斜拉橋鋼-混結(jié)合段力學(xué)行為仿真分析

班長凱

（天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300392）

0 引言

近年來，鋼-混凝土混合梁斜拉橋在世界各地得到了廣泛應(yīng)用，其充分利用、發(fā)揮了鋼材和混凝土兩種材料的不同特性而集諸多優(yōu)勢于一身。

鋼-混結(jié)合段承擔(dān)著將鋼梁段的內(nèi)力合理、有效地傳遞到混凝土梁段的重任，因此，作為混合梁斜拉橋的關(guān)鍵受力部位，國內(nèi)外學(xué)者對其力學(xué)性能和傳力機理展開了多方面的研究[1]。陳君等[2]以南京秦淮新河橋為研究對象，建立了混凝土梁段+結(jié)合段+鋼梁段的有限元模型，分析了鋼-混結(jié)合段在各加載工況下的應(yīng)力場分布規(guī)律以及荷載在鋼-混結(jié)合段內(nèi)的傳遞路徑；李小珍等[3]通過對廈門馬新大橋鋼-混結(jié)合段的縮尺模型進行加載，研究了試驗梁段在各加載方案下的力學(xué)行為，并結(jié)合數(shù)值模型對其傳力機理進行了分析；唐亮等[4]針對混合梁斜拉橋，通過有限元方法，分析了鋼-混結(jié)合段有格室-后承壓板構(gòu)造的受力特點，并對抗剪連接件剛度、后承壓板厚度、格室長度及高度、加強段長度等參數(shù)影響進行了較為系統(tǒng)的研究。

本文以山東省濟寧市龍拱河特大橋（簡稱龍拱河特大橋）為研究背景，基于有限元軟件ABAQUS建立斜拉橋主梁鋼-混結(jié)合段的精細化有限元模型，研究這一區(qū)段的局部應(yīng)力分布規(guī)律，為今后該類橋梁的設(shè)計、分析提供一定的參考。

1 工程概況

龍拱河特大橋主橋為40m+60m+220m+60m+40m半飄浮體系斜拉橋，北側(cè)引橋為2m×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁，南側(cè)引橋為4m×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)現(xiàn)澆箱梁，橋梁全長600m。主橋橋面寬27.9m，引橋橋面寬25.5m。斜拉橋主梁采用混合梁方案，即主跨采用鋼箱梁，以減輕自重，增大跨越能力，方便施工；邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進行配重，以提高全橋剛度；鋼-混結(jié)合段設(shè)置在主跨距離索塔中心6.5m位置處。龍拱河特大橋鋼-混結(jié)合段采用有格室-后承壓板式構(gòu)造，貫穿混凝土橫梁的預(yù)應(yīng)力鋼束錨固在承壓端板上，并在鋼-混結(jié)合段頂?shù)装?、承壓板以及格?gòu)板上布置焊釘，焊釘直徑為22mm，長170mm。鋼-混結(jié)合段基本構(gòu)造見圖1。

圖1 鋼-混結(jié)合段基本構(gòu)造（單位：m）

2 鋼-混結(jié)合段有限元模型建立

本文基于有限元軟件ABAQUS，對龍拱河特大橋鋼-混結(jié)合段進行數(shù)值模擬分析。

2.1 材料屬性與單元選取

鋼-混結(jié)合段鋼箱梁、橫隔板、加勁板、承壓板、格構(gòu)板、焊釘、預(yù)應(yīng)力鋼束等鋼材屬性均采用彈性本構(gòu)關(guān)系，其中采用殼單元S4R模擬鋼箱梁、橫隔板、承壓板以及格構(gòu)板；由于焊釘數(shù)目眾多，采用桁架單元T3D2建立焊釘模型將有效改善網(wǎng)格劃分質(zhì)量以及提升模型運算速度；預(yù)應(yīng)力鋼束采用桁架單元T3D2進行模擬。鋼-混結(jié)合段混凝土取彈性本構(gòu)模型，并采用實體單元C3D8R建立混凝土梁段。模型計算參數(shù)選取如表1所示?？紤]到計算效率，未在模型中建立普通鋼筋。

表1 模型材料參數(shù)表

2.2 約束與接觸關(guān)系

由于鋼-混結(jié)合段混凝土采用C60微膨脹混凝土，因此建模時假定鋼板與混凝土之間緊密結(jié)合，同步受力，變形協(xié)調(diào)。因此，鋼箱梁頂?shù)装?、承壓板、格?gòu)板與混凝土之間采用Tie接觸關(guān)系。焊釘連接件、預(yù)應(yīng)力鋼束采用embeded功能處理，即將鋼構(gòu)件單元與周圍接觸混凝土在適當(dāng)位置建立自由度約束關(guān)系。

2.3 邊界條件與荷載施加

依據(jù)圣維南原理，距離鋼-混凝土結(jié)合部位較遠位置的應(yīng)力幅值對鋼-混結(jié)合段受力影響較小。建模過程中，各部件均按實際尺寸進行模擬，并在鋼-混結(jié)合區(qū)域向兩側(cè)延伸一部分來消除耦合約束和端部固結(jié)對鋼-混結(jié)合段應(yīng)力場的影響[5]。

