混合连续梁桥钢混结合段局部应力分布及传力机理分析

陈君，黄国红，徐天，卓为顶，陈龙

1.南京市公共工程建设中心，江苏南京 210019；2.东南大学土木工程学院，江苏南京 211189

0 引言

城市桥梁受地形和两岸接线限制，常采用超短边跨的三跨PC连续梁布置方案，边支座上出现的上翘拉力是桥梁设计中需要关注的问题。通常有两种解决方案：一是在边跨配重，如图1a)所示，如加拿大的Grand-mere桥[1]，中跨和边跨分别长181.4 m和39.6 m，边中跨比为0.22；二是主跨中段采用钢箱梁，形成钢和混凝土纵向组合的混合梁体系，如图1b)所示，该方案具有降低桥梁结构自重，实现快速施工等技术优势[2]。

混合梁桥受力的关键部位为钢混结合段，结构形式以混合梁的斜拉桥和悬索桥为主，主要传递轴向力。周阳等[3-5]研究了铁路混合梁斜拉桥的传力及疲劳性能，发现结合段钢梁底板与混凝土协同工作的能力较强，而顶板与混凝土的连结能力较差。刘荣等[6-7]分析研究鄂东长江大桥结合段的受力情况，表明结合段的承压板传递了大约50%的轴力，其余内力由剪力连接件传递。郭济[8-10]研究了悬索桥钢混结合段的受力特性，指出结合段内的混凝土中存在较大的横向、竖向拉应力。肖林等[11]研究斜拉桥桥塔中钢混结合段的受力问题，得出结合段传递荷载的效果较好,且PBL剪力键的静力和疲劳性能良好的结论。混合梁桥中的钢混结合段除了传递纵向预应力产生的轴向力，还将承受较大的弯矩和剪力。代表桥梁为2006年建成的重庆石板坡大桥复线桥[12-15]，其中跨采用了103 m的钢梁段。目前，钢混结合段根据其构造主要分为有格室和无格室2种。其中，有格室钢混结合段根据其承压板的数量和位置分为前承压板式、后承压板式和前后承压板式，无格室钢混结合段大多为后承压板式，结合段内的荷载主要通过承压板、栓钉和PBL剪力连接件3种途径进行传递[16-19]。

图1 小边中跨比PC连续梁桥的结构布置方案

本文以南京机场二通道跨秦淮新河桥(三跨变截面混合梁桥)为研究背景，通过精细化有限元分析，研究混合梁桥钢混结合段在各种工况下的局部应力分布规律，分析荷载在结合段内的传递路径与传力机理，以期为同类设计提供参考。

1 工程背景

1.1 结构总体布置

机场二通道跨秦淮新河桥位于江苏省南京市秦淮新河上，是主跨中段采用钢箱梁的预应力混凝土连续梁桥，总长200 m，跨径组合(35+130+35)m，如图2所示。桥梁分双幅布置，单幅桥宽20 m，横断面布置为人行栏杆(0.5 m)+人行道(3.0 m)+非机动车道(4.0 m)+防撞护栏(0.5 m)+车行道(11.5 m)+防撞护栏(0.5 m)。

图2 秦淮新河桥桥型布置

主桥上部结构为变高度钢混组合连续梁，由单箱双室箱形断面组成。边跨35 m和主跨边段各20.5 m为预应力混凝土箱梁，主跨中间89 m范围内为钢箱梁。钢混结合段长2 m，边中跨比为0.27(35/130)。秦淮新河桥的边中跨比远小于常见的连续梁(0.60～0.80)，若采用常见的预应力混凝土连续梁桥结构，边支座的支反力较小，甚至可能出现负反力。因此，本桥中跨部分采用钢箱梁结构，以减小中跨自重，增加边支座支反力。

