混合梁斜拉桥钢混结合段结构性能分析

摘要：钢混结合段是混合梁斜拉桥设计的关键，其承担着两侧主梁传递来的巨大轴力，同时还需要

承担弯矩、剪力和扭矩的作用。在设计中既要通过结合段将两侧主梁的内力进行平顺过渡，又要确保结合

段自身的安全可靠，因此钢混结合段的构造和受力一般都较为复杂，在设计中需要进行反复的计算分析，

确保其安全可靠。本文以某混合梁斜拉桥的结合段为背景，采用杆系模型与实体有限元相配合的方法对结

合段在可能出现的各种最不利工况下的受力系能进行了详细的分析，并对其构造的合理性和结构的安全性

进行了评价。可为此类结构的设计与计算分析提供借鉴参考。

关键词：钢混结合段过渡段计算分析有限元模拟

中图分类号：TU74文献标识码：A

1引言

混合梁是组合结构的一种特殊形式，所谓的组合结构是指至少两种及其以上的建筑材料或结构类型相互接

合在一起，并且形成更加合理的构件或结构体系。混合梁一般是指主梁沿纵桥向由钢材与混凝土两种不同材料

组成。这种主梁形式最长应用的桥型是斜拉桥，混合梁斜拉桥的主跨梁体多为钢梁，边跨梁体多为为混凝土梁，

钢混结合段一般设置在主跨侧，也可更具实际情况设置在边跨侧。混合梁斜拉桥由于其主跨采用钢梁，所以具

有跨越能力大的优点，而边跨采用混凝土梁从而起到了很好的压重作用且兼有可降低建桥成本的特点。混合梁

斜拉桥的引入使得斜拉桥的跨径布置形式更加灵活，使得边中跨比例的合理范围更加宽广。

钢混结合段是混合梁斜拉桥设计的重点，其的构造一般可以分为钢梁加劲过渡段、钢混结合部和混凝土梁

加强过渡段三个主要部分。其中，结合部为钢梁与混凝土梁交界面，通常需要布置足够的连接构造如连接件、

承压板、预应力和锚杆。而结合部的合理构造更是混合梁技术研究的重中之重。

随着桥梁技术水平的发展钢混结合段的构造形式也有了很大的丰富，依据结合部钢构件中是否设置格室，

可以把把结合部分为有格室与无格室两种大的构造类型。对于有格室结合段依据其承压板的位置可细分为前承

压板式、后承压板式、端部承压板式和无承压板式及前后承压板式等，对于无格室结合段其构造形式也可依据

承压板的位置分为前承压板式、后承压板式、连接件式和端承压板式。这几种不同的结构形式在实桥中均有应

用。

2工程概况

本文以某独塔双跨混合梁斜拉桥为背景开展混合梁结合段结构性能研究。该桥边中跨比例为1:1.76，中跨

采用钢箱梁边跨采用混凝土箱梁，钢混结合段设置在中跨侧距离桥塔中心线15m处，处于主跨第一队拉索与第

二队拉索之间，将钢混结合段的结合面与索力锚固区进行分离，避免两组负责结构的相互影响，降低结构设计

难度。

2

图1钢混结合段总体布置图

本桥钢混结合段采用了带格式后承压板式构造形式，承压板设置在钢梁一侧，将后承压板作为结合面预应

力锚固承压面，在承办外侧锚固结合段预应力，结合段预应力采用小编束钢绞线进行锚固。格室内钢构件与混

凝土之间的连接方式采用剪力钉和PBL键相配合的方式连接。开孔板将格式顶底板分割为一个个小的钢格室，

并在格式的顶底板中设置剪力键，是的格室内混凝土通过PBL键与开孔板连接为一体，同时通过顶底板的剪力

键与顶底板连接在一起。确保了格室内混凝土与钢格室连接的牢固性和可靠性。此外结合段预应力会在在结合

面上产生挤压效果，防止混凝土结构与钢结构分离。

图2钢格室细部构造图

在结合段附近的钢梁设置钢梁过渡段，实现刚度的渐变，钢梁过渡段采用变高度加劲构造实现。在另一侧

的混凝土段也设置过渡段，过渡段通过顶底板厚度渐变实现。

3钢混结合段分析方法