按照設(shè)計位置進行預(yù)應(yīng)力鋼束的布置，并通過降溫法來實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的施加。分析模型中，混凝土梁端采用固端約束，在鋼箱梁端部施加內(nèi)力。根據(jù)鋼箱梁截面形式，無法直接施加集中力，因此在鋼箱梁端部截面形心對應(yīng)位置建立一個參考點，借助ABAQUS中的Coupling功能將鋼箱梁端部截面上各節(jié)點的自由度與截面形心參考點進行耦合，通過參考點施加內(nèi)力組合。

加載內(nèi)力組合通過全橋梁單元模型提取，選取最不利的頻遇組合（1.0恒載+0.7活載+1.0整體溫度（包絡(luò)）+0.8梯度升降溫（包絡(luò)）+0.75風(fēng)載）作為加載工況。

2.4 數(shù)值模型建立

針對龍拱河特大橋鋼-混結(jié)合段的結(jié)構(gòu)形式，建立鋼-混結(jié)合段有限元精細化模型（見圖2），模型共530820個單元。

圖2 鋼-混結(jié)合段有限元精細化模型

3 受力性能分析

3.1 焊釘連接件受力性能

龍拱河特大橋鋼-混結(jié)合段頂?shù)装?、承壓板及格?gòu)板焊釘為等間距布置，頂?shù)装逖乜v向布置的焊釘應(yīng)力分布不均勻。現(xiàn)提取軸向力作用下沿格室頂板縱向布置的焊釘根部應(yīng)力，將其傳力情況繪于圖3中。

圖3 縱橋向焊釘傳力比例

通過有限元分析，提取內(nèi)力頻遇組合作用下的焊釘Mises應(yīng)力（即軸向應(yīng)力）。焊釘Mises應(yīng)力云圖見圖4。由圖4可知，由于承壓板與結(jié)合段混凝土同步變形，靠近預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)的焊釘根部應(yīng)力水平較高。

圖4 焊釘Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.2 混凝土梁段受力性能

為提高整體模型計算效率及收斂程度，在模型分析中未考慮錨墊板、錨下螺旋筋、錨下加強筋等構(gòu)件的作用，因此鋼-混結(jié)合段混凝土預(yù)應(yīng)力鋼束錨固區(qū)域應(yīng)力水平較高，順橋向壓應(yīng)力最大值為32.5MPa。鋼-混結(jié)合段混凝土順橋向正應(yīng)力云圖見圖5。

圖5 鋼-混結(jié)合段混凝土順橋向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

鋼-混結(jié)合段混凝土最大主應(yīng)力分布云圖見圖6。由圖6可知，其拉應(yīng)力主要分布在鋼束錨固端，最大主拉應(yīng)力值為3.84MPa。

圖6 鋼-混結(jié)合段混凝土最大主應(yīng)力云圖（單位：MPa）

為降低這一區(qū)域的應(yīng)力水平，預(yù)應(yīng)力鋼束貫穿混凝土與鋼箱梁結(jié)合段錨固時，除與錨具配套的錨墊板由承壓端板代替外，錨下螺旋筋等其余構(gòu)件均應(yīng)相應(yīng)設(shè)置，以防止梁端錨固區(qū)域由于預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度而開裂。

混凝土箱梁順橋向正應(yīng)力云圖見圖7。

圖7 混凝土箱梁順橋向正應(yīng)力云圖（單位：MPa）

由圖7可知，除約束施加截面位置，即預(yù)應(yīng)力鋼束錨固端外，混凝土箱梁整體應(yīng)力水平較低。

3.3 鋼箱梁段受力性能

鋼-混結(jié)合段鋼梁Mises應(yīng)力分布云圖見圖8。鋼-混結(jié)合段鋼梁整體應(yīng)力水平較低，只有承壓板預(yù)應(yīng)力鋼束開孔位置局部應(yīng)力較大，原因是結(jié)合段鋼梁通過焊釘連接件與混凝土橫梁緊密連接、協(xié)同受力。

圖8 鋼-混結(jié)合段鋼梁Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

鋼箱梁過渡段的Mises應(yīng)力（見圖9）最大值分布在頂?shù)装宓募觿臫形肋與U肋的斷面連接處，即剛度突變位置，這一區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象較為突出。

圖9 鋼箱梁過渡段Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

4 結(jié)語

（1）焊釘連接件縱橋向應(yīng)力分布不均勻，靠近承壓板位置的焊釘根部應(yīng)力水平較高，在設(shè)計過程中應(yīng)注意優(yōu)化配置。

（2）設(shè)計時，承壓板預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置應(yīng)注意錨下加強構(gòu)件的設(shè)置，以降低該區(qū)域的應(yīng)力水平。

（3）在鋼箱梁過渡段頂?shù)装宓膭偠冗^渡加勁肋（即加勁T肋）與等高U肋的截面突變位置，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為突出。