朱俊鋒，吳鴻勝，梁　斌

（1.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽　471013；2.中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，河南洛陽　471013）

渭河特大橋鋼-混凝土結(jié)合段局部應(yīng)力特性分析

朱俊鋒1，吳鴻勝2，梁斌1

（1.河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南洛陽471013；2.中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，河南洛陽471013）

為研究特大橋鋼-混凝土結(jié)合段部位的內(nèi)力特性，探討結(jié)合段的傳力機(jī)理，以渭河特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用ANSYS有限元分析軟件，建立鋼-混凝土結(jié)合段有限元分析模型，對鋼-混凝土結(jié)合段中混凝土箱梁段和鋼箱梁段分別在正常使用荷載、設(shè)計(jì)極限荷載2種工況下的力學(xué)性能進(jìn)行分析和研究。研究結(jié)果表明：在正常使用荷載下，混凝土箱梁段和鋼箱梁段應(yīng)力水平較低，具有較大的安全儲(chǔ)備；在設(shè)計(jì)極限荷載下，需要采取有效措施，以增強(qiáng)混凝土箱梁底板的抗拉能力，使混凝土箱梁各部分最大壓應(yīng)力和鋼箱梁各部分拉壓應(yīng)力值均小于容許應(yīng)力，這樣才能具有一定安全儲(chǔ)備。

鋼-混凝土結(jié)合段；鋼箱梁；混凝土箱梁；有限元分析

鋼-混凝土混合梁結(jié)合段是鋼和混凝土2種材料的過渡段。不同的物理力學(xué)特性必然導(dǎo)致2種材料受力傳力的差異，所以，需研究采用什么樣的構(gòu)造措施才能弱化這種差異，使鋼與混凝土成為一個(gè)協(xié)調(diào)工作的整體，保證鋼-混凝土結(jié)合段內(nèi)力的順暢傳遞。目前，在鋼-混凝土結(jié)合段，鋼與混凝土之間主要采用縱向預(yù)應(yīng)力、開孔鋼板連接件（PBL連接件）和焊釘連接件等連接措施，它們?nèi)绾纹鸬健敖Y(jié)合”的作用，如何實(shí)現(xiàn)力的傳遞，如何組合使用以及組合后各自的貢獻(xiàn)有多少等問題，都需要進(jìn)一步分析和研究。

陳開利等［1］結(jié)合舟山桃夭門大橋工程，采用1∶2的縮尺，對該橋鋼-混凝土結(jié)合段進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。張國泉等［2］以西安浐灞河生態(tài)區(qū)大門橋梁工程2號(hào)橋—雙索獨(dú)塔混合梁斜拉橋鋼-混凝土結(jié)合段為例，對鋼-混凝土結(jié)合段鋼梁和混凝土梁進(jìn)行了應(yīng)力分析。王軍文等［3］結(jié)合重慶石板坡長江大橋的設(shè)計(jì)及施工特點(diǎn)，對鋼-混凝土結(jié)合段進(jìn)行了局部應(yīng)力分析。劉榮等［4］以湖北鄂東長江大橋?yàn)槔瑢︿?混凝土結(jié)合段進(jìn)行了局部應(yīng)力分析。易炳疆等［5］結(jié)合黑龍江烏蘇大橋鋼-混凝土結(jié)合段模型的受力特點(diǎn)，研究并制定了3種鋼-混凝土結(jié)合段結(jié)合方式，分別將試驗(yàn)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對比分析。石雪飛等［6］以吳江市學(xué)院路跨京杭運(yùn)河鋼-混凝土結(jié)合段斜拉橋?yàn)槔?，對?混凝土結(jié)合段進(jìn)行了應(yīng)力分析和數(shù)值仿真計(jì)算。張鵬等［7］依托陜西渭河特大橋設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提出了鋼-混凝土結(jié)合段整體設(shè)計(jì)的概念、原則和思路，介紹了結(jié)合段構(gòu)造選型及其設(shè)計(jì)與優(yōu)化的思路、過程、方法，給出了結(jié)合段構(gòu)造設(shè)計(jì)成果，并利用有限元軟件建立了結(jié)合段局部空間模型。張西丁等［8］以某拱塔斜拉橋的橋塔鋼-混凝土結(jié)合段為基礎(chǔ)，建立了橋塔鋼-混凝土結(jié)合段三維實(shí)體模型，對鋼-混凝土結(jié)合段處鋼板和混凝土的受力性能進(jìn)行了受力分析。張景峰等［9］以黑龍江黑瞎子島烏蘇大橋?yàn)檠芯繉ο?，采用通用有限元程序ANSYS，對其鋼-混凝土結(jié)合段的受力行為進(jìn)行了非線性數(shù)值仿真分析。姚亞東等［10］以寧波甬江特大橋鋼-混凝土結(jié)合段為研究對象，設(shè)計(jì)并制作了相似比為1∶5的全截面縮尺模型，進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)研究，分別考察正常使用工況、超載工況及破壞工況下鋼-混凝土結(jié)合段正應(yīng)力分布情況及承載能力。

