過渡段長度對混合梁橋的受力影響

宋和駿 劉文會* 姜 旭 孫海蛟 魏遠大

(1:吉林建筑大學 交通科學與工程學院,長春 130018; 2:吉林省交通科學研究所,長春 130012;3:大連市政工程有限公司,大連 116000)

1 工程概況

混合梁橋是用組合梁來代替連續梁中跨的部分梁段,其余中跨結構和邊跨梁段仍然選用預應力混凝土梁,這樣不僅使整體結構自重減輕，提高其承載能力和跨越能力，而且使結構具有良好的耐久性和穩定性，充分展現混凝土和鋼梁各自的優勢和性能，混合梁橋是一種不可替代的新型結構，具備良好的發展空間.過渡段的長度影響著組合梁和混凝土梁的內力過渡情況,同時保證接頭部位剛度平穩過渡，其行車具備平順性和舒適性也尤為重要，因此,過渡段長度的確定,可以改善結構的整體受力性能.國內一些學者依托實際工程對結合部的受力進行分析,如李金光[1]以南昌至九江城際鐵路永修特大橋為例,通過對接頭進行的解析分析以及對接頭進行有限元數值分析,探討了接頭的傳力規律；王軍文等[2]人以重慶石板坡長江大橋為工程背景,采用有限元軟件 ANSYS 創建結合段局部的空間有限元模型,并對結合段局部應力作出研究.徐國平等[3]人總結了混合梁接頭的不同構造形式、受力特性、應用情況及優缺點.本文采用有限元軟件MIDAS CIVIL，建立5個不同過渡段長度的橋梁有限元模型,對橋梁結構進行受力分析比對,得到較合理的過渡段長度.

本文將長春市某三跨預應力混凝土連續梁橋作為工程背景,該橋跨徑設置為85m+150m+85m,采用單箱單室截面,箱梁頂板寬14.5m,底板寬7.5m,墩頂梁高為8.5m,跨中及邊跨直線段梁高均為3.5m,跨中曲線部分梁底以1.8次拋物線過渡,部分中跨用組合梁代替,形成組合-混凝土混合梁橋,但外觀和原混凝土結構依舊相同,見圖1.組合梁部分的鋼箱梁采用山字形開口截面型式,上翼緣厚25mm,腹板和底板厚20mm,其截面尺寸見圖2.

圖1 組合-混凝土混合連續梁橋Fig.1 Composite concrete composite continuous girder bridge

圖2 鋼-混凝土組合梁截面尺寸圖(單位:mm)Fig.2 Section dimensions of steel and concrete composite beams(Unit:mm)

2 MIDAS CIVIL有限元模擬

2.1 主梁及邊界條件的模擬

采用梁單元模擬混凝土主梁,不考慮橋面鋪裝對箱梁剛度的作用.通過軟件自帶的界面特性計算器來計算組合梁和2.5m過渡段的界面特性.對于1.5m混凝土填充段截面,需采用一個與實際截面的截面特性相同的截面來代替.邊界條件的模擬選擇一般支持模擬支座的約束.本橋采用懸臂施工法，存在體系變化，所以在建立邊界條件時不僅要模擬成橋的邊界條件,還應該考慮施工過程中的邊界條件.依據全橋結構的總體構造布置,運用MIDAS CIVIL建立有限元模型,見圖3.

圖3 MIDAS CIVIL有限元模型Fig.3 MIDAS CIVIL finite element model

2.2 混合梁橋過渡段長度的選取

混合梁橋接頭由混凝土填充段和組合梁過渡段構成,考慮組合-混凝土連續混合梁受力特點，結合實際工程中一般選用1.5m的過渡段,研究當步長每增加0.5m時，對混合梁橋的受力影響.本文分別選取1.5m,2.0m,2.5m,3.0m,3.5m的過渡段長度,建立橋梁結構的MIDAS CIVIL有限元模型進行計算分析.

2.3 混合梁橋的施工方法

運用節段懸臂澆筑施工方式,首先對主墩開始施工,對0號塊進行支架澆筑,其次放置主墩支座,將主墩和0號塊做臨時固結,再對稱懸臂澆筑其余梁塊.與此同時,開始對邊墩施工,邊跨滿堂支架現澆,混凝土到達齡期以后對邊跨合攏；然后拆去主墩臨時固結,再開始鋼-混凝土組合梁段的施工,成橋拆去邊跨的支承；最后進行橋面鋪裝和護欄施工.

在整個進程中,因為作用在梁橋上的荷載和支撐條件都會產生改變,所以混凝土的收縮、徐變、自重及施工荷載的改變都會導致內力改變,因而施工過程對成橋后的力和形變有巨大影響.考慮施工方法對橋梁整體的作用,運用MIDAS CIVIL對施工階段做出模擬,并用施工階段聯合截面模擬組合梁段的施工過程.

3 MIDAS CIVIL有限元模擬結果及分析

3.1 過渡段長度變化對主梁彎矩的影響

橋梁懸臂施工過程使橋體面對不同體系的轉變,并影響著橋梁整體的內力,所以研究時包含了施工方法對橋梁結構內力的作用.三跨連續梁橋屬超靜定結構,在恒載作用下負彎矩影響支點變化,正彎矩控制跨中設計.本文僅給出過渡段長度為2.5m的橋梁結構有限元梁單元彎矩示意圖,見圖4.

