芰η闆r進行有限元分析，得到的計算結(jié)果相近。因此，為了提高計算效率，該文有限元模型中的剪力釘采用簡化的線性模型模擬，即將剪力釘?shù)暮奢d-滑移特性簡化為線性。綜合文獻[16]、[17]中剪力釘抗剪剛度的取值，該文模型中剪力釘?shù)募羟袆偠热?00 kN/mm。該橋頂?shù)装逖乜v橋向共設置了8排剪力釘，鋼格室內(nèi)設置了5排剪力釘。提取各排剪力釘?shù)膬?nèi)力，得到鋼-混結(jié)合段各部位剪力釘所受剪力的分布情況，如圖7所示。

由圖7可知：距承壓板最遠的剪力釘所受剪力最大，是其他部位剪力釘所受剪力的2～7倍，因此此處剪力釘控制其設計。最大剪力值為23 kN，遠低于基于JTG/TD 64-01—2015《公路鋼混組合橋梁設計與施工規(guī)范》計算得到的剪力釘?shù)目辜舫休d力設計值111 kN。各部位剪力釘受力大小沿縱橋向的變化趨勢相似，表現(xiàn)為離承壓板距離較遠的兩排剪力釘所受剪力較大，其他部位的剪力釘所受剪力相差不大。

圖7 鋼-混結(jié)合段內(nèi)各部位剪力釘所受剪力

5 鋼-混結(jié)合段各部位傳力比分析

鋼-混結(jié)合段傳遞的內(nèi)力主要是軸力和彎矩，主要通過承壓板承壓傳力、抗剪連接件承剪傳力的方式將鋼梁的內(nèi)力傳遞至混凝土梁，而彎矩可以等效為作用在上下緣結(jié)構(gòu)的軸向力。分別計算鋼-混結(jié)合段內(nèi)各傳力構(gòu)件的總作用力，得到各構(gòu)件傳遞軸向力的承載比例見表1。

表1 鋼-混結(jié)合段各構(gòu)件承載比例

由表1可知：承壓板和PBL剪力鍵為主要傳力構(gòu)件，剪力釘?shù)膫髁Ρ壤^小，其主要作用是確保鋼格室與格室內(nèi)混凝土緊密結(jié)合。

在鋼-混結(jié)合段內(nèi)沿縱橋向選取多個截面積分，分別得到混凝土結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩傳力比例曲線，如圖8所示。

由圖8可知：承壓板直接向混凝土傳遞約62%的軸力和48%的彎矩。因為該橋只設置了后承壓板，所以鋼-混結(jié)合段內(nèi)靠近承壓板的混凝土承擔的軸力比例增長較快。而混凝土橫隔梁處截面形式變化較大，導致彎矩的傳遞比例在該處發(fā)生突變。為確保傳力效果，建議合理布置靠近承壓板和混凝土橫隔梁處的抗剪連接件，并保證承壓板處混凝土的密實度。

圖8 混凝土結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩傳力比例曲線

6 結(jié)論

采用有限元軟件Ansys對某混合梁斜拉橋的鋼-混結(jié)合段進行了數(shù)值模擬，分析了其在靜力設計荷載作用下的受力性能，得到以下結(jié)論：

(1) 在設計荷載作用下，鋼-混結(jié)合段內(nèi)各構(gòu)件的應力均低于標準梁段內(nèi)的同類構(gòu)件，且沿縱橋向變化平順，鋼-混結(jié)合段能有效傳遞內(nèi)力。部分區(qū)域存在應力集中現(xiàn)象，但仍滿足結(jié)構(gòu)整體受力性能的要求。

(2) 承壓板作為主要傳力構(gòu)件，直接傳遞54.9%的內(nèi)力，且受力較為復雜。為確保內(nèi)力在鋼梁和混凝土梁之間的平穩(wěn)傳遞，需防止承壓板處混凝土脫空。建議在設計時合理布置靠近承壓板位置的抗剪連接件和鋼筋網(wǎng)，并在施工時嚴格控制該處混凝土的密實度。

(3) 鋼-混結(jié)合段內(nèi)剪力釘和PBL剪力鍵受力不均勻，距承壓板最遠的剪力釘和PBL剪力鍵受力最大，但均遠低于其極限抗剪承載力。