金杰 张君琳 李业 谢增奎 杨立坡

聊城大学建筑工程学院 中铁城建集团北京工程有限公司 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司 天津市市政工程设计研究院

摘 要： 以聊城中华路大桥为例，采用midas总体计算和ANSYS细部分析的有限元联合分析方法对独塔混合梁斜拉桥的钢—UHPC结合段的受力开展了研究。首先采用midas civil分析软件建立全桥的总体杆系模型，以获得钢—混结合段控制截面在各种不利工况下的内力；然后在ANSYS中建立了结合段板壳—实体有限元精细化模型，将提取的内力施加于局部模型，计算得到钢—混结合段细部应力。通过受力分析发现，独塔斜拉桥采用钢—混结合段后，充分发挥了混凝土抗压和钢结构抗拉的材料优点，构造受力合理，实现了材料和结构刚度的平顺过渡，是一种合理的方案选择。通过细部应力分析发现，在钢格室与承压板连接处以及顶底板折角、腹板折角与填充混凝土的接触面处，易产生较大的应力集中，应对这些部位进行局部加劲或采用平滑倒角的方式加以避免。对结合段中腹板的厚度与承压板厚度的参数敏感性分析结果表明，增加中腹板厚度可适当降低中腹板的应力，但不能降低其他钢结构的高应力水平；而增加承压板的厚度可以显著降低钢结构的高应力水平。

关键词： 独塔混合梁斜拉桥;钢混结合段;有限元;应力验算;数值模拟;

斜拉桥是大跨度桥梁常用的桥型，其表现出的鲜明受力特点是：梁受弯，塔受压，索受拉，三者各自发挥力学优势，使得斜拉桥能实现超大的跨越能力。作为一种高阶超静定结构力学体系，斜拉桥的跨径分配对其主梁的应力分布有深远的影响[1,2,3]。

当相邻跨径较大时，斜拉桥主梁采用混合梁形式是一种合理的方案选择。此时，跨径大的主梁一般采用自重轻、抗弯承载力强且刚度大的钢箱梁，边跨则一般采用重量大、跨越能力一般的预应力混凝土箱梁作为压重[4,5]。钢梁与混凝土梁之间为了能实现材料和结构刚度的合理过渡，逐渐出现了“钢—混凝土结合段”这一新颖的结构形式。作为一种由两种不同材料设计而成的过渡结构，钢—混结合段构造复杂且处于整桥弯矩和轴力都相对较大的位置，是影响全桥安全的重要节段。因此，有必要对结合段的传力机理、刚度特点、应力分布等力学问题进行深入的研究[6,7,8]。

目前，已有较多学者研究了钢—混结合段的受力特点[9,10,11,12],但关于UHPC钢桥面主桥与混凝土梁组成的大跨混合梁桥的钢—混组合段应力的分析研究则较少。本研究以聊城中华路大桥为依托工程，基于midas civill 对大桥的整体计算结果，提取相应的内力，再划分精细化有限元网格后在ANSYS有限元软件中加载、定义约束并求解，对钢—UHPC结合段的受力特点和传力机理进行分析，为该类型桥梁的设计及钢混组合结构的细部分析提供参考。

1 工程概况

1.1立面布置

中华路与徒骇河斜交角度约为35°,河道斜长约为280 m。主桥采用非对称独塔斜拉桥结构形式，全长244.4 m(含牛腿),跨径布置为151.1 m+91.1 m, 边主跨比为0.6。为进一步减小边跨混凝土箱梁跨中弯矩，在边跨过渡墩前39.6 m处再设一辅助墩。由于边、主跨的跨径相差较大，经研究确定主梁采用混合梁结构形式，主跨采用钢箱梁与5 cm厚UHPC的轻型组合梁，这种梁具有自重轻、跨越能力大的优点，并且其UHPC铺装层彻底解决了传统沥青钢桥面铺装层刚度小、频繁开裂的问题；边跨采用预应力混凝土箱梁方案，以有效增加结构配重和边跨刚度。在距离桥塔6.9 m处的主跨与边跨之间，设置了钢—UHPC的钢—混结合段，以实现两种结构形式的过渡。

