© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net文章编号:1003-4722(2010)03-0033-03

鄂东长江大桥混合梁结合段受力分析

刘　荣1,余俊林2,刘玉擎1,吴定俊1

(1.同济大学,上海200092;2.湖北鄂东长江大桥建设指挥部,湖北黄石435000)

摘　要:鄂东长江大桥为主跨926m的混合梁斜拉桥,混合梁结合段采用有格室后承压板形式,钢与混凝土间通过焊钉和开孔板连接件结合。为得出连接件受力分布和内力分担比例,校核连接件布置,对该结合段局部格室建立空间有限元模型,并考虑相对滑移、承压接触和连接件作用进行受力分析。研究结果显示,连接件和承压板各分担约50%的轴压力。焊钉作用最大剪力约为40kN,开孔板连接件约为130kN,开孔板传力作用明显。沿主梁轴向,钢格室应力平缓减小,混凝土轴向压力线性增加,结合段应力过渡平滑。计算结果与模型试验结果较为吻合。

关键词:斜拉桥;组合梁;连接件;受力分析;有限元法

中图分类号:U441.5文献标志码:A

MechanicalAnalysisofJointSectionsofHybrid

GirderofEdongChangjiangRiverBridge

LIURong1,YUJun2lin2,LIUYu2qing1,WUDing2jun1

(1.TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.HubeiProvincialConstructionHeadqartersofEdongYangtzeRiverHighwayBrigde,Huangshi435000,China)

Abstract:EdongChangjiangRiverBridgeisahybridgirdercable2stayedbridgewithamain

span926m.ThejointsectionsofthehybridgirderoftheBridgetakethestructuralformofrear

bearingsteelplateswithcellsandthesteelandconcretegirdersatthejointsectionsareconnected

byweldedstudsandperforatedplateconnectors.Toinvestigatetheforcedistributionandthe

sharingproportionofinternalforceoftheconnectorsandalsotocheckthearrangementofthe

connectors,aspatialfiniteelementmodelisestablishedforthelocalcellsofthejointsectionsto

analyzethemechanicalbehaviorofthecellsinconsiderationoftheactionofrelativeslip,bearing

contactandconnectors.Theresultsoftheanalysisshowthattheconnectorsandbearingplates

respectivelyshareapproximately50%ofaxialcompressionforce.Themaximumshearforceof

theweldedstudactionisabout40kN,oftheperforatedplateconnectorsisabout130kNandthe

forcetransmittingoftheconnectorsisobvious.Alongthedirectionofthemaingirderaxis,the

stressinthecellsgentlydecreases,theaxialcompressionforceofconcretelinearlyincreases,the

stresstransitionatthejointsectionsissmoothandtheresultsofthecalculationagreefairlywell

withthoseofthemodeltest.

Keywords:cable2stayedbridge;hybridgirder;connector;mechanicalanalysis;finiteele2

mentmethod

收稿日期:2009-11-23基金项目:交通部科技项目(200731849405)作者简介:刘　荣(1983-),男,博士生,2005年毕业于同济大学土木工程专业,工学学士(LiuRng@gmail.com)。33鄂东长江大桥混合梁结合段受力分析 刘　荣,余俊林,刘玉擎,吴定俊

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net1　前　言斜拉桥主梁采用中跨钢梁、边跨混凝土梁的混合梁结构,可以增强斜拉桥的跨越能力,改善结构体系的受力,在大跨度斜拉桥中得到较多的应用,香港昂船洲大桥、日本多多罗桥和法国诺曼底桥都采用了这种结构。中跨钢梁和边跨混凝土梁通过结合段连接,实现主梁整体受力和协调变形,是混合梁建造的关键技术[1～3]。建设中的鄂东长江大桥采用混合梁结构,其结合段为有格室后承压板式构造,设计较为新颖。本文建立考虑开孔板和焊钉连接件作用的结合段有限元模型,分析结合段应力分布和连接件的受力特点,得出结合段各板件的传力比例,可供混合梁结合段设计参考。

