钢混组合桥梁力学性能及钢混结合段计算分析

王飞

摘要：通过实桥全桥有限元计算分析，成桥阶段，主梁上缘的最大压应力和拉应力分布规律，为指导施工现场提供依据，研究结果表明，成桥阶段钢箱梁和钢混结合段都有较大强度的富余量。

1.1全桥有限元静力模型的建立

1.1.1材料特征选取

具体材料特征参数见表1-1。

表1-1 材料特征参数表

材料名称	容重（kN/m3）	泊松比	弹性模量(MPa)	对应材料构件
混凝土C60	25	0.2	3.6×104	混凝土箱梁
钢板Q345D	78.5	0.3	2.06×105	钢箱梁
钢绞线ФS15.2	78.5	0.3	1.95×105	纵向预应力筋

1.1.2全桥模型

采用Midas Civil建立韩庄运河特大桥有限元全桥模型，见图1，全桥共151个节点，132个单元。下部结构桥墩离散成26个节点，20个单元，桥墩采用空心薄壁墩，每2米构成一个单元。上部结构分为混凝土箱梁段和钢箱梁段，混凝土箱梁段离散成76个节点，80个单元，钢箱梁离散成17个节点，18个单元。全桥有限元仿真模型如图1所示。

图1 Madis Civil全桥有限元模型

1.2全桥关键施工阶段的受力分析

本节主要针对钢混连续梁桥在钢混结合段关键施工阶段下的桥梁受力分析。根据上文所定义的施工阶段，分别在浇筑阶段、张拉阶段、钢箱梁吊装阶段和成桥阶段下，得到钢混结合段端面在全桥有限元模型中的弯矩，轴力和剪力大小，验算钢混结合段的应力和变形，最后在关键施工阶段下分析钢混结合段处的最大内力。

1.2.1钢混结合段浇筑阶段受力分析

该阶段为钢混结合段浇筑施工阶段。钢混结合段浇筑阶段主梁最大轴力为-254828kN，最大剪力为25483.3kN，最大弯矩为406595kN·m。钢混结合段中的混凝土连接过渡段还未张拉，此时轴力可忽略不计，轴力为-37.1kN，剪力为-1728.4kN，产生了负弯矩为2282.6kN·m，受到结合段浇筑的影响，混凝土连接段和主梁的正弯矩较大。

该阶段主梁的上缘最大压应力为14.8MPa，下缘最大压应力为5.1MPa，最大应力出现在临时支撑附近。在结合段混凝土连接段过渡段上缘压应力为0.1MPa，下缘压应力为-0.1MPa，在此阶段主梁都有较大强度的富余量，钢混结合段处的应力忽略不计。

1.2.2钢混结合段张拉阶段受力分析

该阶段为钢混结合段张拉阶段，张拉钢混结合段处的预应力，可研究该施工阶段下主梁和钢混结合段处的内力与应力分布情况，具体如图2所示。

（a）钢混结合段张拉阶段上缘应力图（MPa）

（b）钢混结合段张拉阶段下缘应力图（MPa）

图2 结合段张拉阶段主梁受力图

通过图2所知，钢混结合段张拉阶段主梁最大轴力为-282145kN，最大剪力为35817.7kN，最大弯矩为380912kN·m。由于钢混结合段张拉阶段的轴力主要由预应力钢束提供，此阶段钢混结合段的轴力较大，在张拉预应力后，钢混结合段与混凝土梁摩擦力较大，此时剪力也较大，钢混结合段的轴力为-85341.7kN，剪力为2246.5kN，弯矩为4865.4kN·m。

结合段张拉阶段与结合段浇筑阶段相比应力变化不大，该阶段主梁部分上缘最大压应力17.1MPa，下缘最大压应力为4.6MPa，钢混结合段受到张拉的影响，整体处于正弯矩，上缘压应力为2.5MPa，下缘拉应力为0.5MPa，主梁与钢混结合段都有较大强度的富余量。

1.2.3钢箱梁吊装阶段受力分析

该阶段为钢箱梁吊装施工阶段，钢箱梁吊装并固结阶段，可研究该施工阶段下钢混结合段和主梁处的内力与应力。

钢箱梁吊装阶段主梁最大轴力为282040kN，最大剪力为35860kN，最大弯矩为381290kN·m。该阶段在边跨合拢后和临时固结的约束下，同时为保证吊装钢箱梁施工阶段安全，在边跨进行配重来增加安全系数，所以结合段的整体受力与张拉工况相差不大，此时钢混结合段的轴力为-84896.3kN，剪力为2239.8kN，弯矩为5074.9kN·m。

钢箱梁吊装施工阶段，主梁上缘的最大应力在钢箱梁中部，上缘最大应力为24.2MPa，钢箱梁下部受拉，下缘最大拉应力为36.5MPa。钢混结合段的上缘压应力为4.2MPa，下缘压应力为3.6MPa，在此阶段钢箱梁与钢混结合段都有较大强度的富余量。

1.2.4成桥阶段受力分析

该阶段为成桥阶段，全桥合拢后施加二期荷载，主梁和钢混结合段处的内力与应力如图3所示。

图3成桥阶段主梁上缘压力图（MPa）

通过图3所知，成桥阶段主梁内力与上述工况差别不大，最大轴力为-281102kN，最大剪力为34710.8kN，最大弯矩为44424.1kN·m。钢混结合段的轴力为-84839kN，剪力为-1784.1kN，钢箱梁固结后，二期荷载铺装完成，拆除临时支撑，在钢箱梁自重的影响下，钢混结合段产生负弯矩，负弯矩为12401.6kN·m。

成桥阶段，主梁上缘的最大压应力和拉应力都出现在钢箱梁中部，最大压应力为16.4MPa，最大拉应力为24.7MPa。钢混结合段的钢箱梁连接段在上缘应力中出现拉应力，拉应力为9.4MPa，混凝土连接段的上缘压应力为3.4MPa，钢箱梁连接段的下缘压应力为11.9MPa，在结合段的钢箱梁连接段顶底板加厚至26mm，并设有顶底板T型加劲肋，腹板加厚至24mm，在钢箱梁连接段间隔0.9m设置两横隔板。通过对钢箱梁过渡段的加强，在成桥阶段钢箱梁和钢混结合段都有较大强度的富余量。

参考文献：

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