桥塔为钢结构，其左塔高105.12 m, 右塔高120.12 m, 左右两塔高差为15 m。主塔在距离塔底90.12 m的位置设置钢横梁，以增加桥塔的横向稳定性。中华路大桥的总体布置如图1所示。

图1 聊城中华路大桥总体布置 *载下**原图

1.2横断面布置

主跨钢箱—UHPC薄层轻型组合梁的梁高为3.05 m, 边跨混凝土箱梁的梁高为3 m, 两者均采用单箱四室截面。在标准梁段，桥宽为46 m; 在桥塔处非标准段，桥宽为34.5 m。主跨和变化横断面如图2、图3所示。

图2 主跨钢箱梁标准横断面 *载下**原图

1.3钢—混结合段

由于边跨和主跨材料不同，刚度不连续，在混合梁钢—混结合段附近区域容易产生应力集中；另外，此处截面的内力也相对较大，因此，结合段是整桥结构受力的危险截面和薄弱环节[13,14,15],需要对其开展传力机理分析和细部分析。本桥钢—混结合段采用填充C50低收缩混凝土的后承压式结构形式，结合段长度为2 m。在钢梁与钢—混结合段中间设一段钢梁过渡段，采用在顶底板U肋中设置倒T形加劲肋的方式进行过渡；同时将顶底板加厚4 mm, 腹板加厚6 mm。传力时，钢梁将力通过加厚的顶底板和倒T形加劲肋分散到钢梁过渡段中，钢梁过渡段再通过由承压板、钢格室与剪力钉、室内混凝土组成的PBL剪力键将力传递给填充混凝土，进而传递给混凝土主梁。

图3 边跨预应力混凝土箱梁标准横断面 *载下**原图

在钢格室与填充混凝土之间采用剪力钉连接。为了将二者更加紧密地结合在一起，采用预应力钢绞线将结合段与钢箱梁进行加劲连接。综合考虑焊接操作空间、各构件加工制作所需平台、填充混凝土分散应力所需面积等因素，合理确定钢格室的高度为700 mm。倒T形加劲肋长2.6 m, 高度在钢梁过渡段中由0.4 m过渡到0.7 m。钢—混结合段向边跨延伸时先经过1.5 m的实心横梁，再通过倒角过渡到箱梁中，其立面布置如图4所示。

图4 钢—混结合段立面 *载下**原图

2 总体计算荷载工况及计算结果

2.1荷载及计算工况

采用midas civil建立全桥杆系有限元模型。其中，桥塔与主梁采用梁单元，斜拉索采用仅受拉的桁架单元；钢—混结合段采用组合截面模拟，不考虑钢板与混凝土之间的相对滑移。全桥共1 152个节点，1 230个单元。总体有限元模型如图5所示。

图5 全桥有限元数值模型 *载下**原图

为确定钢箱梁悬臂端的加载力，选取钢—混结合面作为危险截面，分别取该截面弯矩最大(工况1)、弯矩最小(工况2)、轴力最大(工况3)、轴力最小(工况4)、扭矩最大(工况5)、扭矩最小(工况6)等6种荷载工况进行分析。分析时，通过移动荷载*踪器追**将汽车和人群等移动荷载转化为静力荷载工况，再施加在模型上。将这6种静力工况分别与恒载进行组合，便得到上述6种工况。6种工况下，悬臂端截面的内力结果见表1。

表1 6种工况所对应的悬臂端截面内力 导出到EXCEL

由表1可看出，剪力相对于轴力来说较小，这是因为结合段处于桥塔附近，主跨和边跨所有斜拉索的水平分力均传递到结合段处，结合段起到了稳固过渡的作用。同时可看出，扭矩相较于弯矩也较小，结构在钢箱梁断面处主要受压弯作用。

2.2midas总体模型计算结果

标准组合下主梁的弯矩、轴力包络图分别如图6和图7所示。可以看出，在钢—混结合段部位，结构所受的负弯矩和轴力均较大，且结构的轴力由于刚度的突变而在此处发生突变。因此，有必要建立精细化的板壳实体模型，对结合段进行应力分析。