2　结合段构造特点鄂东长江大桥为主跨926m的混合梁斜拉桥,混合梁结合段是钢梁向混凝土梁传力的过渡构造,承压板和焊钉连接件并用的结合段是国内混合梁设计中使用较多的一种。但焊钉连接件的刚度较小,承载能力较低,承压板抵抗大部分的轴力,因此需要较厚的承压板和复杂的加劲构造。鄂东长江大桥结合段位于桥塔根部附近,受轴力作用较大,采用有格室后承压板的构造,见图1。格室与钢梁段连接处设置U肋,并内嵌补强的变高度T肋,从钢梁段向结合段过渡,结合段通过厚度变化的过渡段与混凝土梁连接。钢梁传来的轴力和弯矩通过顶、底板上的钢格室向混凝土传递,剪力通过格室内的连接件传递[4]。

图1　结合段立面

钢格室的细部构造见图2,格室长2m、宽0.87m、高0.8m。钢格室的隔板上开设<60mm的圆孔,插入<20mm的钢筋,孔内贯通混凝土,形成开孔板连接件;格室顶、底板上焊接<20mm×170mm的焊钉连接件;承压板采用厚度为30mm的钢板(较一般的结合段承压板薄)。

3　计算模型的建立选取受力较大的局部格室建立有限元模型,

见图2　钢-混结合段钢格室细部构造立面示意图3。其中钢板、混凝土、钢筋和焊钉分别采用壳单元、实体单元、梁单元和弹簧元模拟。钢板与混凝土间设置接触单元,模拟钢与混凝土间接触传压和相对剥离,忽略钢与混凝土间的摩擦传力。模拟开孔板连接件时,钢板圆孔处壳单元网格加密,孔中混凝土单元细化,钢筋与混凝土固结,孔中混凝土与钢板圆孔协调变形。焊钉弹簧刚度系数依据以往的连接件推出试验选定。边界条件建立时,依据节段梁板壳-实体有限元计算得到的格室边界结点位移,内插并施加在局部模型边界上。

图3　局部格室的有限元模型

4　计算结果与分析4.1　钢格室及混凝土梁的应力分析结合段钢格室底板正应力及承压板Mises应力的计算结果见图4。沿顺桥向压应力由约90MPa降低至10MPa。焊钉作用处钢板应力变化较大,总体变化较为平滑,显示钢格室应力向混凝土传递顺畅。补强加劲肋支撑的承压板附近应力约为90

图4　钢格室应力分布43桥梁建设 2010年第3期

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netMPa,加劲肋间承压板的应力约为30MPa。承压板受加劲肋和底板承压作用,格室边缘处传递轴力作用明显,中间承压板面外刚度小,传递轴力较小。从承压板向混凝土梁段,混凝土正应力逐步增加(图5),压应力由约2.5MPa增大至约20MPa,应力变化较为平滑。受钢梁偏心传力作用,底板附近混凝土正应力较大,顶板附近较小。承压面附近混凝土受补强加劲肋的局部承压作用,应力较大。圆孔附近混凝土在近承压板侧应力较小,远离承压板侧压应力较大,与开孔板剪力作用方向一致。

图5　混凝土正应力分布

4.2　连接件受力分析图6为焊钉连接件和开孔板连接件的剪力分布。距离承压板较近的混凝土与钢板间相对滑移小,连接件受力较小;距离承压板较远处,相对滑移约束小,连接件受力较大。沿横桥向,格室中部焊钉

图6　连接件剪力分布受力较大,格室边缘处受开孔板连接件作用,相对滑移小,焊钉的受力也较小。开孔板连接件的剪力分布:下排圆孔受力较大,格室端部连接件受力约为130kN。格室顶板长度较短,并设置了混凝土浇筑孔,钢板面积减小,上排开孔板连接件的剪力沿格室长度方向减小,最大约为40kN。焊钉连接件与开孔板连接件混合使用时,由于焊钉刚度小,分担剪力较小,主要用于防止钢与混凝土之间可能出现的法向相对剥离。4.3　传力比例分析选取多个截面对正应力积分,得到格室各板件传递轴力的比例,见图7。钢梁段轴力通过承压板向混凝土传递了约50%,连接件将剩余轴力逐步向混凝土传递。在承压板附近板件内作用轴力为:底板约25%,顶板约为5%,开孔隔板约分担20%。各板件内作用轴力大致呈线性变化,显示结合段传力平滑。

