謝國紅

(中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司 西安 710000)

隨著大跨度斜拉橋的發(fā)展，鋼-混結(jié)合梁斜拉橋由于橋下凈空高、橋梁高度小、結(jié)構(gòu)剛度大、同時可以合理利用混凝土的抗壓與鋼結(jié)構(gòu)的抗拉性能等優(yōu)點，被廣泛使用。

混合梁斜拉橋主跨采用鋼箱梁，優(yōu)點在于其跨度大、自重輕、剛度大、承載能力強(qiáng)[1-2]。鋼-混結(jié)合段是連接鋼箱梁與混凝土梁的過渡結(jié)構(gòu)，與邊跨混凝土梁及主梁鋼箱梁相連，是整座橋梁受力的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。由于結(jié)合段是材料與結(jié)構(gòu)特性的突變點，其傳力機(jī)理、剛度設(shè)計、疲勞性能都是影響橋梁安全的重要因素。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對鋼-混結(jié)合梁進(jìn)行了相關(guān)研究[3-4]，主要對鋼箱梁與混凝土之間的黏結(jié)力、剪力釘經(jīng)驗荷載破壞、連接鍵縱向抗剪能力等進(jìn)行分析與探討。蒲黔輝等[5-6]以寧波甬江特大橋為背景，對影響結(jié)合段受力性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了探討。由于鐵路斜拉橋有別于公路斜拉橋，其鋼-混結(jié)合段設(shè)計與受力性能有一定區(qū)別。本文以潛江鐵路支線跨漢江特大橋為依托，基于midas Civil建立的整橋模型確定鋼-混結(jié)合段所受荷載，對鐵路斜拉橋的鋼-混結(jié)合段受力特點進(jìn)行分析，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

潛江鐵路支線跨漢江特大橋橋跨布置為32 m+50 m+93 m+260 m+38 m，主橋位于±2.5%的縱坡上，平面位于直線上?；炷亮后w采用C55混凝土，鋼-混結(jié)合段采用C55補(bǔ)償收縮混凝土；普通鋼筋采用HPB300和HRB400。其中主梁由混凝土箱梁和鋼箱梁2部分組成，混凝土部分主梁全長195.2 m，為等高梁，邊支座中心線至梁端0.75 m，支座橫橋向中心距離4.2 m，鋼-混結(jié)合段位于主梁中跨距索塔23 m處，總體布置見圖1。

圖1 岳口江漢特大橋總體布置圖(單位：m)

2 模型的建立

2.1 總體模型建立

采用midas Civil建立潛江鐵路支線跨漢江特大橋整橋模型，全橋共394個單元，506個節(jié)點，其中主梁211個單元，橋塔99個單元。橋墩處約束采用固結(jié)支撐模擬，斜拉索采用只受拉的桁架單元模擬，橋塔及主梁用梁單元模擬，鋼-混結(jié)合段通過修改結(jié)合段材料容重使其與實際重量等效，相應(yīng)彈性模量通過剛度換算進(jìn)行等效模擬，整橋模型如圖2。

圖2 整橋midas Civil模型

2.2 鋼-混結(jié)合段模型的建立

采用midas FEA建立鋼-混結(jié)合段受力有限元模型。邊梁采用C55混凝土，鋼-混結(jié)合段采用補(bǔ)償收縮混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)fpk=1 860 MPa，彈性模量為Ep=195 GPa，單個公稱直徑為15.2 mm的高強(qiáng)度鋼絞線，鋼束型號為HRB335；豎向預(yù)應(yīng)力抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=830 MPa，彈性模量Ep=200 GPa的預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋；鋼箱梁主材采用Q345qD。模型見圖3與圖4。

圖3 結(jié)合段FEA模型幾何圖(黑色為剪力釘)

圖4 結(jié)合段FEA模型有限元圖(固結(jié))

將混凝土箱梁端面進(jìn)行固定約束，使模型成為懸臂結(jié)構(gòu)，同時以鋼箱梁過渡段端面形心處節(jié)點為主節(jié)點，使鋼箱梁過渡段端面形成剛域，并在主節(jié)點上懸臂加載。

以截面形心節(jié)點為主節(jié)點形成剛性域，并在該形心節(jié)點處施加各種工況荷載。這種加載方法會導(dǎo)致鋼箱梁截面局部區(qū)域應(yīng)力偏大，結(jié)果失真，在建立模型時通過預(yù)留一定長度來減小這種方法對分析帶來的不利影響，即預(yù)留了多余的混凝土梁段。根據(jù)圣維南原理，分布于彈性體上一小塊面積(或體積)內(nèi)的荷載所引起的物體中的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關(guān)；荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布。從原理上分析，遠(yuǎn)離該固結(jié)截面處的受力情形與實際設(shè)計情況較為符合。故分析加載時主要靠近鋼過渡段區(qū)，以便分析的結(jié)果更接近真實情況，邊界約束見圖4。

