某组合梁斜拉桥边跨压重段局部应力分析

邓世为

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 工程概况

本桥为某项目控制性工程， 主桥采用平行双索面组合梁双塔斜拉桥，跨径组合为(135+300+135)m=570 m。 主梁采用钢混组合梁，斜拉索采用扇形布置，索塔横桥向呈H 型。 组合梁斜拉桥桥型布置如图1 所示。

主梁体系由两根I 形钢主梁、钢横梁、小纵梁及导流板组成的钢构架， 与混凝土桥面板通过钢梁顶板上的抗剪焊钉形成有效整体，主梁标准横断面如图2 所示。在边跨距梁端22.25 m 范围空腔内设置压重， 压重范围内钢横梁HL1～HL7 及斜拉索布置等如图3 所示。

图1 桥型布置图

图2 主梁标准断面图

图3 边跨压重段示意图

2 有限元模型

2.1 模型选取

为避免边界对局部应力分析的影响， 根据圣维南原理，顺桥向截取G、F 两个节段共28.25 m 长，所取梁段布置有斜拉索B12～B9 所对应的锚拉板。 由于结构关于纵轴对称，为节省计算资源仅建立1/2 模型后施加对称边界。

2.2 建模原则

混凝土桥面板和钢横梁均采用四面体单位模拟，共建立了110 万个单元。 划分网格时，构件连接边界及可能应力集中的部位进行了网格加密细分。斜拉索通过锚拉板对钢主梁提供弹性支撑，通过从成桥整体模型中提取其弹性刚度施加在锚拉板边界上，右端边界亦采取相应设置。

从空间杆系模型的分析来看， 桥面板纵向预应力参与组合后为砼桥面板提供压应力储备， 与之相关的诸多因素有施工工法及顺序、活载的影响线加载等，在实体分析模型中暂不予考虑。

2.3 边界条件

(1) 横桥向中心由于对称性， 约束对称面的DX、RY和RZ。

(2)工字钢主梁支座底仅约束竖向平动DZ。

(3)斜拉索的弹性刚度通过在锚拉板边界予以实现。

(4)右端也为弹性约束，和右端内力相结合分步骤实现。

2.4 荷载

(1)恒载：自重通过在模型中自动考虑；防撞护栏、沥青铺装、导流板等二期恒载通过面荷载施加在对应位置；压重混凝土通过面荷载施加在钢横梁底板。

(2) 汽车活载： 横向布置4 列汽车-超20， 其中两个140 kN 的轴重对称布置在横梁HL3 上[1]。

(3)右端边界实际为弹性约束，右端内力和弹性刚度通过分步骤施加来实现等效模拟。

3 有限元分析结果

以下有限元分析结果所对应的坐标系为：DX-横桥向，DY-顺桥向，DZ-竖向。 边跨压重段的钢边主梁、钢横梁HL1～HL7 及混凝土桥面板是主要传力构件，应予以重点关注，以下是其主要分析结果(图4)。

图4 边跨压重段有限元模型

3.1 混凝土桥面板

钢混组合梁在横截面内由钢和混凝土两种材料组成，是不同材料在截面内的组合[2]。 用混凝土桥面板代替正交异性钢桥面板有诸多优点，但混凝土抗拉强度低，应确保其拉应力控制在较低的水平，如图5～9 所示；同时为避免混凝土压碎使其脆性破坏， 应合理控制其压应力水平，如图10 所示。

图5 桥面板顺桥向正应力图(从顶面看)

图6 桥面板顺桥向正应力图(从底面看)

图7 桥面板顺桥向正应力图(大于1.96MPa)

图8 桥面板横桥向正应力图(从顶面看)

图9 桥面板主拉应力图(大于2.85MPa)

图10 桥面板主压应力图

从分析结果来看，在横梁HL4(汽车重轴所在的横梁HL3 与之相邻) 对应位置的桥面板上缘出现1.45 MPa 的顺向拉应力，在横梁HL3(汽车重轴所在位置)对应位置的桥面板下缘出现3.1 MPa 的顺桥向拉应力。 横桥向正应力大部分小于2.0 MPa， 在锚拉板周边局部区域出现5.9 MPa 的拉应力。

如图7、图9 所示，对应力云图进行处理后发现，顺桥向正应力超过1.96 MPa 和主拉应力超过2.85 MPa 的范围均很小。

主压应力最大为17.4 MPa， 分布在与边主梁邻近的桥面板底缘。 主拉应力大于2.85 MPa(轴心抗拉强度标准值)[3]的局部区域主要集中在锚拉板的周边，在重轴作用位置的钢横梁和梁端(横向中心)也出现了较大主拉应力。

