鄂东长江大桥混合梁结合段受力分析

文章编号:1003-4722(2010)03-0033-03

鄂东长江大桥混合梁结合段受力分析

刘　荣1,余俊林2,刘玉擎1,吴定俊1

(1.同济大学,上海200092;2.湖北鄂东长江大桥建设指挥部,湖北黄石435000)

摘　要:鄂东长江大桥为主跨926m的混合梁斜拉桥,混合梁结合段采用有格室后承压板形式,钢与混凝土间通过焊钉和开孔板连接件结合。为得出连接件受力分布和内力分担比例,校核连接件布置,对该结合段局部格室建立空间有限元模型,并考虑相对滑移、承压接触和连接件作用进行受力分析。研究结果显示,连接件和承压板各分担约50%的轴压力。焊钉作用最大剪力约为40 kN,开孔板连接件约为130kN,开孔板传力作用明显。沿主梁轴向,钢格室应力平缓减小,混凝土轴向压力线性增加,结合段应力过渡平滑。计算结果与模型试验结果较为吻合。

关键词:斜拉桥;组合梁;连接件;受力分析;有限元法

中图分类号:U441.5文献标志码:A

Mechanical Analysis of Joint Sections of H ybrid

G irder of Edong Changjiang River B ridge

L IU Rong1,Y U J un2lin2,L IU Y u2qing1,WU Ding2j un1

(1.Tongji University,Shanghai200092,China;2.Hubei Provincial Construction

Headqarters of Edong Yangtze River Highway Brigde,Huangshi435000,China)

Abstract:Edong Changjiang River Bridge is a hybrid girder cable2stayed bridge wit h a main span926m.The joint sections of t he hybrid girder of t he Bridge take t he struct ural form of rear bearing steel plates wit h cells and t he steel and concrete girders at t he joint sections are connected by welded st uds and perforated plate connectors.To investigate t he force dist ribution and t he sharing p roportion of internal force of t he connectors and also to check t he arrangement of t he connectors,a spatial finite element model is established for t he local cells of t he joint sections to analyze t he mechanical behavior of t he cells in co nsideration of t he action of relative slip,bearing contact and co nnectors.The result s of t he analysis show t hat t he connectors and bearing plates respectively share app roximately50%of axial comp ression force.The maximum shear force of t he welded st ud action is about40kN,of t he perforated plate connectors is about130kN and t he force transmitting of t he connectors is obvious.Along t he direction of t he main girder axis,t he st ress in t he cells gently decreases,t he axial comp ression force of concrete linearly increases,t he st ress t ransition at t he joint sections is smoot h and t he result s of t he calculation agree fairly well wit h t ho se of t he model test.

K ey w ords:cable2stayed bridge;hybrid girder;connector;mechanical analysis;finite ele2 ment met hod

收稿日期:2009-11-23

基金项目:交通部科技项目(200731849405)

作者简介:刘　荣(1983-),男,博士生,2005年毕业于同济大学土木工程专业,工学学士(LiuRng@)。

1　前　言

斜拉桥主梁采用中跨钢梁、边跨混凝土梁的混合梁结构,可以增强斜拉桥的跨越能力,改善结构体系的受力,在大跨度斜拉桥中得到较多的应用,香港昂船洲大桥、日本多多罗桥和法国诺曼底桥都采用了这种结构。中跨钢梁和边跨混凝土梁通过结合段连接,实现主梁整体受力和协调变形,是混合梁建造的关键技术[1～3]。建设中的鄂东长江大桥采用混合梁结构,其结合段为有格室后承压板式构造,设计较为新颖。本文建立考虑开孔板和焊钉连接件作用的结合段有限元模型,分析结合段应力分布和连接件的受力特点,得出结合段各板件的传力比例,可供混合梁结合段设计参考。2　结合段构造特点

鄂东长江大桥为主跨926m 的混合梁斜拉桥,混合梁结合段是钢梁向混凝土梁传力的过渡构造,承压板和焊钉连接件并用的结合段是国内混合梁设计中使用较多的一种。但焊钉连接件的刚度较小,承载能力较低,承压板抵抗大部分的轴力,因此需要较厚的承压板和复杂的加劲构造。鄂东长江大桥结合段位于桥塔根部附近,受轴力作用较大,采用有格室后承压板的构造,见图1。格室与钢梁段连接处设置U 肋,并内嵌补强的变高度T 肋,从钢梁段向结合段过渡,结合段通过厚度变化的过渡段与混凝土梁连接。钢梁传来的轴力和弯矩通过顶、底板上的钢格室向混凝土传递,剪力通过格室内的连接件传递[4]

。

图1　结合段立面

钢格室的细部构造见图2,格室长2m 、宽0.87m 、高0.8m 。钢格室的隔板上开设<60mm 的圆

孔,插入<20mm 的钢筋,孔内贯通混凝土,形成开孔板连接件;格室顶、底板上焊接<20mm ×170mm 的焊钉连接件;承压板采用厚度为30mm 的钢板

(较一般的结合段承压板薄)。3　计算模型的建立

选取受力较大的局部格室建立有限元模型,

见图2　钢-混结合段钢格室细部构造立面示意

图3。其中钢板、混凝土、钢筋和焊钉分别采用壳单元、实体单元、梁单元和弹簧元模拟。钢板与混凝土间设置接触单元,模拟钢与混凝土间接触传压和相对剥离,忽略钢与混凝土间的摩擦传力。模拟开孔板连接件时,钢板圆孔处壳单元网格加密,孔中混凝土单元细化,钢筋与混凝土固结,孔中混凝土与钢板圆孔协调变形。焊钉弹簧刚度系数依据以往的连接件推出试验选定。边界条件建立时,依据节段梁板壳-实体有限元计算得到的格室边界结点位移,内

插并施加在局部模型边界上。

图3　局部格室的有限元模型

4　计算结果与分析

4.1　钢格室及混凝土梁的应力分析

结合段钢格室底板正应力及承压板Mises 应力

的计算结果见图4。沿顺桥向压应力由约90M Pa 降低至10M Pa 。焊钉作用处钢板应力变化较大,总体变化较为平滑,显示钢格室应力向混凝土传递顺畅

。补强加劲肋支撑的承压板附近应力约为90

图4　钢格室应力分布