3 钢—混结合段有限元精细化模型

作为大型通用有限元软件，ANSYS具有板壳—实体单元分析方便的优势，适用于钢—混结合部的细部分析，故采用其对结构进行细部分析。根据圣维南原理，钢—混结合段分析时，主跨方向采用6倍梁高即18 m长，以避免约束处应力集中对分析结果产生影响[16,17]。同理，将结合段向边跨方向截取18 m长，整个模型全长36 m。

图6 主梁弯矩图包络图 *载下**原图

图7 主梁轴力包络图 *载下**原图

3.1单元的选取

有限元模型中，钢结构、混凝土和预应力筋分别采用壳单元shell181、实体单元solid185和杆单元link8模拟；对钢板采用以矩形为主的网格划分，对混凝土实体采用六面体网格划分，以保证足够的计算精度。采用初应变原理施加预应力[18,19,20],并对link8单元设置初始应变。整个结构共划分一维单元785个，二维壳单元513 437个，三维实体单元1 191 776个。有限元模型如图8所示。

图8 钢—混结合段有限元数值模型 *载下**原图

3.2边界条件及约束

由于所截取的混凝土主梁段经过桥塔支点处，所以在桥塔支点处的横梁上对模型施加实际的约束，即约束顺桥向的 Ux 、横桥向的 Uy 以及竖向的 Uz 。在模型中，混凝土梁端采用固结，将梁端的所有节点进行约束(约束 Ux 、 Uy 、 Uz );钢梁端不作约束，作为悬臂端施加荷载。为方便在钢箱梁端施加荷载，将其梁端所有节点采用CEREG命令，将断面所有节点作为从属节点，截面形心处的节点作为主节点，二者间定义成刚性区域，在主节点上建立mass21单元以施加荷载。为了在mass单元上施加扭矩和弯矩，将mass21的keyopt(3)设为0,即此单元包含平动自由度和转动自由度共6个自由度。结合段处钢格室与填充混凝土之间采用约束方程，将它们各自附近的节点进行耦合，不考虑钢格室与填充混凝土之间的滑移[21]。

4 ANSYS钢—混结合段计算结果

4.1钢格室钢板应力结果

弯矩最大工况下钢格室的von-mise应力云图如图9所示；其余工况下的应力值见表2(表中取值忽略掉结合面处的应力集中，下同)。

图9 钢格室von-mise应力云图 *载下**原图

表2 6种工况所对应的钢格室应力值 导出到EXCEL

MPa

由表2可知，钢格室最大von-mise应力为297.13 MPa。其中，顺桥向最大拉应力和压应力分别为37.87 MPa和-107.34 MPa, 横桥向最大拉压应力分别为45.58 MP和-98.74 MPa, 均未达到钢板345 MPa的屈服应力，钢结构基本处于弹性受力状态。

4.2钢梁过渡段钢板应力结果

钢梁过渡段在弯矩最大工况下的von-mise应力云图如图10所示；其余工况下的应力值见表3。

图10 钢梁过渡段von-mise应力云图 *载下**原图

表3 6种工况所对应的钢梁过渡段应力值 导出到EXCEL

MPa

由表3可知，钢梁最大von-mise应力为336.71 MPa。其中，过渡段顺桥向最大拉压应力分别为266.67 MPa和-326.53 MPa, 横桥向最大拉压应力分别为287.75 MPa和-289.23 MPa。过渡段钢梁比钢格室的最大应力增大很多，虽然结构仍处于弹性阶段，但最大von-mise应力和顺桥向最大压应力已经接近钢板的屈服应力345 MPa。

4.3钢格室内填充混凝土应力结果

弯矩最大工况对应的填充混凝土在主拉应力云图如图11所示；其余各工况下的应力结果见表4。

图11 填充混凝土段主拉应力云图 *载下**原图

表4 6种工况所对应的填充混凝土应力值 导出到EXCEL

MPa

由表4可知，结合段混凝土最大主拉应力为2.59 MPa。其中，顺桥向和横桥向最大拉应力分别为2.40 MP和2.19 MPa, 均未超过C50混凝土的2.65 MPa的受拉设计标准值，说明混凝土基本处于弹性工作状态。结合段混凝土顺桥向最大压应力为-2.26 MPa, 横桥向混凝土最大压应力为-16.62 MPa, 最大主压应力为-17.54 MPa。最大压应力与C50混凝土的力学性能相比，应力水平较低，混凝土基本处于弹性状态。

