混合梁斜拉桥钢混结合段结构性能分析

混合梁斜拉桥钢混结合段结构性能分析摘要：钢混结合段是混合梁斜拉桥设计的关键，其承担着两侧主梁传递来的巨大轴力，同时还需要承担弯矩、剪力和扭矩的作用。

在设计中既要通过结合段将两侧主梁的内力进行平顺过渡，又要确保结合段自身的安全可靠，因此钢混结合段的构造和受力一般都较为复杂，在设计中需要进行反复的计算分析，确保其安全可靠。

本文以某混合梁斜拉桥的结合段为背景，采用杆系模型与实体有限元相配合的方法对结合段在可能出现的各种最不利工况下的受力系能进行了详细的分析，并对其构造的合理性和结构的安全性进行了评价。

可为此类结构的设计与计算分析提供借鉴参考。

关键词：钢混结合段过渡段计算分析有限元模拟1引言混合梁是组合结构的一种特殊形式，所谓的组合结构是指至少两种及其以上的建筑材料或结构类型相互接合在一起，并且形成更加合理的构件或结构体系。

混合梁一般是指主梁沿纵桥向由钢材与混凝土两种不同材料组成。

这种主梁形式最长应用的桥型是斜拉桥，混合梁斜拉桥的主跨梁体多为钢梁，边跨梁体多为为混凝土梁，钢混结合段一般设置在主跨侧，也可更具实际情况设置在边跨侧。

混合梁斜拉桥由于其主跨采用钢梁，所以具有跨越能力大的优点，而边跨采用混凝土梁从而起到了很好的压重作用且兼有可降低建桥成本的特点。

混合梁斜拉桥的引入使得斜拉桥的跨径布置形式更加灵活，使得边中跨比例的合理范围更加宽广。

钢混结合段是混合梁斜拉桥设计的重点，其的构造一般可以分为钢梁加劲过渡段、钢混结合部和混凝土梁加强过渡段三个主要部分。

其中，结合部为钢梁与混凝土梁交界面，通常需要布置足够的连接构造如连接件、承压板、预应力和锚杆。

而结合部的合理构造更是混合梁技术研究的重中之重。

随着桥梁技术水平的发展钢混结合段的构造形式也有了很大的丰富，依据结合部钢构件中是否设置格室，可以把把结合部分为有格室与无格室两种大的构造类型。

对于有格室结合段依据其承压板的位置可细分为前承压板式、后承压板式、端部承压板式和无承压板式及前后承压板式等，对于无格室结合段其构造形式也可依据承压板的位置分为前承压板式、后承压板式、连接件式和端承压板式。

这几种不同的结构形式在实桥中均有应用。

2工程概况本文以某独塔双跨混合梁斜拉桥为背景开展混合梁结合段结构性能研究。

该桥边中跨比例为1:1.76，中跨采用钢箱梁边跨采用混凝土箱梁，钢混结合段设置在中跨侧距离桥塔中心线15m处，处于主跨第一队拉索与第二队拉索之间，将钢混结合段的结合面与索力锚固区进行分离，避免两组负责结构的相互影响，降低结构设计难度。

2图1钢混结合段总体布置图本桥钢混结合段采用了带格式后承压板式构造形式，承压板设置在钢梁一侧，将后承压板作为结合面预应力锚固承压面，在承办外侧锚固结合段预应力，结合段预应力采用小编束钢绞线进行锚固。

格室内钢构件与混凝土之间的连接方式采用剪力钉和PBL键相配合的方式连接。

开孔板将格式顶底板分割为一个个小的钢格室，并在格式的顶底板中设置剪力键，是的格室内混凝土通过PBL键与开孔板连接为一体，同时通过顶底板的剪力键与顶底板连接在一起。

