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【摘 要】 轨道交通专用混合梁斜拉桥在承受荷载情况下，钢混结合段的受力情况是比较复杂的，仅仅通过简单的二维平面分析不足以准确了解该处的实际受力情况，必须采用三维空间分析，本文通过对主跨钢混结合段处的三维空间受力分析，了解了混合梁斜拉桥钢混结合段在荷载作用下的应力分布情况，并指明了应力集中部位及为类似设计提供参考。
【关键词】 斜拉桥;钢混结合段;三维空间分析;局部分析
1 引言
钢混斜拉桥主要是指斜拉桥主跨采用钢梁，边跨采用混凝土梁，结合部位靠近主塔的一种斜拉桥。对于钢混斜拉桥而言，钢混结合处的截面特性以及材料特性都会产生突变，容易产生结构的薄弱点，因此，采用三维空间分析，详细掌握钢混结合处的受力情况，对设计和施工而言非常有必要。本文将通过大型通用有限元软件ABAQUS对钢混结合段进行三维空间分析。
2 模型建立与计算
本文以重庆市高家花园嘉陵江轨道专用桥为背景，对此混合梁轨道斜拉桥的钢混结合部位局部建模并作出计算分析。
2.1有限元模型
混凝土梁采用三维实体模型，划分三维六面體八节点缩减积分单元C3D8R。钢箱梁采用板壳模型，划分为四节点缩减积分单元S4R和三节点三角形单元S3。预应力钢绞线划分为简单的三维空间二节点杆单元T3D2。为保证各个部分连接协调。各个部位的网格尺寸大致相当。
混凝土与钢板，以及混凝土与预应力钢绞线的连接采用ABAQUS中的Embeddedregion约束模拟。此种方法的好处是，各个部分的网格不需要完全匹配，程序会自动寻找与之相邻构件的节点进行耦合。
2.1材料参数
钢箱梁节段采用Q345结构钢，混凝土节段采用C50号混凝土，混凝土的预应力采用1860钢绞线，根据《桥梁用结构钢》（GB/T714-2008），《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）等规范得到具体材料参数如表1所示。
表1 材料特性
材料 Q345结构钢 C50混凝土 预应力钢绞线
弹性模量（GPa） 206 34.5 195
泊松比 0.3 0.2 0.3
屈服强度（MPa） 345 / 1860
2.2边界条件与荷载工况
为考察钢混结合段局部的应力分布及大小，在模拟过程中约束混凝土端面的位移，同时将钢箱梁端面的节点耦合于箱梁横截面的形心位置的参考点，对这个参考点施加各种工况的轴力或者弯矩。
各种工况内力值（轴力和弯矩）主要来源于高家花园轨道专用桥整体计算分析，选取其中两种最不利内力组合的工况，如表2所示。
表2 两种工况对应的内力值
剪力Fx
（kN） 剪力Fy
（kN） 轴力Fz
（kN） 弯矩Mx
（kN*m） 弯矩My
（kN*m） 扭矩Mz
（kN*m）
工况1
最大轴力 1.49 -4040.96 179654.05 32261.41 -112.34 54.65
工况2
最大弯矩 2.83 -3353.22 164311.83 65609.5 -392.56 35.54
3 计算结果
为了消除边界条件的影响，仅仅提取了远离边界的中间区域，即混凝土与钢箱梁重叠的区域的结果来考察结合段的受力情况。下面列出两种工况下结合段的应力分布以及大小。
3.1工况1
3.1.1结合段混凝土
在工况1作用下混凝土段的顺桥向正应力如图2所示，大部分区域的顺桥向正应力介于-11.5MPa～0.5MPa之间，其中局部区域的最大顺桥向正应力为-17.5MPa为压应力，分布于桥面靠近钢箱梁承压板处。
图1 混凝土顺桥向正应力云图
