四線鐵路鋼混連續(xù)梁橋結(jié)合段力學性能分析

高哲凝

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢430063）

1 引言

鋼混混合梁充分利用鋼材的質(zhì)輕、高強和混凝土技術(shù)成熟、抗壓能力強、造價低等屬性[1-2]，在受力性能、跨越能力、經(jīng)濟性等方面具有顯著優(yōu)勢[3]。鋼混結(jié)合段使得鋼主梁與混凝土主梁相互結(jié)合、共同受力[4]，滿足兩者之間剛度過渡平順、傳力合理，是鋼混混合梁受力最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[5-6]，其構(gòu)造與施工也非常復(fù)雜，開展相關(guān)力學性能研究顯得尤為重要。由于鋼混結(jié)合段整體體量大，開展模型試驗研究整體費用高且費時費力[7-9]，致使鋼混結(jié)合段的有限元精細化仿真分析成為必要的替代方案。本文以流溪河特大橋為工程背景，采用有限元軟件ANSYS，對鋼混結(jié)合段的受力情況進行分析，為橋梁設(shè)計提供借鑒與參考。

2 工程概況

新建廣州至湛江高速鐵路廣州白云站至江村西線路所聯(lián)絡(luò)線流溪河特大橋為70 m+160 m+70 m 四線鋼混連續(xù)梁橋，設(shè)計速度160 km/h。主橋長300 m（含兩側(cè)梁端至支座中心線各0.8 m）。

鋼混結(jié)合段采用帶格室后承壓板構(gòu)造，鋼梁腹板及頂?shù)装逋獍Y(jié)合段混凝土，混凝土梁的預(yù)應(yīng)力鋼束分批錨固在鋼承壓板和鋼箱梁上[10-11]。為滿足鋼材和混凝土間的傳力需求，在承壓板和頂板、底板表面均布置焊釘連接件[12]，同時在格室內(nèi)腹板、頂板、底板處均布置PBL 連接件?；炷吝^渡段采用頂?shù)装寮案拱遄兏呒雍襁^渡，鋼梁部分過渡段采用在頂?shù)装逶O(shè)置變高度倒T 肋的方式過渡，鋼混結(jié)合段的立面如圖1 所示。

圖1 鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖（單位：mm）

3 計算模型

采用大型通用有限元軟件ANSYS，對鋼混結(jié)合段進行有限元仿真分析。本節(jié)采用實體單元solid65 模擬混凝土實體部分；板單元shell63 模擬鋼箱桁梁各鋼構(gòu)件[13]；彈簧單元combin39模擬栓釘，link8 單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼束；建立鋼混結(jié)合段模型計算并分析該節(jié)段的受力及變形。模型示意圖如圖2 所示。為盡量減小節(jié)段模型邊界條件對計算結(jié)果的影響，結(jié)果分析時不考慮模型兩端一個節(jié)段長度范圍[14]。

圖2 鋼混結(jié)合段模型示意圖

模型混凝土段靠近主墩的一端施加固定約束，鋼箱梁段遠離主墩的一端質(zhì)心處施加整體模型計算的主力工況下內(nèi)力彎矩277 524 kN·m，剪力16 384 kN。

4 計算結(jié)果

4.1 鋼梁應(yīng)力分析

根據(jù)計算結(jié)果提取鋼梁順橋向正應(yīng)力、等效應(yīng)力如圖3、圖4 所示。

圖3 鋼梁順橋向正應(yīng)力（單位：M P a）

圖4 鋼梁等效應(yīng)力（單位：M P a）

鋼梁順橋向正應(yīng)力為上拉下壓，越靠近鋼混交界面應(yīng)力值越大。頂板拉應(yīng)力在靠近鋼混結(jié)合段的位置最大約為54 MPa；底板壓應(yīng)力最大處約為72 MPa。鋼梁等效應(yīng)力較小符合規(guī)范要求，在靠近鋼混結(jié)合段位置中腹板加勁肋與承壓板相交位置有應(yīng)力集中，應(yīng)力值約為96 MPa。

鋼梁內(nèi)桁架應(yīng)力情況良好，等效應(yīng)力在15 MPa 以下，桁架連接板應(yīng)力情況良好，等效應(yīng)力在28 MPa 以下最大應(yīng)力值出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)板下角點位置。

4.2 混凝土梁應(yīng)力分析

混凝土段順橋向應(yīng)力受壓為主，最大壓應(yīng)力10 MPa，滿足設(shè)計強度要求。在鋼混結(jié)合段位置頂面有少部分拉應(yīng)力，與承壓板接觸面上有少量拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力2 MPa，經(jīng)裂縫檢算，最大裂縫0.56 mm，滿足設(shè)計要求。

4.3 鋼混結(jié)合段應(yīng)力

根據(jù)計算結(jié)果，提取鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)、栓釘?shù)炔课坏膽?yīng)力，結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖5 鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力（單位；M P a）

圖6 鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)順橋向正應(yīng)力（單位：M P a）

鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在靠近承壓板的一端較大，并且在鋼格室與內(nèi)外腹板相交周邊有應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為70 MPa。鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)順橋向應(yīng)力受壓為主，在與承壓板相交處最大，頂板為拉應(yīng)力最大處約50 MPa，底板為壓應(yīng)力最大處約58 MPa。

腹板栓釘順橋向剪切力為主，最大約為36 kN，豎向剪切力最大約為18 kN。鋼格室板栓釘順橋向剪切力為主?？拷袎喊逦恢蒙倭克ㄡ斶_到31 kN，整體在24 kN 以下，豎向剪切力較小，最大約為6 kN。頂?shù)装逅ㄡ斨饕艿巾槝蛳蚣羟辛?，最大約為36.5 kN，橫橋向剪切力最大約為11.7 kN。

5 結(jié)語

通過建立局部有限元計算模型，分析了大跨鋼混混合梁結(jié)合段受力特性。計算了主力工況下鋼混結(jié)合段各構(gòu)件的受力狀況，得到以下結(jié)論。

1）鋼梁順橋向正應(yīng)力為上拉下壓，越靠近交界面應(yīng)力值越大。頂板拉應(yīng)力在靠近結(jié)合段的位置最大約為54 MPa；底板壓應(yīng)力最大處約為72 MPa。在靠近結(jié)合段位置中腹板加勁肋與承壓板相交位置有應(yīng)力集中，應(yīng)力值約為96 MPa。

2）混凝土段順橋向應(yīng)力受壓為主，最大壓應(yīng)力10.0 MPa。在結(jié)合段位置頂面有少部分拉應(yīng)力，與承壓板接觸面上有少量拉應(yīng)力。

3）鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在靠近承壓板的一端較大，最大應(yīng)力為70 MPa。鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)順橋向應(yīng)力受壓為主，在與承壓板相交處最大；頂板為拉應(yīng)力，最大處約50 MPa；底板為壓應(yīng)力，最大處約58 MPa。

4）鋼混結(jié)合段整體應(yīng)力水平較低，傳力較均勻，總體構(gòu)造設(shè)計合理，滿足混合梁鋼材與混凝土間的傳力需求。