确保了格室内混凝土与钢格室连接的牢固性和可靠性。

此外结合段预应力会在在结合面上产生挤压效果，防止混凝土结构与钢结构分离。

图2钢格室细部构造图在结合段附近的钢梁设置钢梁过渡段，实现刚度的渐变，钢梁过渡段采用变高度加劲构造实现。

在另一侧的混凝土段也设置过渡段，过渡段通过顶底板厚度渐变实现。

3钢混结合段分析方法3.13.13.13.1有限元分析方法本桥的钢混结合段局部构造复杂、构件多、受力较为复杂，要想清楚了解结合段内各板件的实际受力状态必须采用空间有限元分析完成。

如果建立全桥实体有限元分析则会造成巨大的工作量，计算效率低下，为了既提高计算效率又确保计算精度，在模型节段选取、荷载和边界条件确定中进行了精心考虑。

计算中建立了多个计算模型，相互对照，确保分析结构准确。

结构计算分析采用大型通用有限元软件ANSYS与商业软件MIDAS配合完成。

首为了能够与整体计算结果相对比，利用Madis程序建立梁单元计算模型，进行总体计算，以提供局部分析可对照和比较的边界条件。

在分析该斜拉桥钢混结合段时，对选定的结合段区域建立精细化的实体和板单元模型，并在该结合段模型的两端耦合梁单元，以便施加从Madis模型中提取的荷载边界条件。

同时在斜拉索锚固的位置施加边界约束，使之处于简支受力状态，并确保在荷载作用下，支座反力基本为零。

本桥主梁钢混结合段共5.5m长，为能真实模拟结合段最外侧两截面处受力情况，接近圣维南原理要求，实际建模中结合段分别向钢主梁侧延伸8m，向混凝土主梁侧延伸7m，计算模型全长20.5m，结合段模型布置有两对斜拉索，分别为AN1和AN2。

且斜拉索索力以荷载的形式施加到钢混结合段模型中。

计算模型中，考虑计算规模问题，未考虑剪力钉、开孔钢板等和钢板之间可能的滑移作用；相关研究表明其相对滑移很小，可采用采用刚性连接。

预应力钢束与混凝土箱梁认为无滑移连接，预应力单元与混凝土单元共节点模型无滑移连接。

3a）钢混结合段实体模型示意图b）格式细部模型示意图图2有限元模型示意图3.23.23.23.2研究工况的确定本研究中参照混合梁结合段设计的细部构造，建立结合段的空间有限元模型。

分析研究了在不同荷载工况下的混凝土、钢结构及连接件的受力状况。

研究钢梁与混凝土梁之间结合部的传力机理，分析结合段的可靠性。

对结合部的合理构造，承压板尺寸、连接件形式、预应力筋施加等加以验证，保证结合部在正常使用状态下的安全性。

考虑到结合段在弯矩在最大正弯矩作用下会出现下缘脱开的趋势，在最大负弯矩作用下会出现上缘脱开的趋势，在最大轴力作用下压应力过大的可能，故在研究分析中开展了最大正弯矩工况、最大负弯矩工况和最大轴力工况和最大扭矩工况的受力性能分析。

通过结合段影响线，确定在恒载、活载、不均匀沉降、整体温度等荷载综合作用下结合段截面产生各最不利工况的情形，在建立的空间混合单元计算模型中进行模拟计算，分析结合段在各最不利工况下的受力特性，验证各构件的应力状态及安全性。

4结合段受力性能分析4.14.14.14.1结合段钢梁受力分析对结合段钢梁的受力特性分析了最大正弯矩工况、最大负弯矩工况、最大轴力工况、最大扭矩及最大付扭矩工况。

经计算分析，在各种最不利工况下钢混结合段的总体变形较小且变形过渡均匀，没有明显位移突变现象，如下图3所示。

图3最大扭矩工况结合段变形情况以最大扭矩工况为例，钢混结合段总体应力水平如图4所示，其为钢梁段Mises应力分布云图。

在最大负扭矩工况下，钢梁段整体Mises应力水平比较低，为0~80MPa，最大Mises应力值约为160MPa，且钢梁应力集中的应力值远小于屈服应力。

从顶板Mises应力云图可以看出钢梁的应力经顶板U形和T形加劲肋过渡后，应力4水平增大，但总体应力均值水平较低，除了应力集中位置峰值在70Mpa左右以外，其余应力水平均小于60Mpa。