在工况1作用下混凝土段的主压应力如图3，大部分区域的主压应力介于-13.6MPa～0.136MPa之间，其中局部区域的最大主压应力为-18.2MPa，分布于钢格室顶板与腹板交界附近。
图2 混凝土主压应力云图
在工况1作用下混凝土段的主拉应力如图4，除去混凝土与钢板直接接触的面，大部分区域的主拉应力低于0.95MPa，其中局部区域的最大主拉应力为3.6MPa，分布于下部钢梁格室顶板靠近承压板附近。
图3 混凝土主拉应力云图
下面分别定义两条路径来定量的考察这一区域截面的主拉应力，路径1和路径2位置示意如图5所示。
图4 路径1、路径2示意图
混凝土主拉应力在路径1上的大部分位置小于2MPa，仅仅在接近中心位置的两侧较大达到3.5MPa。主拉应力在路径2上介于0MPa到3MPa之间，且变化较为均匀。
3.1.2结合段钢板
对于钢箱梁节段，在工况1作用下，位于承压板前端的钢格室的等效应力分布如图8所示，其中最大等效应力为156.2MPa，位于位于钢箱梁顶板与腹板以及承压板交界的角点处。承压板的等效应力分布如图9所示，最大等效应力为156.4MPa，位于顶板U肋附近。承压板后的加劲肋段的等效应力分布如图10所示，最大等效应力为212.9MPa，位于钢箱梁顶板与腹板以及承压板交界的角点处。
图5 钢格室等效应力云图
图6 承压板等效应力云图
图7 加劲肋段等效应力云图
3.2工况2
3.2.1结合段混凝土
在工况2作用下混凝土段的顺桥向正应力如图11所示，大部分区域的顺桥向正应力介于-10MPa～0.6MPa之间，其中局部区域的最大顺桥向正应力为-18.2MPa为压应力，分布于桥面靠近钢箱梁承压板处。 图8 混凝土顺桥向正应力云图
在工况2作用下混凝土段的主压应力如图12，大部分区域的主压应力介于-12MPa～0.5MPa之间，其中局部区域的最大主压应力为-18.9MPa，分布于钢格室顶板与腹板交界附近。
图9 混凝土主压应力云图
在工况2作用下混凝土段的主拉应力如图13，除去混凝土与钢板直接接触的面，大部分区域的主拉应力低于0.9MPa，其中局部区域的最大主拉应力为3.6MPa，分布于下部钢梁格室顶板靠近承压板附近。
图10 混凝土主拉应力云图
混凝土主拉应力在路径1上的大部分位置小于2MPa，仅仅在接近中心位置的两侧较大达到3.5MPa。主拉应力在路径2上介于0MPa到3MPa之间，且变化较为均匀。
3.2.2结合段钢板
对于钢箱梁节段，在工况2作用下，位于承压板前端的钢格室的等效应力分布如图16所示，其中最大等效应力为168.2MPa，位于位于钢箱梁顶板与腹板以及承压板交界的角点处。承压板的等效应力分布如图17所示，最大等效应力为158.9MPa，位于顶板U肋附近。承压板后的加劲肋段的等效应力分布如图18所示，最大等效应力为216.7MPa，位于U形加劲肋与承压板交界处。
图11 钢格室等效应力云图
图12 承压板等效应力云图
图13 加劲肋段等效应力云图
4 计算结果分析
通过以上计算可以看到，在两种最不利内力组合作用工况下：
1）我们所关心的结合段混凝土顺桥向正应力在大部分区域都低于-13MPa，在与钢箱梁板件接触的表面出现了小范围的应力集中，局部峰值均低于-18.2MPa。
3）对于大部分区域的主压应力以及主拉应力也低于混凝土的抗压强度设计值-22.4MPa以及抗拉强度设计值1.83MPa。
4）对于结合段钢箱梁，在两种工况下，可以看到加劲肋段的等效应力峰值普遍较高，峰值应力均出现在U型加劲肋附近。
5）承压板的等效应力峰值低于加劲肋段，且峰值应力出现位置与加劲肋段的位置对应。