3.2 钢横梁

组成钢混组合梁的钢结构采用Q370qC，屈服强度大于300 MPa，根据规范要求采取合理的加劲措施后，钢材料具有较高的抗拉强度和抗压强度。 钢结构在各向应力组合后的等效应力应控制在合理的水平， 使其大部分范围处于较平均的弹性应力状态。

本文分析的组合梁斜拉桥边跨压重段钢结构主要由钢横梁HL1～HL7 和钢边主梁组成，分析各钢构件的应力水平可为设计提供依据， 其等效应力情况分别如图11、13～17 所示。 本桥横断面采用双边主梁，并在横向用钢横梁连接后与混凝土桥面板组成整体， 应确保钢横梁具有足够的刚度，在重轴作用下钢横梁HL3 的竖向挠度如图12 所示。

以下为钢横梁HL1～HL7 的等效应力分析结果及钢横梁HL3 的竖向挠度分析结果：

(1)重轴处钢横梁HL3 等效应力(von mises 应力)和竖向挠度

在边跨端部的钢横梁HL3 中心对称布置4 列双轴140 kN 的重轴荷载， 该钢横梁的等效应力(von mises 应力)云图和挠度如图11～12 所示。

图11 重轴处钢横梁HL3 等效应力云图

图12 重轴处钢横梁HL3 竖向挠度(mm)

重轴处钢横梁HL3 的等效应力大部分在140 MPa以下， 最大值179 MPa 出现在钢横梁与边主梁连接的下端；重轴处钢横梁HL3 最大竖向挠度18.3 mm 出现横桥向中心。

(2)钢横梁HL2～3 等效应力(von mises 应力)

如图13 所示， 钢横梁HL2～3 的等效应力大部分在180 MPa 以下，仅在底面加劲肋附近有小范围应力集中，但均小于屈服强度。

图13 钢横梁HL2～3 等效应力云图

(3)钢横梁HL4 等效应力(von mises 应力)

如图14 所示， 钢横梁HL4 的等效应力大部分在150 MPa 以下， 最大值304 MPa 出现在钢横梁与压重纵梁连接的侧下端。

图14 钢横梁HL4 等效应力云图

(4)钢横梁HL5 等效应力(von mises 应力)

如图15 所示， 钢横梁HL5 的等效应力最大值221 MPa 出现在钢横梁与边主梁连接的横梁腹板下端。

图15 钢横梁HL5 等效应力云图

(5)钢横梁HL6 等效应力(von mises 应力)

如图16 所示， 钢横梁HL6 的等效应力最大值195 MPa 出现在钢横梁HL6 与钢横梁HL7 连接的侧下方。

图16 钢横梁HL6 等效应力云图

(6)钢横梁HL7 等效应力(von mises 应力)

如图17 所示， 钢横梁HL7 的等效应力大部分在150 MPa 以下， 最大值283 MPa 出现在与边主梁连接的横梁腹板下端。

图17 钢横梁HL7 等效应力云图

3.3 边主梁

边主梁也采用Q370qC， 具有较高的抗拉和抗压强度， 应使其在荷载作用下各向应力及等效应力控制在合理的水平， 并应避免支座加劲肋应力过大而导致的压屈破坏。

(1)G 梁段等效应力(von mises 应力)

如图18 所示， 边主梁G 梁段应力在该工况下的等效应力最大值为143 MPa。

图18 边主梁G 梁段等效应力云图

(2)G 梁段支座加劲肋等效应力(von mises 应力)

如图19 所示， 支座加劲肋等效应力最大值为102 MPa，边主梁及加劲肋的应力状态良好。

图19 边主梁G 梁段支座加劲肋等效应力云图

4 结论

本文以某组合梁斜拉桥为例， 利用有限元软件对其边跨压重梁段进行三维空间应力分析，得出了以下结论：

(1)混凝土桥面板主拉应力大部分小于轴心抗拉强度标准值2.85 MPa[3]，在锚拉板周边局部区域出现较大的拉应力。锚拉板周边的应力集中，可通过普钢加以强化或采取主动放松的构造措施。

(2)钢结构的等效应力大部分在200 MPa 以下，均小于材料的屈服应力370 MPa， 可知组合梁的钢结构处于弹性状态。

(3)采用汽车-超20 加载时，重轴处钢横梁HL3 的最大竖向挠度18.3 mm 出现在横桥向中心， 设计时将横梁高度从两侧逐渐向跨中加高进行预拱。

(4)边主梁、支座加劲肋及其他非重轴处的钢横梁应力水平均不高，局部区域出现了应力集中，但均小于屈服强度。

综上， 可知该组合梁斜拉桥边跨压重段在荷载作用下整体上处于较平均的应力状态，结构传力明确可靠，受力合理，各项指标满足规范要求。