组合-混合梁斜拉桥塔梁固结段研究

张树清

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

1 工程概况

蚌明淮河大桥主桥全长386 m，采用(45+123+218)m独塔不对称斜拉桥，如图1所示。空间双索面，塔梁墩固结体系，边、中跨比为0.770 6，为增加斜拉桥的整体刚度，在边跨距主塔中心123 m处设置一座辅助墩。主梁采用组合-混合梁，主跨和次边跨采用双工字型组合梁，边跨采用肋板式混凝土梁，考虑边中跨不平衡受力、提高主桥整体刚度，主桥采用塔梁墩固结体系，如图2,图3所示。主塔采用花瓶式塔，单幅索面共17对斜拉索，全桥合计34对斜拉索，钢主梁标准索距12 m，混凝土主梁标准索距5.8 m。主塔基础采用矩形承台、群桩基础；辅助墩采用双柱门式墩、矩形承台，过渡墩采用双柱门式墩、哑铃型承台，均采用群桩基础；桩基均按照摩擦桩设计。

2 计算模型

2.1 计算参数

材料采用理想弹塑性的本构模型[1-2]，桥塔、桥面板混凝土采用C50混凝土，弹性模量Ec=3.45×104MPa,泊松比Vc=0.2，轴心抗压强度标准值fck=32.4 MPa，抗拉强度标准值ftk=2.65 MPa，轴心抗压强度设计值fcd=22.4 MPa，抗拉强度设计值ftd=1.83 MPa；钢材采用Q345qD，弹性模量Ec=2.1×105MPa,泊松比vc=0.3。

2.2 剪力滞

由于箱梁腹板处剪力流向翼缘板传递的滞后而导致翼缘板法向应力沿横向呈现不均匀分布的现象，称为“剪力滞效应”[3]。当靠近腹板处翼板中的正应力大于初等梁理论的正应力时，称之为“正剪力滞效应”，反之称为“负剪力滞效应”，如图4,图5所示。剪力滞系数公式[4]如下：λ=考虑剪滞效应所求得正应力/按初等梁理论所求得正应力。当λ>1时是正的剪力滞；当λ<1时是负的剪力滞。

2.3 有限元模型

主桥钢主梁与桥面板连接、钢主梁与桥塔横梁连接，塔梁固结区的构造和应力分布都较为复杂。因此需要在全桥总体分析的基础上，对该区域应力分布情况进行详细的空间分析[5-6]。结构在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。塔柱模型选取高度方向横梁上下侧共15.5 m，箱梁长选取横梁两侧共16 m，进行建模，塔柱、横梁、桥面板采用体单元Solid65模拟，钢梁采用壳单元Shell63模拟。

2.4 边界条件

在局部应力分析中，有限元模型的边界条件可分为位移边界条件和力的边界条件，应按全桥总体计算得到的内力和位移加载在模型上。

模型中采用命令Cerig在荷载对应截面建立质量点耦合截面节点所有自由度，把轴力、剪力、弯矩施加在质量点上。

钢梁和混凝土桥面板、钢梁和桥塔横梁相同位置(剪力钉位置)节点采用命令Ceintf耦合节点三向自由度UX,UY,UZ；约束塔柱底端全部自由度。有限元模型见图6。

2.5 计算工况

根据全桥整体计算分析结果，考虑施工过程及受力情况，选取最大双悬臂、合龙成桥状态、正常使用极限状态，三种最不利受力工况进行局部分析计算。轴力以受压为正，受拉为负；弯矩以下缘受拉为正，上缘受拉为负；剪力以使杆件逆时针转动为正，工况-荷载如表1所示。