目前，國內(nèi)外尚無專門針對鋼-混凝土混合梁設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，故這類橋梁的設(shè)計(jì)還存在許多亟待解決的問題。為此，本文以渭河特大橋鋼-混凝土結(jié)合段為研究對象，采用ANSYS軟件建立有限元分析模型，對鋼-混凝土結(jié)合段鋼箱梁和混凝土箱梁進(jìn)行力學(xué)特性分析，以期對鋼-混凝土混合梁技術(shù)的研究提供借鑒。

1　工程概況

渭河特大橋是陜西省西銅高速公路跨越渭河的一座特大橋。該橋最大跨徑165 m，最大墩高44 m，全長1 049.25 m。主橋上部結(jié)構(gòu)為69 m+7×90 m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁 +（90+165+ 95.25）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。其中，第1聯(lián)變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁最后1跨的邊中跨跨徑比達(dá)到了1∶1，如果仍采用鋼筋混凝土箱梁，則結(jié)構(gòu)受力難以滿足規(guī)范要求。因此，在最后1跨設(shè)置了長53.68 m的鋼箱梁以減輕自重、平衡結(jié)構(gòu)受力，同時(shí)保留36 m長混凝土箱梁段，并在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁和鋼箱梁之間設(shè)置結(jié)合段，構(gòu)造成鋼-混凝土連續(xù)箱梁。鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造示意如圖1所示，鋼箱梁局部構(gòu)造示意如圖2所示。

圖1　鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造示意

圖2　鋼箱梁局部構(gòu)造示意

鋼箱梁頂板、底板、腹板、加勁肋、橫隔板等主要受力構(gòu)件采用Q345-D級鋼。箱梁頂板厚26 mm，底板厚24 mm，邊、中腹板均厚28 mm，加勁肋板厚20 mm，頂板U形加勁肋厚20 mm。

2　有限元計(jì)算模型

采用ANSYS有限元分析程序建立有限元分析模型。模型截取渭河特大橋混凝土箱梁過渡段11 m、鋼-混凝土結(jié)合段2.5 m、鋼箱梁過渡段2.5 m和鋼箱梁5 m，梁段共計(jì)長21 m?；炷料淞翰捎脝蜗潆p室截面，鋼箱梁采用單箱4室截面。箱梁高3.5 m，底板寬14 m，箱梁兩邊翼緣板寬3.2 m。采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID65模擬混凝土箱梁和鋼-混凝土結(jié)合段混凝土結(jié)構(gòu)。采用4節(jié)點(diǎn)高階板殼單元SHELL181模擬鋼箱梁過渡段鋼構(gòu)件和鋼箱梁段，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用LINK8單元模擬?；炷料淞汉弯撓淞河邢拊Ｐ腿鐖D3所示。

圖3　鋼-混凝土結(jié)合段有限元模型

混凝土箱梁混凝土強(qiáng)度等級為C55，其軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為35.5 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.74 MPa。鋼箱梁鋼板主要采用Q345-D鋼板，其抗拉強(qiáng)度為470 MPa，屈服強(qiáng)度為325 MPa，抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為300 MPa。

模型坐標(biāo)原點(diǎn)取在結(jié)合面對稱軸上的梁底處，Z軸正方向沿鋼-混凝土結(jié)合段的縱向、取值范圍為0～21.0 m，Y軸正方向沿鋼-混凝土結(jié)合段的豎直方向、取值范圍為0～3.5 m，X軸正方向沿鋼-混凝土結(jié)合段的橫向、取值范圍為-10.2～10.2 m。鋼與混凝土的材料特性假定為線彈性。