圖4 MIDAS CIVIL梁單元彎矩示意圖Fig.4 Bending moment of MIDAS CIVIL beam unit

在恒載作用下,不同過渡段長度的跨中、支點彎矩變化見圖5和圖6.從圖5、圖6可以看出,主梁過渡段長度由1.5m增至3.5m,跨中彎矩逐漸變小,支點彎矩絕對值逐漸變大.

圖5 不同過渡段長度的跨中彎矩變化圖Fig.5 Variation of span length oftransition segments the fulcrum

圖6 不同過渡段長度的支點負彎矩變化圖Fig.6 The negative moment variation of differentof the length of different transition segments

從圖5,圖6還可以看到,不同過渡段長度對彎矩以及支點負彎矩的影響并不是很大.過渡段長度為3.5m的跨中彎矩比過渡段長度為1.5m的跨中彎矩僅小1.4%;相反,過渡段長度為3.5m的支點負彎矩絕對值比過渡段長度為1.5m的支點負彎矩絕對值僅大1.7%. 這主要是因為跨中彎矩值和支點負彎矩值是由于邊跨的混凝土梁對跨中組合梁起到了錨固和壓中作用，使跨中內力和變形降低，支點負彎矩減小，所以，過渡段長度的改變對跨中彎矩和支點負彎矩的影響并不是很大.

3.2 過渡段長度變化對接頭處彎矩的影響

鋼-混凝土混合梁過渡段是混凝土梁和組合梁的銜接段 ,整體受力易發生破壞,是混合梁橋最重要的一部分.為保證過渡段長度的合理性,僅從接頭局部考慮,接頭處的彎矩越小越好,并且接頭最好承受的彎矩為正彎矩.

在恒載作用下,不同過渡段長度接頭處彎矩改變見圖7.從圖7可以看出,過渡段長度為1.5m～3.5m時,各個接頭均受正彎矩作用,且變化方位相同；不同過渡段長度對接頭彎矩影響較大,過渡段長度由1.5m增至3.5m,接頭處彎矩逐漸減小,過渡段長度為3.5m的接頭處彎矩比過渡段長度為1.5m的接頭處彎矩小7.2%.主梁過渡段長度越大,接頭處彎矩值越小,所以僅從過渡段長度變化對接頭彎矩的影響情況考慮,當主梁過渡段長度為3.5m較為合理.

圖7 不同過渡段長度接頭處彎矩變化圖Fig.7 The moment oftransition of the lengthof the transition section

圖8 不同過渡段長度接頭曲率變化圖
Fig.8 The curvature variationof the length of thetransition segment

圖9 不同過渡段長度接頭曲率變化率
Fig.9 The curvature change ratechart of the length of differenttransition length joints

3.3 過渡段長度變化對接頭曲率變化的影響

混合梁鋼-混結合段是鋼梁和混凝土梁的過渡段,如果兩種梁之間的剛度過渡不當,剛度發生明顯變化,則主梁豎向變形會不勻順,使車輛在行駛過程中出現不平順感甚至產生顛簸感，進而影響乘客的舒適性和安全性.因此，研究結合段的剛度平穩性,主要是分析主梁變形曲線曲率變化的連續性.

在恒載作用下, 以接頭左側5m混凝土位置為坐標原點，取12m局部梁段，分析不同過渡段長度接頭曲率變化和不同過渡段長度接頭曲率變化率.從圖8和圖9可以看出,不同過渡段長度對接頭曲率影響較大,過渡段長度為1.5m,曲率變化最顯著,過渡段長度為3.5m,曲率變化最小.這表明當過渡段長度為1.5m時,其剛度突變的量值較大,過渡段長度為3.5m時,其剛度過渡較為勻順,剛度過渡的較協調,其行車的舒適性和平順性也較好.所以,僅從過渡段長度變化對接頭曲率的影響情況考慮,當主梁過渡段長度為3.5m較為合理.

4 結語

本文通過建立5個不同過渡段長度的混合梁有限元模型,研究解析在恒載作用下,主梁過渡段長度變化對跨中彎矩、接頭彎矩及接頭曲率變化的影響,并對混合梁橋過渡段長度的選擇進行了研究.結果表明,過渡段長度變化對跨中彎矩及支點負彎矩影響不大.但當主梁過渡段長度為3.5m時,接頭彎矩及接頭曲率的變化情況相對較好,鋼梁與混凝土梁之間剛度過渡較平順,結構受力較合理,結構變形和內力傳遞較順暢,行車的舒適性和平順性也較好.

[1] 李金光.鋼-混凝土接頭受力性能及傳力機理研究[D].長沙:中南大學,2010.

[2] 王軍文,倪章軍,李建中,孫峻嶺.石板坡長江大橋鋼混結合段局部應力分析[J].公路交通科技,2007(8):99-102.

[3] 徐國平,劉 高,吳文明.鋼-混凝土結合部在橋梁結構中應用新進展[J].公路,2010(2):18-22.