表1 结构工况-荷载

3 计算结果

计算中假定桥面板与钢主梁，钢主梁与桥塔横梁界面上未发生工程精度范围内的滑移，且两者变形基本协调。应力云图中应力正负规定：拉应力为正值，压应力为负值。

3.1 混凝土梁应力及剪力滞

计算结果采用ANSYS路径操作技术，沿图2中所示路径O→X提取桥面板中心线处应力，画出对应应力曲线，然后对路径进行积分运算求出应力曲线面积，用应力曲线面积除以顶底板宽度，得到相似按初等梁理论求得的应力平均值。用顶底板各点实际应力除以其对应的应力平均值，得到各点剪力滞系数λ，绘出λ在箱梁顶底板各点的变化曲线。

1)从图7可以看出工况一作用下桥面板压应力最大，随着桥梁合龙桥面板压应力趋小；桥面板在主纵梁和小纵梁处压应力较大；桥梁合龙成桥后结构体系转换，三种工况下桥面板压应力几乎呈水平分布，应力值呈平行状；桥面压应力在-7.8 MPa～-12 MPa之间，桥面板截面均受压。原因分析：最大悬臂状态桥梁施工须设置预拱度，斜拉索提供竖向力稍大，悬臂端上翘桥面板受压较大；待合龙成桥后桥梁体系转换，桥梁线型调整至设计线型后，内力重分布，桥面压应力下降。

2)从图8可以看出剪力滞系数在主纵梁和小纵梁处较大，剪力滞系数大于1；剪力滞系数在主纵梁与小纵梁之间，三种工况下表现为剪力滞系数曲线几乎重叠，剪力滞系数接近于1，剪力滞效应不明显。原因分析：桥面板应力分布较为均匀，各部位实际应力接近初等梁理论应力。桥面板产生的纵向力能较好的向桥面板两边传递。

3)从图9，图10可以看出塔梁固结处桥塔横梁顶缘正应力在-1.5 MPa～-4.5 MPa之间，顶缘受压；底缘正应力在0.4 MPa～-1.0 MPa之间，横梁中心部位存在拉应力，拉应力值较小；工况一～工况三，桥塔横梁正应力曲线呈水平状分布，桥梁合龙后顶缘压应力减小，正常使用状态下顶缘压应力增加。原因分析：箱梁钢主梁贯穿桥塔横梁，钢主梁传递很大轴力，混凝土横梁只承受边中跨不平衡轴力、横梁自重以及不平衡弯矩。

3.2 钢梁应力

对塔梁固结区进行有限元分析，得到钢梁在所选取最不利工况下应力分布，限于篇幅仅列出工况一、工况三应力云图，如图11，图12所示。

从图11，图12可以看出，工况一作用下钢主梁最大变形2.81 mm，最大等效应力84.0 MPa；工况二作用下钢主梁最大变形2.85 mm，最大等效应力73.9 MPa；工况三作用下钢主梁最大变形2.91 mm，最大等效应力96.4 MPa；钢主梁两端向上弯曲，钢主梁下缘受拉、顶缘受压，因此桥面板也受压。原因分析：箱梁钢主梁贯穿桥塔横梁，钢材自身各向同性，钢材拉压强度很高，钢主梁自身能承受较大轴力、剪力和弯矩。

综上所述，桥面板在三种工况作用下截面轴力较大，截面受纵向力较为均匀，桥面板剪力滞效应不是很明显；工况一～工况三随着钢主纵梁传递轴力增加，桥面板传递轴力减小，钢主纵梁顶面处桥面板剪力滞效应较为明显；钢梁等效应力，桥面板的应力分布及变形关于桥梁中心线基本呈对称关系；组合梁桥面板主要受压应力，钢梁等效应力值较小，桥面板在施工动态过程中结构强度响应方面均表现良好。

4 结语

采用ANSYS对塔梁节段建立了比较精细的有限元模型，结果显示随着桥梁节段施工，斜拉索逐步张拉直至合龙，塔梁固结处桥面板、桥塔横梁均处于受压状态，压应力储备满足规范要求；塔梁固结处钢梁等效应力值较小，远小于钢材容许应力值。组合梁桥桥面板承受弯矩小，钢梁承受弯矩很大，可以充分发挥混凝土抗压、钢材抗拉特性，可为类似工程提供参考。