图4最大扭矩工况结合段钢主梁总体Mises应力云图在各工况下结合段钢梁的主要分析情况如下表所示。

表1结合段钢梁应力分析结果计算工况平均Mises应力最大Mises应力最大正弯矩<85152最大负弯矩<85167最大轴力<85166最大正扭矩<85163最大负扭矩<851624.24.24.24.2钢格式的受力分析钢格室Mises应力分布如下图所示，除局部应力集中以外，其余应力均在80Mpa以下。

从图中可以看出在结合段后承压板有较大应力集中现象，其峰值约为120Mpa，主要是预应力钢束直接锚固在后承压板上的缘故。

此外，在钢箱梁和结合段钢横梁结合的位置处有较大的应力集中现象，其峰值约为100MPa，主要是钢箱梁发生扭转的缘故。

钢格室Mises整体应力水平比较低，且钢梁应力集中局部应力远小于屈服应力。

钢格室Mises应力云图2从钢格室内开孔钢板Mises应力云图可以得出，开孔钢板应力的幅值较小，应力水平均维持在50Mpa以下。

由钢主梁标准段向混凝土结合段过渡方向，开孔钢板和格室纵向钢板应力幅值逐渐减小，结合段内力由主梁逐渐过渡到混凝土上，钢主梁与混凝土主梁在钢格室结合部位能较协调共同受力。

4.34.34.34.3主梁过渡段受力分析混合梁结合段是钢和混凝土的过渡段，若两者之间的刚度过渡设计不当，刚度突变的量值太大，则桥梁变桥塔方向5形不匀顺，容易产生折角，车辆过桥时将对桥梁产生较大的冲击，引起桥梁较大的振动，并且影响车辆行走的平稳性和乘客乘坐的舒适性。

分析结果表明为钢混结合部位过渡段顶、底板U肋和T肋应力云图，由应力云图知，顶底板U肋和T肋整体Mises应力水平不高，除局部位置以外，顶底板应力都在70Mpa以下，且应力变化很均匀，受力状态很好。

顶底板U肋从钢梁段向结合段应力水平逐渐变小，且在U肋和T肋交接的端部位置出现较大的应力约为120MPa，主要是由于截面突变造成的。

顶底板T肋随着其截面面积增大，应力水平逐渐变大，整个结合部位刚度过渡段应力变化均称，钢主梁刚度变化均匀。

结合段及过渡段混凝土梁纵的应力水平在-14Mpa~2Mpa之间。

结合段混凝土几乎全部处于受压状态，但是在混凝土横梁外侧表面等出现大小为1Mpa左右拉应力。

这是由于该区域的混凝土处于钢格室内，在其外包有一层钢板，刚与混凝土之间有相对变形趋势，但在结合面上需满足变形协调而造成的表面效应。

除去钢与混凝土接触表面出现的拉应力，钢混结合段混凝土几乎全部处于受压状态，且应力较为均匀。

在各工况下，结合段范围内混凝土主梁的受力性能较好，其在纵桥向、横桥向及竖向的应力水平均较低，应力传递顺畅。

结合段构造合理，满足受力性能的要求。

5结论与展望混合梁钢混结合段是混合梁斜拉桥的重要部位，其结构的合理和受力的安全性需要引起高度重视。

本文通过理论分析，有限元模拟等方法对背景工程的钢混结合段的受力性能进行了较全面的研究。

研究了钢混结合段在可能出现的各种最不利工况下的空间应力应变特性，及结合段的总体安全性。

并对钢梁段和混凝土梁过渡段的受力性能进行了分析评价。

分析结果表明本桥采用有格室钢混结合段的构造合理，受力可靠，过渡段能够实现刚度的平稳过渡，结合段的各项受力性能均可满足安全性的要求。

这种结构形式可作为其他类似结构设计参考和借鉴。

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