施 洲，顧家昌，高 貴，楊仕力，寧伯偉

(1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031； 2.武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，武漢 430200； 3.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430056)

引言

混合梁斜拉橋主梁沿縱橋向采用不同材料，通常主、邊跨分別采用鋼、混凝土材料，具有剛度大、跨越能力強、經濟性好等優(yōu)勢，已廣泛應用于國內外的大跨徑公路橋梁中，如多多羅大橋、俄羅斯島大橋、鄂東長江大橋等[1-3]。目前，混合梁斜拉橋在鐵路中的應用相對較少[4-7]，但自寧波鐵路樞紐甬江特大橋建成以來，混合梁斜拉橋在鐵路橋梁中的應用正不斷發(fā)展。

鋼混結合段作為混合梁斜拉橋主梁兩種材料的連接部件并傳遞主梁內力，其受力與傳力特性直接關系到橋梁的安全與耐久性?；糁緞偟萚8]采用ANSYS軟件詳細模擬了結合段鋼格室、承壓板、剪力釘及PBL連接件的構造，并對鋼格室與混凝土間的滑移進行了分析。為探究混合梁鋼混結合段的剛度分布，劉凱等[9]以石首長江公路大橋為工程背景，建立全橋有限元模型進行整體結構分析，結果表明，采用不灌注混凝土的純鋼格室順橋向剛度分布更為合理。針對鋼混結合段承載能力與傳力特性，陳開利等[10]采取模型試驗對桃夭門大橋進行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼混結合段具有足夠的承載能力。黃彩萍等[11]針對武漢二七長江大橋，通過1∶3的縮尺模型試驗考察了荷載作用下結構構件的應力分布，發(fā)現(xiàn)鋼混結合段具有足夠的承載能力。張仲先等[12]采用試驗手段對南昌英雄大橋鋼混結合段的傳力機理進行了研究，結果表明，混凝土的密實性直接影響結合段的傳力性能，密實性越好傳力越均勻，結構越安全。周陽等[13-14]采用數(shù)值模擬和試驗分析相結合的方式對國內首座鐵路混合梁斜拉橋—甬江特大橋進行了等效分析，結果表明，結合段結構設計合理，滿足變形及承載力的要求。YANG S等[15]以深茂鐵路潭江特大橋為背景，對結合段的受力與變形性能進行了探究，結果表明，結合段具有足夠的剛度與抗彎承載力，滿足高速列車行駛要求。目前，鋼混結合段的研究主要集中在公路橋梁[16-19]，且已取得較好的成果，而鐵路混合梁斜拉橋的鋼混結合段構造形式相對較少[20]，相關研究資料更少。因此，以寧波鐵路樞紐甬江特大橋及安九鐵路鳊魚洲長江大橋[21]為工程背景，采用數(shù)值分析手段對比兩類不同鋼混結合段構造形式的受力與傳力性能。

1 兩類鐵路鋼混結合段形式及有限元模型

1.1 鐵路鋼混結合段特點

混合梁斜拉橋在公路斜拉橋中應用較為廣泛，其結合段長度通常在1.5～2.0 m，且采用等高度鋼格室，結合段兩側的剛度過渡段長度也較短，因而，公路結合段剛度變化較大。混合梁斜拉橋在鐵路斜拉橋中的應用較少，主要原因在于：①鐵路活載大，以跨度468 m為例，雙線鐵路ZKH豎向靜荷載相當于6車道“公路-Ⅰ級”豎向靜荷載的4.33倍；②動力效應顯著，對各個構件的疲勞性能及耐久性要求較高；③對橋梁線路平順及整體剛度要求較高。因而，鐵路鋼混結合段必然更加復雜，以適應鐵路荷載作用。相較于公路鋼混結合段，現(xiàn)有少量鐵路斜拉橋主梁鋼混結合段長度普遍在4.0～7.35 m，且結合段內剪力連接件更多，兩側剛度過渡段也相對較長。