图7　结合段传力比例

5　计算结果与试验结果的对比分析鄂东长江大桥开展了混合梁结合段的局部格室足尺模型试验[5],以测试轴力作用下各板件以及混凝土内部的应力状态。图8比较了顶板应力的计算值与试验值,显示钢格室计算应力大小和分布与试验结果较为吻合。

图8　钢格室顶板正应变计算值与试验值比较

6　结　语(1)论述了有格室后承压板式混合梁结合段的构造特点,即隔板上设置带钢筋的开孔板连接件,减(下转第62页)53鄂东长江大桥混合梁结合段受力分析 刘　荣,余俊林,刘玉擎,吴定俊© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net结构受力更合理,施工更方便,优势较为明显,因此该工程上承式拱桥确定采用拱梁固结体系。

5　结　语沪杭客运专线跨沪杭高速公路桥梁采用(88+160+88)m拱梁固结体系的上承式拱桥结构。该桥已于2009年5月开工建设,目前主体结构已基本完成,进展顺利,计划2010年10月建成通车。上承式拱桥结构受力明确,拱肋高度相对较小,竖向刚度较大,采用转体施工,工期短,施工时对公路行车影响小;拱梁固结体系,结构刚度大、整体性强,能较好地满足铁路行车要求。该桥型简洁美观,能适用平原及软基地区,有较强的适用性及推广价值。参　考　文　献:

[1]　丁立新,陈海泳.连续拱形梁桥的探索[J].桥梁建设,2007,(1):54-56.(DINGLi2xin,CHENHai2yong.ExploratoryRe2searchofContinuousArchedBeamBridges[J].BridgeConstruction,2007,(1):54-56.inChinese)[2]　周青虎.自锚上承式拱桥设计研究(硕士学位论文)[D].南京:东南大学,2006.(ZHOUQing2hu.StudyandDesignonSelf2AnchoredDeckArchBridge(MasterDissertation)[D].Nanjing:SoutheastUniversity,2006.inChinese)[3]　金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁———设计研究与实践[M].北京:人民交通出版社,2001.[4]　胡云江.广州丫髻沙大桥的转体施工[J].公路,2001,(6):18-26.(HUYun2jiang.RotationConstructionofYajishaBridgeinGuangzhou[J].Highway,2001,(6):18-26.inChinese)

(上接第35页)少格室内焊钉数量,便于工厂加工;开孔板刚度大、承载力高,传力作用较大,可减小结合段承压板的厚度,简化钢梁过渡段加劲肋。(2)建立考虑钢与混凝土间相对滑移的结合段有限元模型,探讨了连接件剪力的分布。隔板上的开孔板连接件承担大部分剪力作用,钢格室顶板的焊钉主要起到防止钢与混凝土间剥离的作用。(3)探讨了连接件和格室承压板的传力比例,承压板约传递50%轴力,其余轴力通过连接件传递。结合段的轴力分担比例合理,钢格室和填充混凝土的应力过渡平滑。

参　考　文　献:

[1]　刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2005.[2]　陈开利,余天庆,习　刚.混合梁斜拉桥的发展与展望[J].桥梁建设,2005,(2):1-4.(CHENKai2li,YUTian2qing,XIGang.DevelopmentandProspectiveofHybridGirderCable2StayedBridge[J].BrigdeConstruction,2005,(2):1-

4.inChi2nese)[3]　MichaelCHHui,ChrisKPWong.StonecuttersBridge—Durability,MaintenanceandSafetyConsider2ations[J].StructureandInfrastructureEngineering,2009,5(3):229-243.[4]　刘玉擎.混合梁接合部设计技术的发展[J].世界桥梁,2005,(4):9-12.(LIUYu2qing.DevelopmentofDesignTechniqueforJointPartsofHybridGirder[J].WorldBridges,2005,(4):9-12.inChinese)[5]　刘玉擎,周伟翔,蒋劲松.开孔板连接件抗剪性能试验研究[J].桥梁建设,2006,(6):1-4.(LIUYu2qing,ZHOUWei2xiang,JIANGJing2song.ExperimentalStudyofShearingBehaviorofPerforatedPlateConnector[J].BrigdeConstruction,2006,(6):1-4.inChinese)26桥梁建设 2010年第3期