鄂东长江大桥混合梁结合部格室构造分析

鄂东长江大桥混合梁结合部格室构造分析

刘玉擎张于晔刘荣胡明义

（同济大学桥梁工程系；湖北鄂东长江公路大桥有限公司）

摘要：鄂东长江大桥混合梁结合段通过设置钢格室以及开孔板连接件，来传递钢梁与混凝土梁间的轴力和弯矩，在构造设计上采取了许多措施。本文建立考虑连接件作用的钢格室实体有限元计算模型，对格室中连接件的受力大小和分布特点进行了计算分析。

关键词：斜拉桥；混合梁；结合部；受力分析

1前言

混合梁斜拉桥是指其主梁沿纵桥向由钢材与混凝土两种不同材料构成，主跨大部分的梁体为钢梁，边跨或伸入主跨一部分的梁体为混凝土梁。鄂东长江大桥混合梁结合段通过设置钢格室以及开孔板连接件，来传递钢梁与混凝土梁间的轴力和弯矩，在构造设计上采取了许多措施。本文结合鄂东长江大桥工程实例，对结合部同时布置开孔板与焊钉两种连接件的混合梁钢格室，研究在轴力和弯矩作用下开孔板与焊钉连接件的受力特点，分析连接件在结合部的传力机理等问题。

2混合梁结合部的构造特点

斜拉桥混合梁结合部构造一般比较复杂，其形式分为有格室和无格室两种。有格室形式结合部按连接件划分有焊钉连接件和开孔板连接件等，其构造形式如图1和图2所示。

图1 焊钉连接式构造图2 开孔板连接式构造混合梁结合部用焊钉作为连接件应用比较广泛。焊钉连接件力学性能不具方向性，并具有较强的抗分离能力，是常用的连接件之一。如图1所示，在钢梁段与混凝土梁段间设置由较小封闭格室组成的结合过渡段，承压板设在钢梁段与结合段之间，结合段顶底板及承压板均设置焊钉连接件。该方案轴向力及弯矩从结合部梁段的连接件和后承压板传递到钢梁上，剪力及扭矩由后承压板上的连接件、格室内腹板及腹板上的连接件传递到钢梁。由于有纵向补强加劲肋以及格室的设置，使得结合段刚度过渡比较均匀，并且格室内的混凝土应力集中不太明显。但采用该方式连接时在结合部钢格室中的焊接难度较大，焊钉较多时施工不便。

结合部采用开孔板连接件如图2所示,在格室顶底板上焊接条形钢板,并在钢板上开有圆孔,圆孔中可以根据需要布置贯通钢筋,以增大抗剪能力。孔内混凝土和钢筋还具有防止混凝土和钢板分离的作用。开孔板连接件作为一种较新型的连接件形式,目前已有不少组合结构桥梁使用开孔板连接件。日本的新川桥首次在混合梁结合部使用开孔板连接件，国内的南京长江三桥在索塔的钢—混凝土结合段中首次设置开孔板连接件，用以传递较大的轴向力，近年来国内在混合梁结合部中也逐渐开始使用。

课题组成员针对鄂东长江大桥混合梁结合部的受力特点，在桥位现场正实施大尺寸的节段梁模型以及局部格室模型试验，如图3所示。节段梁模型试验拟施加近30000kN的轴力

以及弯矩和剪力，测试各板件以及混凝土内部的应力状态，同时尝试测试钢与混凝土间的相对滑移。

图3 节段梁以及格室局部模型试件

3有限元模型建立

鄂东长江大桥主梁中跨采用分离式双箱钢箱梁，边跨采用同外形的混凝土箱梁，其主梁钢与混凝土结合部构造如图4所示，为有格室后承压板方式。该结合部采用带开孔板件和焊钉连接的钢格室与混凝土横梁浇筑为一体的连接形式。与图2所示肋条形开孔板不同，此处将钢格室中整个腹板作为开孔板连接件。

图4 主梁结合部构造示意

该混合梁结合部的突出特点是采用焊钉与开孔板连接件混合布置的形式，在钢格室腹板上采用开孔板连接件代替数量较多的焊钉。图5为结合部主梁1/2主梁断面，选取图示下缘格室作为结合部的局部模型，如图6所示进行加载试验和受力分析。格室高度为0.8m，结合部纵桥向长度为2.0m，横桥向格室宽度布置为1.74m。开孔板孔径为φ60mm，圆孔中心间距为225mm，下排孔左边两孔模拟主梁穿钢铰线，孔内贯通φ20mm的HRB钢筋，在钢腹板共设置三排圆孔。焊钉连接件为φ22×140mm，顶板布置2×5根，底板布置5×5根。

图5 结合部1/2主梁断面

图6 局部模型构造图/mm

采用通用程序Ansys对局部模型进行计算，混凝土用实体单元solid45模拟,钢板用壳单元shell63模拟，混凝土与钢板接触面设置接触单元，忽略接触面间的摩阻力。开孔板内钢筋用杆单元beam4模拟，焊钉用三维弹簧单元conbin39模拟,把混凝土段梁端部节点固结，钢梁端部节点施加轴向节点荷载。混合段结合部上作用的力主要是轴向力和弯矩，弯矩可以等效为作用在上下缘格室的轴力。该模型轴向力大小以主梁的1.7倍设计荷载换算得到，经计算取8740kN，有限元计算模型如图7所示。

图7 结合部局部有限元计算模型

4计算结果与分析

4.1 结合部钢板与混凝土应力分布

如图8、9所示，钢板的顺桥向应力大致在-160MPa～30MPa，Mises应力最大约为160 MPa，混凝土顺桥向应力大部分在-20 MPa～2 MPa。结合部混凝土的轴向应力变化总体较缓和，在与混凝土梁段连接处应力无明显突变，传力比较平顺。但承压板接触的混凝土面截面应力集中现象较明显,，钢腹板及肋板相交处压应力较大，其他位置应力较小，呈现出马鞍形分布。

图8 钢板Mises 应力分布/KPa 图9 混凝土顺桥向应力分布/KPa

4.2 传力构件轴向力分配比例

计算得到各传力构件所承担的轴向荷载。焊钉连接件、开孔板连接件及后承压板的荷载分配比例如表1所示。此模型的承压板和开孔板连接件承担绝大部分轴力，焊钉连接件受力较小，焊钉的主要作用是使格室内混凝土与钢格室更紧密地结合。鉴于承压板的传力较大，承压板应具较大的厚度，使钢梁段的轴力在承压板上充分扩散，保证结合部端面混凝土应力均匀分布。

表1 结合部轴力分配比例

4.3 参考以往试验结果，焊钉弹簧元的剪切刚度取k=440kN/mm ，并考虑焊钉的非线性与之对比。图10为不考虑焊钉非线性时顶底板顺桥向受力分布情况，顶板上焊钉受力在3kN ～5kN 之间，底板上焊钉受力在

5kN ～30kN 之间，底板上焊钉受力较大是由于附加弯矩和轴向力叠加，使得底板上焊钉的相对滑移大所致。在横桥向焊钉受力分布有规律性，靠近钢腹板处刚度较大，相对滑移量小，因此所受剪力比格室中间处焊钉剪力小。