1.2 鋼混結合段構造形式對比

甬江特大橋為我國首座大跨度鐵路專用箱形混合梁斜拉橋，橋跨布置為(53+50+50+66+468+66+50+50+53) m，為雙線貨運鐵路斜拉橋。主梁全寬21.0 m，梁高5.0 m，主跨中部419 m為鋼箱梁，兩側各243.5 m為預應力混凝土箱梁，兩處結合段均位于主跨內距塔24.5 m。結合段長7.35 m(包含4.05 m的變高度鋼格室段和3.3 m的插入混凝土段)，為有格室前后承壓板形式，前后承壓板分別厚60，28 mm，預應力筋分散錨固在前后承壓板上。結合段兩側分別布置5.0 m鋼梁剛度過渡段和1.7 m混凝土梁剛度過渡段，如圖1所示(以下稱作“長結合段”)。

圖1 甬江特大橋鋼混結合段構造(單位：cm)

鳊魚洲長江大橋為我國首座高速鐵路箱形混合梁斜拉橋，橋跨布置為(2×50+224+672+174+3×50) m，為四線高速鐵路斜拉橋。主梁全寬32.2 m(不包含風嘴)，鋼梁頂板上澆筑一層15 cm厚混凝土層，主梁全高4.94 m。全橋共設置兩處鋼混結合段，分別位于227 m跨、174 m跨輔助墩附近。結合段長度均為2.0 m，為無格室后承壓板形式，承壓板厚60 mm，結合段鋼頂板頂?shù)酌妗⒌装屙斆婢O置φ22 mm×150 mm的剪力釘，并設置1.7 m長的PBL錐形開孔板插入混凝土中。鋼梁剛度過渡段和混凝土梁剛度過渡段分別長6.0，16.0 m。為使承壓板和混凝土梁能夠緊密貼合，結合段共設置120束預應力筋，且通過加強在鋼梁剛度過渡段內錨固構造，其構造如圖2所示(以下稱作“短結合段”)。兩類鐵路鋼混結合段構造細節(jié)對比如表1所示，兩類結合段結構組成及傳力方式基本相似，但構造細節(jié)上的差別導致傳力特點有所差異。

表1 兩類鐵路鋼混結合段構造細節(jié)對比

圖2 鳊魚洲長江大橋鋼混結合段構造(單位：cm)

1.3 有限元模型

甬江橋中鋼結構為Q345qD，混凝土為C60補償收縮混凝土，鳊魚洲橋中鋼結構為Q370qE，混凝土等級為C55。有限元模型中使用線彈性關系來模擬材料的本構關系，其中，鋼材彈性模量取206 GPa，C60混凝土和C55混凝土彈性模量分別取36.0，35.5 GPa。既有研究結果表明[9-12]，由于鐵路橋梁安全系數(shù)一般較大(>1.5)，采用線彈性關系能夠準確反映結構的受力行為。

充分考慮圣維南原理后，甬江橋節(jié)段模型總長42.35 m，包含20 m鋼梁，7.35 m結合段，15 m混凝土梁；鳊魚洲橋節(jié)段模型總長39 m，包含18 m鋼梁，2 m結合段，19 m混凝土梁段。有限元模型中，鋼結構采用SHELL63單元進行模擬，混凝土采用8節(jié)點SOLID45單元進行模擬，剪力釘及PBL連接件采用梁單元BEAM44進行模擬，預應力筋采用LINK8單元進行模擬。為避免出現(xiàn)畸形單元，相鄰單元尺寸相差不超過1倍，其中，結合段中鋼結構、混凝土、剪力連接件、預應力筋等單元尺寸在40～60 mm，其余節(jié)段單元尺寸在80～100 mm。

有限元模型均采用一端約束，一端自由的懸臂約束方式，即約束模型混凝土端截面所有節(jié)點的自由度形成錨固端，并在鋼結構端截面形心建立主節(jié)點，使之與鋼結構端截面所有節(jié)點耦合形成局部剛域，并用以加載，有限元模型如圖3所示。模型加載計算中，分別提取全橋有限元模型計算中鋼混結合段兩側最不利組合內力：最不利正彎矩、最不利負彎矩等組合工況進行計算。