6）钢格室等效应力也低于加劲肋段，同时从应力云图可以看出，上部格室的等效应力普遍高于下部。总体来说，钢格室应力分布以及扩散较为均匀，仅在角点出出现了小范围的应力集中，且峰值应力低于Q345钢的屈服应力。下面将计算分析结果整理如下表。
表3 结合段混凝土应力
顺桥向正应力 主压应力 主拉应力
主要值 局部峰值 主要值 局部峰值 主要值 局部峰值
工况1 -11.5～0.5 -17.5 -13.6～0.136 -18.2 ≤0.9 3.6
工况2 -10～0.6 -18.2 -12～0.5 -18.9 ≤0.9 3.6
注：单位MPa
表4 结合段钢板Mises等效應力峰值
钢格室 承压板 加劲肋段
工况1 156.2 156.4 212.9
工况2 168.2 158.9 216.7
注：单位MPa
5 结论
⑴混合梁的钢混结合部位在荷载作用下，其受力特性非常复杂，二维平面分析不足以得到准确的分析结果，必须使用三维空间分析，本文使用的计算方法为类似结构的设计提供了参考。
⑵在两种工况下，可以看到加劲肋段的等效应力峰值普遍较高，峰值应力均出现在U型加劲肋附近，这些部位都有可能出现应力超过材料设计强度的情况，在设计时应予以加强，以避免开裂现象的产生。
⑶总体来说，钢格室应力分布以及扩散较为均匀，实际结构中也不会造成不利影响。
参考文献：
[1]张奇志，李明俊.斜拉桥钢混组合索塔锚固区节段模型试验研究[J].桥梁建设，2006，（3）：15-20.
[2]姚玲森.桥梁工程[M].人民交通出版社，2008.
[3]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京人民交通出版社，2001.
[4] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[5]周宗尧，唐细彪.混合梁悬索桥钢混结合段局部应力分析[J].世界桥梁，2014，41（3）.
[6]陈开利，王戒躁，安群惠.舟山桃夭门大桥钢与混凝土结合段模型试验研究[J].土木工程学报，2006.
【关键词】 斜拉桥;钢混结合段;三维空间分析;局部分析
1 引言
钢混斜拉桥主要是指斜拉桥主跨采用钢梁，边跨采用混凝土梁，结合部位靠近主塔的一种斜拉桥。对于钢混斜拉桥而言，钢混结合处的截面特性以及材料特性都会产生突变，容易产生结构的薄弱点，因此，采用三维空间分析，详细掌握钢混结合处的受力情况，对设计和施工而言非常有必要。本文将通过大型通用有限元软件ABAQUS对钢混结合段进行三维空间分析。
2 模型建立与计算
本文以重庆市高家花园嘉陵江轨道专用桥为背景，对此混合梁轨道斜拉桥的钢混结合部位局部建模并作出计算分析。
2.1有限元模型
混凝土梁采用三维实体模型，划分三维六面體八节点缩减积分单元C3D8R。钢箱梁采用板壳模型，划分为四节点缩减积分单元S4R和三节点三角形单元S3。预应力钢绞线划分为简单的三维空间二节点杆单元T3D2。为保证各个部分连接协调。各个部位的网格尺寸大致相当。
混凝土与钢板，以及混凝土与预应力钢绞线的连接采用ABAQUS中的Embeddedregion约束模拟。此种方法的好处是，各个部分的网格不需要完全匹配，程序会自动寻找与之相邻构件的节点进行耦合。
2.1材料参数
钢箱梁节段采用Q345结构钢，混凝土节段采用C50号混凝土，混凝土的预应力采用1860钢绞线，根据《桥梁用结构钢》（GB/T714-2008），《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）等规范得到具体材料参数如表1所示。
表1 材料特性