有限元模型邊界模擬條件：采用懸臂加載，將混凝土箱梁一側(cè)端面固結(jié)，約束混凝土邊界上所有節(jié)點(diǎn)的自由度；在鋼箱梁邊界施加內(nèi)力，內(nèi)力根據(jù)總體計(jì)算得到，且鋼箱梁邊界以截面形心為主節(jié)點(diǎn)建立剛域，以使鋼箱梁邊界各節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)一致，滿足平截面假定。

3　靜力分析

3.1混凝土箱梁應(yīng)力

在正常使用荷載下，鋼-混凝土結(jié)合段混凝土箱梁各部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，正常使用荷載下，混凝土箱梁過渡段箱梁底板最大Mises應(yīng)力為1.54 MPa，最大拉應(yīng)力為1.56 MPa；混凝土箱梁腹板最大Mises應(yīng)力為1.98 MPa，最大拉應(yīng)力為0.79 MPa，最大壓應(yīng)力為2.09 MPa；混凝土箱梁頂板最大Mises應(yīng)力為2.80 MPa，最大壓應(yīng)力為2.14 MPa?；炷料淞涸谡Ｊ褂煤奢d下，混凝土最大拉應(yīng)力為1.56 MPa，出現(xiàn)在混凝土底板處。在正常使用荷載下，混凝土箱梁過渡段底板邊緣和頂板邊緣沿橋梁縱向方向的部分應(yīng)力分布如圖4所示。

表1　正常使用荷載下混凝土箱梁各部分受力情況　MPa

圖4　正常使用荷載下混凝土箱梁底板、頂板部分Mises應(yīng)力分布示意

在設(shè)計(jì)極限荷載下，鋼-混凝土結(jié)合段混凝土箱梁各部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，設(shè)計(jì)極限荷載下，混凝土箱梁過渡段箱梁底板最大 Mises應(yīng)力為8.2 MPa，最大拉應(yīng)力為8.3 MPa；混凝土箱梁腹板最大Mises應(yīng)力為10.6 MPa，最大拉應(yīng)力為4.22 MPa，最大壓應(yīng)力為11.4 MPa；混凝土箱梁頂板最大Mises應(yīng)力為15.2 MPa，最大壓應(yīng)力為16.5 MPa?；炷料淞涸谠O(shè)計(jì)極限荷載下，混凝土最大拉應(yīng)力為8.3 MPa，出現(xiàn)在混凝土底板處，混凝土最大壓應(yīng)力為16.5 MPa，出現(xiàn)在頂板處。由此可知，在設(shè)計(jì)極限荷載下，需對混凝土箱梁底板局部構(gòu)造進(jìn)行加強(qiáng)處理，以增強(qiáng)混凝土箱梁底板混凝土的抗拉能力，確保其在設(shè)計(jì)極限荷載作用下是安全的。在設(shè)計(jì)極限荷載下，混凝土箱梁過渡段底板邊緣和頂板邊緣沿橋梁縱向方向的部分應(yīng)力分布如圖5所示。

表2　設(shè)計(jì)極限荷載下混凝土箱梁各部分受力情況　MPa

圖5　設(shè)計(jì)極限荷載下混凝土箱梁底板和頂板部分Mises應(yīng)力示意

3.2鋼箱梁段應(yīng)力分析

在正常使用荷載下，鋼-混凝土結(jié)合段鋼箱梁各部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，鋼箱梁段底板最大Mises應(yīng)力值為51.8 MPa，最小Mises應(yīng)力值為25.9 MPa，最大拉應(yīng)力值為53.9 MPa；底板上U+T形肋的Mises應(yīng)力最大值為33.4 MPa，頂板上U+T形肋的Mises應(yīng)力最大值為32.7 MPa，頂板Mises應(yīng)力最大值為16.7 MPa，均遠(yuǎn)小于Q345-D鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，表明鋼箱梁段在正常使用荷載下，各部分的應(yīng)力水平均較低，遠(yuǎn)低于Q345 -D鋼的容許應(yīng)力，具有非常大的安全儲(chǔ)備。在正常使用荷載下，鋼箱梁段底板邊緣和頂板邊緣沿橋梁縱向方向的部分應(yīng)力分布如圖6所示。