圖3 有限元分析模型(單位：m)

2 兩類鋼混結合段受力對比與分析

2.1 鋼結構受力特性對比分析

兩類鋼混結合段的仿真分析結果表明，最大正、負彎矩工況下結合段具有相似的應力分布規(guī)律及傳力性能[11-12]，但限于篇幅，以最大正彎矩工況下兩類鋼混結合段頂部的應力分布規(guī)律為例，對比分析兩類鋼混結合段的受力特性。其中，鋼頂板Z1、Z2剖面處的應力沿縱橋向的應力分布結果如圖4所示，圖中縱向截面的具體位置分別見圖1(a)、圖2(a)，橫坐標以承壓板所在截面為原點，混凝土梁方向為正方向。由于甬江特大橋為雙線鐵路，鳊魚洲長江大橋為四線鐵路，主梁內力差異較大，因而不對應力量值做對比分析，僅對比兩類結合段的應力分布規(guī)律。

圖4 鋼結構應力縱向分布情況對比

如圖4(a)所示，Z2截面應力明顯大于Z1截面，表明鋼梁頂面在橫向分布不均勻，即剪力滯現(xiàn)象明顯。由于在長結合段剛度過渡段鋼梁截面面積不斷增大，鋼梁剛度過渡段應力不斷減小，鋼梁順橋向最大壓應力為56.8 MPa。在靠近后承壓板時，鋼梁應力有明顯增加，表明鋼梁剛度過渡段與后承壓板連接位置存在一定的應力集中。在結合段，鋼梁應力沿縱向不斷減小，表明鋼梁通過結合段將內力順暢傳遞給混凝土梁。在前承壓板前后，應力量值變化較小，表明前承壓板對傳力影響較小。

如圖4(b)所示，短結合段在鋼梁剛度過渡段，z1截面應力明顯大于中箱z2截面，表明在鋼梁段呈現(xiàn)出明顯的以邊箱受力為主的受力特征，橫向應力分布更為不均勻，剪力滯效應更為顯著。隨著鋼梁過渡段頂?shù)装寮觿爬呓孛婷娣e不斷增加，邊箱z1截面和中箱z2截面應力變化不斷下降，鋼梁順橋向最大壓應力為96.9 MPa。在預應力錨固位置，由于張拉了預應力，鋼頂板應力甚至出現(xiàn)了明顯上升。鋼梁靠近承壓板位置，應力有明顯的增加，表明短結合段鋼梁剛度過渡段與承壓板連接位置也存在一定的應力集中。在承壓板前后，鋼頂板應力出現(xiàn)了明顯下降，表明承壓板對結合段縱向傳力影響較大。在結合段內，鋼梁應力縱向分布曲線的斜率明顯大于長結合段，但未出現(xiàn)應力突變。由于邊箱對應的是混凝土箱梁的邊腹板，因而邊箱應力沿縱向下降得更加迅速。

兩類鋼混結合段對比可見，兩者在縱向、橫向的應力分布規(guī)律基本相似；長結合段后承壓板及短結合段承壓板處均存在應力突變，表明承壓板直接向混凝土集中傳力；長結合段由于鋼混連接部更長，其傳力更加平順；短結合段應力傳遞范圍短但無顯著應力突變及應力集中。