材料 Q345结构钢 C50混凝土 预应力钢绞线
弹性模量（GPa） 206 34.5 195
泊松比 0.3 0.2 0.3
屈服强度（MPa） 345 / 1860
2.2边界条件与荷载工况
为考察钢混结合段局部的应力分布及大小，在模拟过程中约束混凝土端面的位移，同时将钢箱梁端面的节点耦合于箱梁横截面的形心位置的参考点，对这个参考点施加各种工况的轴力或者弯矩。
各种工况内力值（轴力和弯矩）主要来源于高家花园轨道专用桥整体计算分析，选取其中两种最不利内力组合的工况，如表2所示。
表2 两种工况对应的内力值
剪力Fx
（kN） 剪力Fy
（kN） 轴力Fz
（kN） 弯矩Mx
（kN*m） 弯矩My
（kN*m） 扭矩Mz
（kN*m）
工况1
最大轴力 1.49 -4040.96 179654.05 32261.41 -112.34 54.65
工况2
最大弯矩 2.83 -3353.22 164311.83 65609.5 -392.56 35.54
3 计算结果
为了消除边界条件的影响，仅仅提取了远离边界的中间区域，即混凝土与钢箱梁重叠的区域的结果来考察结合段的受力情况。下面列出两种工况下结合段的应力分布以及大小。
3.1工况1
3.1.1结合段混凝土
在工况1作用下混凝土段的顺桥向正应力如图2所示，大部分区域的顺桥向正应力介于-11.5MPa～0.5MPa之间，其中局部区域的最大顺桥向正应力为-17.5MPa为压应力，分布于桥面靠近钢箱梁承压板处。
图1 混凝土顺桥向正应力云图
在工况1作用下混凝土段的主压应力如图3，大部分区域的主压应力介于-13.6MPa～0.136MPa之间，其中局部区域的最大主压应力为-18.2MPa，分布于钢格室顶板与腹板交界附近。
图2 混凝土主压应力云图
在工况1作用下混凝土段的主拉应力如图4，除去混凝土与钢板直接接触的面，大部分区域的主拉应力低于0.95MPa，其中局部区域的最大主拉应力为3.6MPa，分布于下部钢梁格室顶板靠近承压板附近。
图3 混凝土主拉应力云图
下面分别定义两条路径来定量的考察这一区域截面的主拉应力，路径1和路径2位置示意如图5所示。
图4 路径1、路径2示意图
混凝土主拉应力在路径1上的大部分位置小于2MPa，仅仅在接近中心位置的两侧较大达到3.5MPa。主拉应力在路径2上介于0MPa到3MPa之间，且变化较为均匀。
3.1.2结合段钢板
对于钢箱梁节段，在工况1作用下，位于承压板前端的钢格室的等效应力分布如图8所示，其中最大等效应力为156.2MPa，位于位于钢箱梁顶板与腹板以及承压板交界的角点处。承压板的等效应力分布如图9所示，最大等效应力为156.4MPa，位于顶板U肋附近。承压板后的加劲肋段的等效应力分布如图10所示，最大等效应力为212.9MPa，位于钢箱梁顶板与腹板以及承压板交界的角点处。
图5 钢格室等效应力云图
图6 承压板等效应力云图
图7 加劲肋段等效应力云图
3.2工况2
3.2.1结合段混凝土
在工况2作用下混凝土段的顺桥向正应力如图11所示，大部分区域的顺桥向正应力介于-10MPa～0.6MPa之间，其中局部区域的最大顺桥向正应力为-18.2MPa为压应力，分布于桥面靠近钢箱梁承压板处。 图8 混凝土顺桥向正应力云图
在工况2作用下混凝土段的主压应力如图12，大部分区域的主压应力介于-12MPa～0.5MPa之间，其中局部区域的最大主压应力为-18.9MPa，分布于钢格室顶板与腹板交界附近。
图9 混凝土主压应力云图
在工况2作用下混凝土段的主拉应力如图13，除去混凝土与钢板直接接触的面，大部分区域的主拉应力低于0.9MPa，其中局部区域的最大主拉应力为3.6MPa，分布于下部钢梁格室顶板靠近承压板附近。
