鋼混接頭局部受力分析

劉 博 朱 疆

（1.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)公司 武漢 430050； 2.荊門九衢路橋工程有限公司 荊門 448000）

隨著橋梁建設(shè)的發(fā)展，鋼混組合的橋梁結(jié)構(gòu)形式越來越多。鋼－混結(jié)合段是鋼梁和混凝土梁2種不同材質(zhì)的箱梁對(duì)接過渡構(gòu)造，結(jié)合部內(nèi)力傳遞復(fù)雜，是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位之一［1］。研究表明，鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際受力狀況與采用彈性模量比值換算成單一材料時(shí)計(jì)算結(jié)果存在一定差異。因此，對(duì)于鋼－混凝土結(jié)合段重要的受力

結(jié)構(gòu)部位，需確保其有足夠的抗彎、壓、剪受力性能和鋼－混凝土連接強(qiáng)度。

1 結(jié)構(gòu)模型

某混凝土箱型梁橋頂推施工，設(shè)置鋼箱型邊主梁做臨時(shí)導(dǎo)梁。見圖1。

圖1 橋梁立面布置示意圖（單位：mm）

計(jì)算采用ansysy軟件計(jì)算分析，鋼－混凝土結(jié)合段混凝土采用體單元模擬，鋼梁采用殼單元模擬［2］。整個(gè)結(jié)合段模型有單元25 000個(gè)，總共節(jié)點(diǎn)數(shù)為12 000個(gè)。計(jì)算模型見圖2。

圖2 計(jì)算模型圖

結(jié)合段分析模型混凝土梁遠(yuǎn)端截面采用固結(jié)約束，在鋼梁遠(yuǎn)端截面施加內(nèi)力組合。荷載按照結(jié)合段各關(guān)心截面上的控制內(nèi)力為依據(jù)。各斷面上的內(nèi)力（軸力和剪力）都通過截面均布力施加到模型上，彎矩和轉(zhuǎn)矩則通過延伸一段剛臂施加力偶實(shí)現(xiàn)。鋼－混凝土結(jié)合處結(jié)構(gòu)的模擬，在計(jì)算時(shí)忽略鋼板與混凝土的粘結(jié)作用，鋼板與混凝土之間通過剪力釘及PBL鍵傳遞。另外，通過耦合承壓板處的鋼板和混凝土節(jié)點(diǎn)模擬壓力接觸［3］。鋼－混凝土結(jié)合段整體仿真分析模型主要用以分析結(jié)合段各部分總體應(yīng)力的分布情況、剪力釘以及PBL鍵的受力情況［4］。

2 計(jì)算結(jié)果

本文針對(duì)2個(gè)計(jì)算工況（最大剪力和最大彎矩工況），分別計(jì)算了混凝土梁端面、鋼梁、剪力釘?shù)氖芰η闆r［5］。下面將分別進(jìn)行闡述（注：結(jié)果圖形中，在未說明前提下，單位分別為k N，k N·m，k Pa）。

2.1 工況一。最大剪力工況

（1）混凝土梁結(jié)合面。工況一荷載作用下混凝土梁結(jié)合面應(yīng)力情況見圖3～圖5。

圖3 混凝土結(jié)合面x向應(yīng)力

圖4 混凝土結(jié)合面主拉應(yīng)力

圖5 混凝土結(jié)合面主壓應(yīng)力

根據(jù)圖3～圖5，縱向最大壓應(yīng)力為－9.3 MPa，出現(xiàn)在承壓板與底板交接處的混凝土主梁；最大主拉應(yīng)力為4.8 MPa，最大主壓應(yīng)力為－12.3 MPa。

（2）鋼梁應(yīng)力。工況一荷載作用下鋼梁應(yīng)力情況見圖6，圖7。

圖6 鋼梁Von Mises應(yīng)力

圖7 鋼梁縱向應(yīng)力

根據(jù)圖6～圖7，縱向最大壓應(yīng)力為－42.7 MPa，出現(xiàn)在底板與承壓板交接處；最大拉應(yīng)力為43.9 MPa，出現(xiàn)在頂板與第一排剪力釘?shù)慕唤犹?。最大von Mises應(yīng)力為46.0 MPa。

（3）剪力釘。工況一荷載作用下，上緣剪力釘最大剪力為21.2 k N，出現(xiàn)在上緣剪力釘?shù)谝慌盘?；下緣剪力釘最大剪力?.9 k N，出現(xiàn)在下緣剪力釘?shù)谝慌盘帯?/p>

2.2 工況二。最大彎矩工況

（1）混凝土梁結(jié)合面。工況二荷載作用下混凝土梁結(jié)合面應(yīng)力情況見圖8～圖10。

圖8 混凝土結(jié)合面縱向應(yīng)力

圖9 混凝土結(jié)合面主拉應(yīng)力

圖10 混凝土結(jié)合面主壓應(yīng)力

根據(jù)圖8～圖10，縱向最大壓應(yīng)力峰值為－32.7 MPa，附近壓應(yīng)力為－21.9 MPa左右，出現(xiàn)在承壓板與頂板交接處的混凝土主梁。

（2）鋼梁應(yīng)力。工況二荷載作用下鋼梁應(yīng)力情況見圖11，圖12。

圖11 鋼梁Von Mises應(yīng)力

圖12 鋼梁縱向應(yīng)力

根據(jù)圖11～圖12，結(jié)合面處縱向最大壓應(yīng)力為－155.5 MPa，出現(xiàn)在頂板與承壓板交接處；最大拉應(yīng)力為119.3 MPa，出現(xiàn)在底板與第一排剪力釘?shù)慕唤犹帯Ｗ畲髒on Mises應(yīng)力為155.9 MPa。

（3）剪力釘。工況二荷載作用下，上緣剪力釘最大剪力為41.1k N，出現(xiàn)在上緣剪力釘?shù)谝慌盘?；下緣剪力釘最大剪力?8.1 k N，出現(xiàn)在下緣剪力釘?shù)谝慌盘帯?/p>

3 結(jié)論

（1）混凝土結(jié)合面在荷載作用下，最大壓應(yīng)力峰值為－32.7 MPa，其余應(yīng)力在16.5 MPa以下，鑒于有限元計(jì)算時(shí)峰值較實(shí)際值為大，且附近應(yīng)力不高，在采取適當(dāng)措施的情況下可滿足使用要求。

（2）鋼梁在荷載作用下，結(jié)合面附近鋼梁最大應(yīng)力均未超過160.0 MPa，可以滿足使用要求。

（3）剪力釘在荷載作用下最大剪力為41.1 k N，均可滿足使用要求。

［1］ 劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 劉玉擎.混合梁接合部設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展［J］.世界橋梁，2005（4）：9-12.

［4］ 占玉林，趙人達(dá)，毛學(xué)明，等.東平大橋鋼混凝土結(jié)合段模型試驗(yàn)［J］.橋梁建設(shè)，2011（4）：20-24.

［5］ 王軍文，倪章軍，李建中，等.石板坡長江大橋鋼混結(jié)合段局部應(yīng)力分析［J］.公路交通科技，2007（8）：99-102.