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1、混合梁斜拉桥结合段刚度匹配探究【摘要】利用有限元分析方法对混合梁斜拉桥结合段进行模拟计算，分析结合段两种不同材料的主梁的刚度匹配对其整体传力的影响。通过对此六个模型在同样荷载工况下的计算结果进行比较与分析，得出此结合段最佳的刚度匹配形式。说明了结合段在各种荷载工况时各部分共同工作特点，以及力的传递途径及力的分布规律。【关键词】混合梁斜拉桥；箱梁；混凝土箱梁；连接部位；刚度匹配一、概述1.1混合梁斜拉桥的主要技术问题在混合梁斜拉桥中钢与混凝土接合的结合段是非常重要的构造之一，具有构造复杂，受力复杂，技术含量高的特点。结合段设计的是否合理直接关系到整个桥梁设计的
2、成败。主梁接头设计在功能上要求做到能顺畅地传递各种荷载产生地内力（包括轴力、剪力、弯矩和扭矩）及其变形，同时具有良好的抗疲劳性和耐久性，并在外形上要求钢梁与混凝土梁保持一致。1.2本文工作的主要内容本文以国内一座已建钢-混凝土混合梁斜拉桥M桥为工程背景，研究其结合段的构造形式、传力机理以及构造形式的优化等等。利用有限元软件对实桥结合段进行仿真分析，完全模拟实际受力情况，计算钢-混凝土两段梁在各种不同工况下的受力情况。并试着从改变钢梁加劲肋尺寸和改变结合段混凝土的填充量两个方面来对实桥的构造形式进行优化，比较几种不同截面构造下两段梁的纵向应力应变传递规律。综合
3、强度和刚度两个方面的分析比较，总结此结合段的最佳构造截面形式，即最佳刚度匹配。二、刚度匹配的意义1.1工程背景M桥全长888m,为双塔双索面7跨连续半漂浮体系混合式斜拉桥，其主跨采用封闭式流线形扁平钢箱梁，跨度为580m,边跨采用跨度为（48+48+50）m的预应力混凝土箱梁来平衡主跨的重量，主塔为砖石形，高约151m。大桥桥面净宽22.5m,公路等级为四车道一级公路。设计通航等级为300吨级，通航净高为32m,净宽为280mo桥梁全宽为27.6m,索塔处缩窄为26.52m,桥台处缩窄为26.4mo斜拉索锚固区宽度为2X0.75m,检修道宽度为2X1.2m,
4、风嘴宽度为2X0.6m。混凝土箱梁采用等截面流线型单箱四室结构，梁高2.8m,顶板厚度37cm,底板厚度30cm,腹板宽度50cm。横桥向箱梁底板水平，桥面横坡由箱梁顶板斜置而成。桥台处设端横隔板一道，厚1.5m,两个辅助墩各设横隔板一道，厚1.6m,索塔处设横隔板一道，厚1.3m,其余每6m设一道厚度为40cm的横隔板。图2.1为钢箱梁顶、底板加劲肋详图，其中在结合段顶板肋高度由200mm渐变至322mm,底板肋高度由210mm渐变至343mm0图2.1加劲肋详图大桥钢梁与预应力混凝土梁的结合面设置在中跨距桥塔中心线16.7m处，钢箱梁8cm厚的端横隔板与
5、混凝土箱梁通过预应力钢绞线束和端横隔板、顶、底板剪力钉锚固在一起，此结合段是混合式斜拉桥的最重要构造之一。在设计中结合段是本桥关键部位，通过预应力将厚钢板HG1与混凝土E梁段紧密结合，钢梁段F梁段的顶、底板伸入E梁段lm,钢箱梁的轴力先传递至厚钢板，再传递至混凝土加厚段，通过混凝土断面的逐步变化均匀地传递至标准混凝土箱梁；剪力直接通过厚钢板上的剪力钉传递。2.2刚度匹配的意义2.2.1刚度匹配的概念结合段是一个主梁刚度(EI)的过渡段，在结合面附近两种箱梁的截面形式作一些改变，目的在于利用两种不同材料的梁段截面几何特性差别来平衡其弹性模量的差别，从而使主梁刚
6、度在此处有一个比较平缓的过渡，让应力和变形顺畅协调的在纵向传递。结合段刚度的匹配至关重要，结合段的结合形式、结合段的长度、混凝土的填充量等等都会影响结合段的刚度；另外与结合段相邻的钢箱梁、混凝土梁的刚度如何与结合段的刚度相匹配，满足力学的合理性和应力的传递性，使力的传递更平顺、更流畅，都是有待探讨的问题。2.2.2研究的意义和价值通过对模型的计算结果进行分析比选，从中选择结合段最佳匹配方案，并分析结合段的整体刚度的影响因素和变化规律。通过分析结合段的受力机理，从理论上进一步探讨结合段的合理构造形式、刚度匹配等，为今后同类型桥梁设计提供有参考意义的数据。三、结
7、合段空间有限元计算模型的建立3.1建模本论文所作为线弹性计算，模型的单元数量较多，因此在模型的建立过程中，利用ANSYS完善的建模技术，采取了一系列有效途径来保证单元形状，建立了三种材料的整体三维有限元仿真分析模型。2.1.1预应力钢筋的实现本文所建立结合段模型中，釆用实体力筋法实现混凝土箱梁中的预应力钢筋，在定义link单元的实常数时输入初始应变，以模型张拉过程。利用对称性建立半边模型，顶板有19根钢筋，底板有16根钢筋，腹板有14根钢筋，整个模型结合面处一共是49根钢筋。1.1.2计算图式及假定根据M桥钢混结合段的结构特性和边界条件，可以建立起该段简化的
8、结构计算图示，如下图所示。图3.1混凝土箱梁截面示意