5 结合段结构高应力区优化

由计算结果可知，当前计算参数对应的结合段中钢板和混凝土的应力水平都较高，尤其是钢板的最大von-mise应力大都超过了300 MPa。为显著降低结合段钢板的应力水平，使结合段受力更加合理，通过分析钢板应力对各设计参数的敏感程度，选取结合段钢格室中腹板厚度和结合段承压板厚度为研究变量，在其他计算参数保持不变的条件下，开展钢板应力水平随钢板厚度的敏感性分析。分析时，中腹板以2 mm为增加值，壁厚由24 mm增大至40 mm; 承压板以10 mm为增加值，厚度由60 mm增大至100 mm。

5.1结合段中腹板厚度

当中腹板厚度为24 ～40 mm时，各处钢板最大应力与腹板厚度变化曲线如图12所示。图12中， S 1为顶板最大应力； S 2为底板最大应力； S 3为腹板最大应力； S 4为承压板最大应力，下同。

图12 钢板应力随中腹板厚度变化曲线 *载下**原图

由图12可知，随着结合段的中腹板厚度变小，顶板和底板的应力基本维持不变，腹板和承压板的应力逐渐降低，且腹板的应力下降较快。当中腹板厚度由24 mm增至40 mm时，腹板应力降低了15.7%,承压板应力降低了8.15%。说明增加中腹板厚度对降低其他部位高应力水平效果不明显。

5.2结合段承压板的厚度

各处钢板最大应力与承压板厚度变化曲线如图13所示。由图13可知，当结合段承压板厚度由60 mm增加到100 mm时，顶板、底板、腹板和承压板应力降幅分别为44.9%、33%、26%和48.8%。因此，通过适当增大承压板厚度，可保证在材料成本增加不大的情况下大幅降低结合段钢板的应力水平。

图13 钢板应力随承压板厚度变化曲线 *载下**原图

6 结语

本研究采用midas总体计算和ANSYS细部分析的有限元联合分析方法，开展了独塔梁斜拉桥总体分析，将主梁钢—混结合段受力结果导入ANSYS建立了精细化模型，分析了6种不利工况下钢—混结合段的应力，并通过中腹板和承压板厚度的参数敏感性提出了降低结合段高应力的合理建议，主要结论如下。

(1)独塔混合梁斜拉桥主梁在过渡处采用钢—混结合段组合结构，可以实现材料和结构刚度在主跨钢箱梁与边跨混凝土梁的平顺过渡，是一种较为合理的方案选择。

(2)根据总体计算结果，钢—混结合段承担着将钢梁所有斜拉索的水平分力传递到预应力混凝土主梁中去的任务，而另一端的混凝土主梁也通过预应力筋将巨大的压力传递给结合段。巨大的压力能使承压板、钢格室、填充混凝土之间更加紧密地结合起来，有效降低了钢与混凝土的相对滑移。同时，混凝土主梁承担着预应力与斜拉索水平分力叠加的双重压应力，可以更好地发挥混凝土抗压能力强的优点，使各材料性能得到充分的利用。

(3)钢—混结合段精细化有限元分析结果表明，钢结构和混凝土的应力水平基本处于弹性状态，但在钢格室与承压板连接处以及顶底板折角、腹板折角与填充混凝土的接触面处，会产生较大的应力集中现象。因此，设计时应在该部位进行局部加劲，或采用平滑倒角的方式使折角处合理过渡，以避免应力集中。

(4)对结合段的中腹板厚度与承压板厚度进行的参数敏感性分析表明，增加中腹板厚度除了能降低自身应力水平外，对其他部位钢结构的高应力降低影响有限；而各钢板应力水平受承压板厚度的影响明显。因此，增加承压板厚度是降低结合段高应力的最有效措施。

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