2.2 混凝土受力特性對比分析

在最大正彎矩工況下，兩類鋼混結合段頂板混凝土應力縱向分布如圖5所示，圖中橫坐標以承壓板所在截面為原點，混凝土梁方向為正方向。

圖5 混凝土應力縱向分布情況對比

如圖5(a)所示，長結合段中混凝土梁也呈現(xiàn)出中箱Z2截面應力大于邊箱Z1截面應力的規(guī)律。由于長結合段中混凝土梁截面面積先不斷增大，后保持不變，再減小，因而混凝土應力呈現(xiàn)出基本不變再不斷增加的趨勢，整個結合段中混凝土順橋向最大壓應力為11.5 MPa。如圖5(b)所示，短結合段混凝土應力縱向分布規(guī)律與鋼結構較為相似。沿橫向也呈現(xiàn)出以邊箱受力為主的特征。在鋼梁剛度過渡段，由于頂?shù)装寮觿爬呓孛婷娣e增加和預應力效應，混凝土層應力沿縱向先減小后增加，整個結合段中混凝土順橋向最大壓應力為15.4 MPa。由于鋼箱梁邊箱對應的位置為混凝土箱梁的邊腹板，因而結合段混凝土應力在邊箱位置減小得更為明顯，在混凝土梁過渡段，邊箱z1截面應力也小于中箱z2截面。兩類鋼混結合段應力頂板受力均與鋼頂板受力類似。

2.3 剪力連接件受力對比分析

分別提取了長結合段和短結合段頂部剪力連接件最大正彎矩工況下的剪應力，結果如圖6所示，橫坐標以承壓板所在截面為原點，混凝土梁方向為正方向。兩類結合段剪力連接件剪應力分布模式較為相似，沿縱向呈現(xiàn)出兩頭大，中間小的規(guī)律，表明結合段中沿縱向每層剪力連接件分擔的荷載是不同的，設計過程中需考慮這種不均勻性。由于承壓板限制了相對位移的發(fā)生，導致結合段遠離承壓板位置附近剪力連接件的剪應力大于結合面附近剪力連接件的剪應力。兩類鐵路鋼混結合段中，剪力釘剪應力均大于PBL連接件穿孔鋼筋的剪應力，原因在于PBL連接件的混凝土榫也分擔了一部分荷載，使穿孔鋼筋承擔的荷載相對較小。

圖6 剪力連接件剪應力情況對比

3 兩類鋼混結合段傳力特性對比分析

3.1 傳力路徑分析

鋼混結合段作為連接鋼梁和混凝土梁的重要構件，其構造較為復雜，鋼梁段巨大的內力將通過結合段平順地傳遞給混凝土梁。鋼梁傳遞過來的內力主要通過承壓板直接承壓、剪力連接件傳剪、鋼頂?shù)装褰缑骛そY力等方式傳遞給混凝土梁，如圖7所示，結合段傳力路徑主要有4條，即路徑R1、R2、R3、R4，其中，直接承壓和端部承壓均以鋼板和混凝土直接接觸的方式進行內力傳遞，剪力釘和PBL以界面剪力傳遞的方式完成內力傳遞。

圖7 鋼混結合段傳力路徑

3.2 傳力特性分析

在最大正彎矩工況下，多個截面上對鋼構件的正應力進行積分，可得到各構件所傳遞的軸力情況，結果如圖8所示，其中，傳力比為各構件傳遞的軸力與截面總軸力的比例。由圖8(a)可見，甬江特大橋長結合段各鋼構件傳力比沿縱向逐漸減小，最終降為0，表明內力由鋼梁通過結合段平穩(wěn)地傳遞給混凝土梁。在鋼混結合面，頂?shù)装搴透拱骞矀鬟f36.3%的軸力，這部分軸力將主要通過布置在頂?shù)装濉⒏拱鍍葌鹊募袅︶攤鬟f給混凝土(即路徑R2)；開孔板共傳遞29.8%的軸力，這部分軸力將主要通過PBL連接件進行傳遞(即路徑R3)；剩余約33.9%的軸力將通過后承壓板直接傳遞給混凝土(即路徑R1)。由于有限元模型中未模擬鋼和混凝土的粘結作用，因而無法獲得路徑R4的傳力比。在實際橋梁設計過程中，不考慮路徑R4的傳力作用，僅將其作為安全儲備考慮[10]。