2.3 荷載工況

模型加載時將2個方向的彎矩等效為同作用的力偶，扭矩也同樣處理。分析控制包括鋼梁與承壓板，橫隔板等組成整體的鋼殼單元、鋼-混結(jié)合段內(nèi)填充混凝土單元、混凝土梁單元、剪力釘、預(yù)埋在填充混凝土中的預(yù)應(yīng)力鋼束；荷載包括作用于鋼梁橫截面的軸力、縱橋與橫橋向的剪力和彎矩、作用于鋼-混段的扭矩、自重，以及預(yù)應(yīng)力鋼束張拉產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力。根據(jù)潛江鐵路支線跨漢江特大橋靜力計算結(jié)果確定鋼-混結(jié)合段在短期組合和彈性組合下的荷載，對midas FEA所建模型進(jìn)行加載。

3 計算結(jié)果

3.1 midas Civil計算結(jié)果

整體模型軸力及彎矩見圖5及圖6?？梢钥闯觯瑹o論軸力還是彎矩在鋼-混結(jié)合段處均有明顯突變，原因是鋼-混結(jié)合段截面大、剛度大?？拷魉粋?cè)的混凝土梁由于自身截面大，由鋼箱梁傳遞的應(yīng)力反而不大，在靠近主塔處軸力為8 551 kN,結(jié)合段僅5 984 kN，鋼箱梁則達(dá)到53 200 kN；在靠近主塔處彎矩為3 159 kN·m,結(jié)合段僅1 626 kN·m，鋼箱梁則達(dá)到29 321 kN·m。

圖5 midas Civil軸力圖

圖6 midas Civil彎矩圖

3.2 midas FEA計算結(jié)果

根據(jù)midas Civil計算所得鋼-混結(jié)合段受力，對midas FEA模型進(jìn)行加載，見圖7。

圖7 荷載加載示意圖

混凝土的縱向應(yīng)力分布見圖8。

圖8 混凝土縱向應(yīng)力

由圖8可知，混凝土的主壓應(yīng)力整體水平不高，基本處于-3.5 MPa以下水平，只有在靠近預(yù)應(yīng)力鋼束錨固處和固結(jié)端的局部位置有較高的應(yīng)力集中，最高為-6.3 MPa；混凝土縱向應(yīng)力由鋼梁端向混凝土梁端遞增，其中橋面中心處應(yīng)力最大，橫橋向應(yīng)力的變化趨勢也與整體相似。

鋼殼的縱向應(yīng)力分布見圖9。

圖9 鋼殼縱向應(yīng)力

由圖9可知，鋼殼的整體應(yīng)力分布變化相差不大，其大多數(shù)的應(yīng)力值均在-2.5～-3.11 MPa間，其變化趨勢是由加載端向混凝土固結(jié)端逐漸變小，在靠近混凝土固結(jié)端時出現(xiàn)部分應(yīng)力集中，其極值達(dá)到-4.99 MPa，同時在鋼殼靠近混凝土固結(jié)處上緣有小部分的拉應(yīng)力;在鋼殼內(nèi)部,承壓板與鋼格室橫隔板交界處和承壓板鋼梁外殼交界處出現(xiàn)部分應(yīng)力集中的現(xiàn)象;承壓板的應(yīng)力分布從四周向中心逐漸減小,數(shù)值在-2.21～-1.53 MPa間。

鋼-混結(jié)合段整體的縱向應(yīng)力分布見圖10。

圖10 整體縱向應(yīng)力

由圖10可知，其上緣部分受壓，變化趨勢為由加載端向固結(jié)端逐漸增大，其數(shù)值基本在12.3 MPa以下；在鋼梁上緣近混凝土固結(jié)處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其極值達(dá)到23.09 MPa;下緣部分受拉，其變化趨勢為固結(jié)端向加載端逐漸減小，其數(shù)值基本在-23.16 MPa以下；在鋼梁下緣近混凝土固結(jié)處出現(xiàn)應(yīng)力集中，其極值達(dá)到-34.7 MPa。

4 結(jié)論

1) 鋼-混結(jié)合段受力合理，滿足運營要求；同時傳力較為復(fù)雜，在鋼-混結(jié)合段內(nèi)部中腹板和承壓板的邊界焊縫處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)保證施工質(zhì)量。

2) 通過承壓板和剪力釘都有應(yīng)力、應(yīng)變分布可以推論在鋼箱梁的應(yīng)力傳遞過程中，鋼-混結(jié)合段內(nèi)的剪力釘和承壓板都承擔(dān)傳遞力，并且承壓板和剪力釘在傳遞過程中承擔(dān)大部分軸力。

3) 由承壓板的應(yīng)力、應(yīng)變分布可以得出，承壓板在鋼-混結(jié)合段中的作用主要是使內(nèi)力在其自身厚度范圍內(nèi)得到進(jìn)一步擴(kuò)散，從而能夠均勻地傳遞至混凝土箱梁中。

4) 通過數(shù)據(jù)分析可以得出，剪力釘在鋼-混段剪力的傳遞過程中分擔(dān)約40.12%，而承壓板則分擔(dān)31.83%，剪力釘比承壓板承擔(dān)傳遞的力更多。

[1] 嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,1996.

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