图10 混凝土主拉应力云图
混凝土主拉应力在路径1上的大部分位置小于2MPa，仅仅在接近中心位置的两侧较大达到3.5MPa。主拉应力在路径2上介于0MPa到3MPa之间，且变化较为均匀。
3.2.2结合段钢板
对于钢箱梁节段，在工况2作用下，位于承压板前端的钢格室的等效应力分布如图16所示，其中最大等效应力为168.2MPa，位于位于钢箱梁顶板与腹板以及承压板交界的角点处。承压板的等效应力分布如图17所示，最大等效应力为158.9MPa，位于顶板U肋附近。承压板后的加劲肋段的等效应力分布如图18所示，最大等效应力为216.7MPa，位于U形加劲肋与承压板交界处。
图11 钢格室等效应力云图
图12 承压板等效应力云图
图13 加劲肋段等效应力云图
4 计算结果分析
通过以上计算可以看到，在两种最不利内力组合作用工况下：
1）我们所关心的结合段混凝土顺桥向正应力在大部分区域都低于-13MPa，在与钢箱梁板件接触的表面出现了小范围的应力集中，局部峰值均低于-18.2MPa。
3）对于大部分区域的主压应力以及主拉应力也低于混凝土的抗压强度设计值-22.4MPa以及抗拉强度设计值1.83MPa。
4）对于结合段钢箱梁，在两种工况下，可以看到加劲肋段的等效应力峰值普遍较高，峰值应力均出现在U型加劲肋附近。
5）承压板的等效应力峰值低于加劲肋段，且峰值应力出现位置与加劲肋段的位置对应。
6）钢格室等效应力也低于加劲肋段，同时从应力云图可以看出，上部格室的等效应力普遍高于下部。总体来说，钢格室应力分布以及扩散较为均匀，仅在角点出出现了小范围的应力集中，且峰值应力低于Q345钢的屈服应力。下面将计算分析结果整理如下表。
表3 结合段混凝土应力
顺桥向正应力 主压应力 主拉应力
主要值 局部峰值 主要值 局部峰值 主要值 局部峰值
工况1 -11.5～0.5 -17.5 -13.6～0.136 -18.2 ≤0.9 3.6
工况2 -10～0.6 -18.2 -12～0.5 -18.9 ≤0.9 3.6
注：单位MPa
表4 结合段钢板Mises等效應力峰值
钢格室 承压板 加劲肋段
工况1 156.2 156.4 212.9
工况2 168.2 158.9 216.7
注：单位MPa
5 结论
⑴混合梁的钢混结合部位在荷载作用下，其受力特性非常复杂，二维平面分析不足以得到准确的分析结果，必须使用三维空间分析，本文使用的计算方法为类似结构的设计提供了参考。
⑵在两种工况下，可以看到加劲肋段的等效应力峰值普遍较高，峰值应力均出现在U型加劲肋附近，这些部位都有可能出现应力超过材料设计强度的情况，在设计时应予以加强，以避免开裂现象的产生。
⑶总体来说，钢格室应力分布以及扩散较为均匀，实际结构中也不会造成不利影响。
参考文献：
[1]张奇志，李明俊.斜拉桥钢混组合索塔锚固区节段模型试验研究[J].桥梁建设，2006，（3）：15-20.
[2]姚玲森.桥梁工程[M].人民交通出版社，2008.
[3]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京人民交通出版社，2001.
[4] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[5]周宗尧，唐细彪.混合梁悬索桥钢混结合段局部应力分析[J].世界桥梁，2014，41（3）.
[6]陈开利，王戒躁，安群惠.舟山桃夭门大桥钢与混凝土结合段模型试验研究[J].土木工程学报，2006.