混凝土主梁采用C55混凝土，普通钢筋采用HRB400，箍筋采用HPB300，主桥钢箱梁采用Q345D，纵横向预应力钢筋采用抗拉强度为1860 MPa、直径15.2 mm的低松弛钢绞线，竖向预应力筋采用屈服强度为785 MPa、直径32 mm的高强精轧螺纹钢筋。

1.2 钢混结合段构造

秦淮新河桥的钢混结合段总长4.5 m(钢2.0 m，混凝土2.5 m)，采用有格室的前后承压板式，前后承压板间距为2.0 m，厚度均为50 mm。在格室内焊有PBL剪力连接件及抗剪栓钉，栓钉高150 mm，Φ22 mm，PBL剪力连接件厚20 mm，钢混结合段断面构造如图3所示(图中单位为mm)。在顶底板及腹板内布置体内预应力筋，体内预应力束断面布置如图4所示(图中单位为mm)。

图3 钢混结合段构造

图4 体内预应力束断面布置

2 精细化有限元模型

2.1 模型建立

本桥钢混结合段构造和受力较复杂，为准确分析结合段的力学行为，建立纯混凝土(11.0 m)+结合段(4.5 m)+纯钢梁段(2.0 m)节段的空间有限元模型，如图5所示，进行局部受力精细化计算分析。固结纯混凝土梁段一侧所有节点，因约束处离结合段距离较远，所以约束带来的附加效应较小，节段模型计算结果能较好地反应实际状况。

混凝土采用SOILD45单元，钢结构采用SHELL65单元，预应力采用LINK8单元。严格按照图纸规定实际尺寸建模，z轴沿桥梁轴向，y轴竖直向上，x轴沿横桥向。实桥中，钢结构和混凝土通过结合段栓钉和PBL连接件连接。在有限元模型中，连接件连接同一位置的钢结构和混凝土节点,通过COMBIN39单元建立弹簧单元。对结合段无连接件处2种材料的节点，可忽略其相互摩擦和粘结作用。

2.2 材料本构

钢与混凝土可视为均质弹性体，以弹性模量与泊松比表示结构的材料特性。混凝土泊松比为0.2，弹性模量为35.5 GPa；钢材泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa。

a) 整体模型 b) 结合段局部模型

栓钉的剪力-滑移本构关系[20]为：

(1)

式中：Qu为栓钉的极限抗剪承载力，kN；α、β为滑移模型参数，Φ22 mm的栓钉分别取0.5和1.2；Δ为栓钉滑移，mm。

参照文献[21]计算得

(2)

图6 PBL连接件剪力-滑移本构关系曲线

式中：Asu为栓钉的截面面积，mm2；Ec为混凝土的弹性模量，MPa；fcd为混凝土的设计抗压强度，MPa：fsu为栓钉的抗拉强度，MPa。

PBL开孔板连接件的单孔抗剪承载力[21]63

(3)

式中：dp为钢板开孔直径，mm；ds为贯穿钢筋的直径，mm；fsd为贯穿钢筋的抗拉强度设计值，MPa。

根据文献[22]的建议，PBL连接件的剪力-滑移本构关系可简化为如图6所示的三折线模型。

表1 荷载工况

注：剪力逆时针为正，弯矩下侧受拉为正，轴力受拉为正

2.3 荷载工况

对模型施加荷载，荷载类型为恒载+城-A+人群+混凝土收缩徐变+温度影响[23]，计算时考虑荷载基本组合，可按空间杆系结构的分析结果计算。通过Midas杆系模型计算得到钢箱梁一侧断面弯矩M和剪力Q的包络，两项结构进行组合可得4种工况。在此4种工况下，钢混结合段进行空间有限元分析计算，得到相关力学性能参数如表1所示。