鳊魚洲長江大橋鋼梁剛度過渡段頂?shù)装寮觿爬吒叨戎饾u增加，腹板加勁肋截面面積也不斷增加，因此，在鋼梁剛度過渡段內，頂?shù)装鍌髁Ρ戎饾u減小，而頂?shù)装寮觿爬邆髁Ρ戎饾u增加。由于鳊魚洲長江大橋呈現(xiàn)出邊箱受力為主的特征，因此，邊箱腹板傳力比變化較小。由圖8(b)可見，在鋼梁剛度過渡段起始位置，頂?shù)装?、頂?shù)装寮觿爬?、腹板及腹板肋傳力比分別為49.1%，20.7%，17.0%，6.5%，即頂部混凝土層可傳遞約6.7%的軸力，且隨著頂?shù)装謇?、腹板肋截面面積的增加，混凝土層的傳力比逐漸下降。各構件傳力比沿縱向變化較為緩慢，表明這種結合段構造傳力較為順暢。在鋼混結合面，頂?shù)装骞矀鬟f18.3%的軸力，這部分軸力將主要通過剪力釘傳遞給混凝土(即路徑R2)；腹板和頂?shù)装寮觿爬吖矀鬟f26.8%的軸力，這部分軸力將主要通過PBL連接件進行傳遞(即路徑R3)；頂板混凝土層約傳遞4.5%的軸力，而剩余約48.6%的軸力將通過承壓板和混凝土梁的直接承壓作用進行傳遞(即路徑R1)。

圖8 兩類結合段鋼構件軸力傳遞情況

兩類鋼混結合段對比可知，由于長結合段長度約為短結合段的3.7倍，長結合段中沿縱向剪力釘層數(shù)多于短結合段，因而，長結合段通過剪力釘(即路徑R2)傳遞的軸力大于短結合段，結合段傳力也更加平緩。雖然長結合段中PBL剪力連接件層數(shù)大于短結合段，但兩類結合段通過PBL剪力連接件(即路徑R3)傳遞的軸力僅差3%，這是由于PBL剪力連接件屬于剛性連接件，其相對滑移較小。此外，由于短結合段傳力距離較短，因而通過承壓板的直接承壓作用傳遞的軸力比例比長結合段高14.6%。從各構件傳力比例的斜率變化情況來看，兩類鐵路鋼混結合段的內力傳遞都較為順暢，未出現(xiàn)明顯突變，表明兩類結合段的傳力性能均能滿足要求。由于長結合段傳力長度更長，傳力更均勻；短結合段傳力范圍小，傳力較為迅速，但構造相對更簡單。

4 結論

針對大跨度高速鐵路長短鋼混結合段受力、傳力及結構形式的分析，得出以下結論。

(1)長、短結合段在最不利工況下整體均處于受壓狀態(tài)，且應力水平較低，順橋向鋼梁與混凝土梁壓應力分別小于56.8，11.5 MPa和96.9，15.4 MPa，滿足承載力要求。

(2)兩類鋼混結合段在縱向的應力分布規(guī)律基本相似；長結合段后承壓板及短結合段承壓板處均存在應力突變，表明承壓板直接向混凝土集中傳力；縱向正應力沿橫向分布均存在顯著的不均勻性，表明結合段中均存在明顯的剪力滯現(xiàn)象。

(3)兩類鐵路鋼混結合段的剪力連接件受力均呈現(xiàn)出不均勻現(xiàn)象，呈馬鞍形分布，結合段遠離鋼梁端的剪力連接件受力最大。

(4)長結合段通過直接承壓作用(即路徑R1)、剪力釘抗剪作用(即路徑R2)、PBL抗剪作用(即路徑R3)分別傳遞33.9%，36.3%，29.8%，而短結合段則分別傳遞48.6%，18.3%，26.8%，表明結合段長度及剪力釘數(shù)量等設計參數(shù)將影響內力的分配。

(5)長短鋼混結合段受力及傳力分析表明，長結合段傳力長度更長，傳力更均勻；短結合段傳力范圍小，傳力較為迅速，但構造相對更簡單。兩類鐵路鋼混結合段均能夠滿足承載力及剛度要求。