3.13.13.13.1

有限元分析方法

本桥的钢混结合段局部构造复杂、构件多、受力较为复杂，要想清楚了解结合段内各板件的实际受力状态

必须采用空间有限元分析完成。如果建立全桥实体有限元分析则会造成巨大的工作量，计算效率低下，为了既

提高计算效率又确保计算精度，在模型节段选取、荷载和边界条件确定中进行了精心考虑。计算中建立了多个

计算模型，相互对照，确保分析结构准确。结构计算分析采用大型通用有限元软件ANSYS与商业软件MIDAS

配合完成。

首为了能够与整体计算结果相对比，利用Madis程序建立梁单元计算模型，进行总体计算，以提供局部分

析可对照和比较的边界条件。在分析该斜拉桥钢混结合段时，对选定的结合段区域建立精细化的实体和板单元

模型，并在该结合段模型的两端耦合梁单元，以便施加从Madis模型中提取的荷载边界条件。同时在斜拉索锚

固的位置施加边界约束，使之处于简支受力状态，并确保在荷载作用下，支座反力基本为零。

本桥主梁钢混结合段共5.5m长，为能真实模拟结合段最外侧两截面处受力情况，接近圣维南原理要求，实

际建模中结合段分别向钢主梁侧延伸8m，向混凝土主梁侧延伸7m，计算模型全长20.5m，结合段模型布置有

两对斜拉索，分别为AN1和AN2。且斜拉索索力以荷载的形式施加到钢混结合段模型中。

计算模型中，考虑计算规模问题，未考虑剪力钉、开孔钢板等和钢板之间可能的滑移作用；相关研究表明

其相对滑移很小，可采用采用刚性连接。预应力钢束与混凝土箱梁认为无滑移连接，预应力单元与混凝土单元

共节点模型无滑移连接。

3

a）钢混结合段实体模型示意图

b）格式细部模型示意图

图2有限元模型示意图

3.23.23.23.2

研究工况的确定

本研究中参照混合梁结合段设计的细部构造，建立结合段的空间有限元模型。分析研究了在不同荷载工况

下的混凝土、钢结构及连接件的受力状况。研究钢梁与混凝土梁之间结合部的传力机理，分析结合段的可靠性。

对结合部的合理构造，承压板尺寸、连接件形式、预应力筋施加等加以验证，保证结合部在正常使用状态下的

安全性。

考虑到结合段在弯矩在最大正弯矩作用下会出现下缘脱开的趋势，在最大负弯矩作用下会出现上缘脱开的

趋势，在最大轴力作用下压应力过大的可能，故在研究分析中开展了最大正弯矩工况、最大负弯矩工况和最大

轴力工况和最大扭矩工况的受力性能分析。

通过结合段影响线，确定在恒载、活载、不均匀沉降、整体温度等荷载综合作用下结合段截面产生各最不

利工况的情形，在建立的空间混合单元计算模型中进行模拟计算，分析结合段在各最不利工况下的受力特性，

验证各构件的应力状态及安全性。

4结合段受力性能分析

4.14.14.14.1

结合段钢梁受力分析

对结合段钢梁的受力特性分析了最大正弯矩工况、最大负弯矩工况、最大轴力工况、最大扭矩及最大付扭

矩工况。经计算分析，在各种最不利工况下钢混结合段的总体变形较小且变形过渡均匀，没有明显位移突变现

象，如下图3所示。

图3最大扭矩工况结合段变形情况

以最大扭矩工况为例，钢混结合段总体应力水平如图4所示，其为钢梁段Mises应力分布云图。在最大负扭矩

工况下，钢梁段整体Mises应力水平比较低，为0~80MPa，最大Mises应力值约为160MPa，且钢梁应力集中

的应力值远小于屈服应力。从顶板Mises应力云图可以看出钢梁的应力经顶板U形和T形加劲肋过渡后，应力

4

水平增大，但总体应力均值水平较低，除了应力集中位置峰值在70Mpa左右以外，其余应力水平均小于60Mpa。