3 有限元模型分析结果

3.1 结构应力

将预应力锚固在承压板上是结合段混凝土安全性的重要保证，但预应力在纵向传递的过程中可在混凝土结构内产生横向拉力，即劈裂应力。劈裂应力过大容易造成局部开裂。因此应先分析仅受预应力作用的混凝土结构。由计算结果可知，仅受预应力作用时，结合段预应力顶板配束多于底板，混凝土顶板上产生的预压应力约为3.4 MPa，在底板产生的预压应力为1.3 MPa。钢混结合段顶板上缘的横向劈裂应力约为1.9 MPa，存在于锚后一定区域内，应力分布如图7所示(图中单位为MPa)。

图7 仅受预应力作用的混凝土应力

在最不利荷载工况下，顶板上缘局部位置的纵向拉应力为0.6 MPa，底板下缘纵向压应力增大至6.3 MPa，表明结合段负弯矩作用较为显著。同时，从桥梁横向看，整体结构应力较小，但承压板锚头之间剥裂效应明显，在最不利荷载工况下局部剥裂应力最大为7.2 MPa，仅限于局部较小区域，应力分布如图8所示(图中单位为MPa)。箱梁钢混结合段局部出现微裂缝后，剥裂应力大大释放；通过普通钢筋配筋可以控制裂缝宽度，确保结构的使用性能和安全性能。

图8 最不利工况下结合段混凝土应力

在最不利工况下，钢结构在x、y、z3个方向上的应力均为-50～50 MPa。对于锚固纵向预应力的前后承压板，虽然存在较大的锚固集中力作用，但是前后承压板厚度均为50 mm，平面外刚度较大，因此局部位置应力基本不超过±100 MPa，钢结构应力总体水平较低。

3.2 传力路径

轴力的传递是钢混结合段的主要任务之一，应采取有效的构造将轴向力由截面积较小的钢结构平顺、流畅地传递到截面积较大的混凝土梁段中。

轴力主要有3种传递途径：分别为：钢梁—前承压板—混凝土梁，钢梁—后承压板—混凝土梁，钢梁—各排剪力连接件—混凝土梁[24]。

钢混结合段具体轴力传递路径及示意图如图9所示。

图9 结合段轴力传递路径图

通过对有限元模型不同纵向位置的混凝土截面轴向应力进行积分，可得混凝土截面的轴力及其沿纵向传递的变化图，从而分析上述3种传递路径的贡献，如表2及图10所示。

表2 混凝土各截面轴力

注：截面位置以纯混凝土梁段边缘位置为零点

图10 混凝土轴力占比纵向分布曲线

由图10可知:在结合段，混凝土各截面轴力及其在总轴力的占比沿纵向不断变化，但是轴力变化速率(切线斜率)不一，说明各排剪力连接件的传力效率不均匀，其中前后承压板之间剪力连接件作用较小，后承压板附近剪力连接件作用较大。同时，在前后承压板处混凝土各截面轴力及其在总轴力的占比存在突变，说明承压板对结合段轴力的传递有较大影响，后承压板将约41.0%的轴力传递给混凝土，前承压板传递约8.9%的轴力。

4 结语

采用钢混组合结构是解决超小边中跨比桥梁边支座易出现负反力的有效方法，钢混结合段作为混合桥梁中受力的重要部位，其受力特性需要特别关注。本文以三跨变截面混合梁桥的南京机场二通道跨秦淮新河桥为背景，通过精细化有限元分析，研究本桥中钢混结合段的局部应力分布规律及传力机理。

1)在各荷载工况作用下，混凝土梁段沿纵向保持受压状态，但由于存在较大预应力，混凝土梁段中产生较大的横向剥裂应力，在横向钢筋设计时应予以充分考虑。

2)轴力在钢混结合段中主要有3种传递路径，即轴力分别通过前、后承压板和剪力连接件从钢梁传递到混凝土梁段，其中通过后承压板传递的轴力大于40%，占比最大，通过前承压板传递的轴力占比约为8.9%。

3)轴力在剪力连接件中的传力效率不均匀，前后承压板之间剪力连接件作用较小，后承压板附近及前承压板之后的剪力连接件作用较大。