在設(shè)計(jì)極限荷載下，鋼-混凝土結(jié)合段鋼箱梁各部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，鋼箱梁段底板的最大Mises應(yīng)力值為186 MPa，最大拉應(yīng)力值為193 MPa；底板上U+T形肋的最大Mises應(yīng)力值為124 MPa，最大拉應(yīng)力值為130 MPa，頂板上U+T形肋的最大Mises應(yīng)力值為199 MPa，最大壓應(yīng)力值為180 MPa；頂板最大Mises應(yīng)力值為為82 MPa，最大壓應(yīng)力值為92.4 MPa，表明鋼箱梁段在設(shè)計(jì)極限荷載下，各部分Mises應(yīng)力值均低于Q345-D鋼的容許應(yīng)力，鋼箱梁段在設(shè)計(jì)極限荷載下是安全的。在設(shè)計(jì)極限荷載下，鋼箱梁段底板邊緣和頂板邊緣沿橋梁縱向方向的部分應(yīng)力分布如圖7所示。

表3　正常使用荷載下鋼箱梁各部分受力情況　MPa

圖6　正常使用荷載下鋼箱梁底板和頂板部分Mises應(yīng)力示意

表4　設(shè)計(jì)極限荷載下鋼箱梁各部分受力情況

圖7　設(shè)計(jì)極限荷載下鋼箱梁底板和頂板部分Mises應(yīng)力示意

4　結(jié)論

本文采用ANSYS有限元分析軟件對渭河特大橋鋼-混凝土結(jié)合段建立了有限元模型，對其靜力特性進(jìn)行了計(jì)算分析，并得到以下結(jié)論：

1）在正常使用荷載下，渭河特大橋鋼-混凝土結(jié)合段中混凝土箱梁段和鋼箱梁段各部分的應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于C55混凝土、Q345-D鋼的容許應(yīng)力，具有較大的安全儲(chǔ)備，混凝土箱梁段和鋼箱梁段在此工況下是安全的。

2）在設(shè)計(jì)極限荷載下，渭河特大橋鋼-混凝土結(jié)合段中混凝土箱梁各部分的壓應(yīng)力值小于C55混凝土的抗壓強(qiáng)度容許值，鋼箱梁各部分的應(yīng)力低于Q345-D鋼抗拉、抗壓強(qiáng)度的容許應(yīng)力，混凝土箱梁段和鋼箱梁段在此工況下是安全的，具有一定的安全儲(chǔ)備，但應(yīng)注意需采取有效措施預(yù)防非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，防止其發(fā)生局部失穩(wěn)、破壞，從而導(dǎo)致鋼箱梁段破壞。

［1］陳開利，王戒躁，安群慧.舟山桃夭門大橋鋼與混凝土結(jié)合段模型試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39（3）：86-90.

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Analysis to Local Stress Properties at The Steel-Concrete Combined Segment of Weihe Super Large Bridge

ZHU Junfeng1，WU Hongsheng2，LIANG Bin1

To study inner force properties of super large bridge steel-concrete combined segment and explore stress transfer mechanism at the combined segment，this paper uses Weihe super large bridge as project background and adopts ANSYS finite element analysis software to set up steel-concrete combined segment finite element analysis model and carry out study to mechanical properties under 2 working status of normal load and maximum design load on concrete box girder and steel box girder at the steel-concrete combined segment.Study results show that under normal load，the stress on concrete box girder and steel box girder segment is relative low and safety redundancy is higher.Under maximum design load，however，effective measures shall be taken to enhance anti-tensile capability of bottom plate of concrete box girder，so to enable maximum press stress of all part of concrete box girder and tensile stress of all part of steel box girder less than allowed stress，to guarantee certain safety redundancy of combined segment.

steel-concretecombinedsegment；steelboxgirder；concreteboxgirder；finite element analysis

1009-6477（2016）04-0055-06

U448.21+3

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.012

2016-03-07

朱俊鋒（1978-），男，河南省臨潁縣人，博士，副教授。