钢—混凝土曲线梁桥结构应力分析

摘要：钢—混凝土组合结构能充分发挥钢材料和混凝土材料的受力特性，在工程界得到了广泛应用。本文通过有限元软件分析钢—混凝土曲线梁桥在恒载作用下的应力分布，分析总结混凝土的收缩徐变和温度变化对结构应力的影响。

关键词：钢—混凝土；曲线梁桥；应力；收缩徐变；温度变化

中图分类号：U441.5 文献标志码：A文章编号：

钢—混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构的基础上发展起来的一种新型结构，这种组合结构充分发挥和利用了混凝土抗压、钢材抗拉的材料特性，做到两种材料各尽其用，扬长避短。相比起单独的钢结构，这种组合结构可以减少用钢量，增加结构刚度，增强稳定性；相比起单独的钢筋混凝土结构，组合结构能明显减轻结构自重，减少结构的截面尺寸，增强延性，减轻地震作用力，增强缩短施工工期，降低施工造价。正是钢—混凝土组合结构突出的力学性能、施工性能，良好的经济效益，使得这种组合结构在过去的几十年里得到了快速的发展和广泛的工程应用。20世纪三十年代，国外已经研究出了通过机械作用将钢梁和混凝土翼板连接成整体的抗剪连接件，五十年代，许多技术先进的西方国家对这种组合结构做了大量的理论分析和试验研究，并制定了一些关于钢—混凝土组合结构的设计规范，至此，钢—混凝土组合梁结构的工程应用在科学的研究指导下开始迅速发展起来。二十世纪五十年代，瑞典建造的跨径为182m的Stromsund斜拉桥，主梁就是为组合结构梁，德国也建造了跨径58.8m 的Buchnauer组合梁斜拉桥。到了九十年代，我国的桥梁建设事业进入了黄金期，组合结构桥梁也受到了很大的重视，1991年建成的上海南浦大桥是我国第一座钢-混凝土组合梁斜拉桥，之后，我国又陆续建成的上海杨浦大桥、青州闽江大桥、重庆观音岩长江大桥，都采用了这种桥型结构。

曲线梁桥的受力特点主要表现为：曲线梁在外荷载的作用下，梁截面产生弯矩的同时也会产生扭矩，在弯扭等内力的耦合作用下，扭矩值比起直梁要大得多；曲线梁的外边缘应力大于内边缘应力，外边缘扰度大于内边缘扰度。本文主要对钢—混凝土曲线梁桥这一特殊的、复杂的桥型在成桥后不同工况下的进行静力计算，分析总结受力特点。

1工程概况

某高速公路立交桥，主体结构为四跨钢—混凝土组合曲线连续梁，计算跨径为40+50+50+40=180m。组合结构采用预应力混凝土桥面板与钢箱梁通过栓钉剪力连接件结合在一起，共同参与结构受力。混凝土桥面板宽为12m，混凝土厚度为0.4m。钢箱梁采用单箱双室的截面形式，中心线处钢箱梁高1.4m，腹板的厚度为16mm；钢箱底板宽7m，厚度为25mm，底板纵向设置加劲肋，厚度为16mm；上翼板的宽度为0.6m，厚度为25mm。沿纵向每隔4m或5m的距离设置钢梁横隔板，横隔板的厚14mm。钢箱梁在制作段，连接处等应力集中处做局部加厚处理。3个桥墩均为独柱式墩，从左到右依次为1#、2#、3#墩，均设25mm的偏心。箱梁钢材采用Q345QD钢板，混凝土板采用C50无收缩混凝土。本桥的平面设计半径为165m的左偏圆曲线。图1和图2分别为该桥的平面图和剖片图。图中单位均为cm计。

图1 某高速公路立交桥平面图

图22#墩中心处剖面图

成桥后不同工况下的静力计算分析

钢—混凝土组合曲线梁桥的结构复杂，受力分析通过手算的方法工作量巨大，几乎难以进行。本文采用建立midas有限元模型，来模拟分析不同工况下结构的应力情况。

2.1 成桥后的应力计算

成桥后，我们讨论的主要荷载组合包括：（1）桥梁结构及附属物自重；（2）二期荷载；（3）预应力荷载

通过有限元软件计算得出成桥后荷载（1）（2）（3）组合的工况下，1#、2#、3#墩部截面的混凝土桥面板纵向应力分布图（图3）和钢箱梁的等效应力分布云图（图4）。

图3混凝土桥面板沿横截面的纵向应力分布图

图4 钢箱梁的的等效应力分布云图

表1 成桥后的混凝土板关键截面受力和钢箱梁的最大等效应力情况汇总表

从桥面板截面的纵向应力分布图可以得出

预应力荷载的存在，使得连续梁桥的墩顶最大负弯矩处，并没有出现拉应力，且靠 近腹板处的桥面板，由于预应力钢束布置的更密集，所以压应力更大

曲线桥的桥面板应力沿横向不再均匀分布，1#,3#桥面板的墩顶截面应力相差很小，明显呈现内侧翼缘压应力大于外侧翼缘压应力

钢箱梁范围外的混凝土桥面板由于截面剪力滞效应的存在，使得其压应 力比起钢箱梁范围内的混凝土桥面板压的压应力要小。

从钢箱梁的应力云图总结钢箱梁的受力

对Q345QD的钢箱梁来说，成桥后的最大等效应力为132.7MP，远低于材料的屈服，钢结构具有很大的安全储备。

钢箱梁在墩部附近的等效应力为最大，跨中区域的应力最小。

钢箱梁的最大等效应力出现在2#墩钢箱梁底板与腹板交接处。

2.2 混凝土的收缩徐变产生的应力变化

收缩徐变是混凝土材料的基本性质之一，能使结构发生变形，引起结构内力的重分布。本文通过对成桥三年的收缩徐变产生应力变化，来分析讨论收缩徐变对钢—混凝土组合曲线梁桥的应力影响。

成桥三年后，参与计算的主要荷载组合包括：（1）桥梁结构及附属物自重；（2）二期荷载；（3）预应力荷载；（4）成桥三年后混凝土的收缩徐变

通过midas计算，总结收缩徐变后的结构应力情况如表2所示

表2 收缩徐变后的混凝土板关键截面受力和钢箱梁的最大等效应力情况汇总表

本桥在混凝土收缩徐变的作用下，墩顶的桥面板整体纵向压应力在减少，向着拉应力的方向发展，对混凝土结构的受力不利；钢箱梁的最大等效应力在增大，给钢箱梁增加了受力负担。

2.3温度对应力变化的影响

温度的变化，会引起桥梁结构的变形，产生温度内力。所以温度变化是桥梁结构不得不考虑的问题。

本文通过对结构整体升温25℃后，分析结构的受力变化，研究温度荷载对钢—混凝土组合曲线梁桥应力的影响。荷载组合主要包括：（1）桥梁结构及附属物自重；（2）二期荷载；（3）预应力荷载；（4）成桥三年后混凝土的收缩徐变；（5）整体升温25℃

整体升温25℃后，桥梁结构的应力情况如表3所示

表3 整体升温后的混凝土板关键截面受力和钢箱梁的最大等效应力情况汇总表

与前一个工况进行比对，得出结构整体升温后墩顶混凝土桥面板纵向压应力继续减少，钢箱梁截面的各位置最大等效应力也在继续增大，但在这些静荷载组合作用下的结构应力仍然保持在安全范围内，并保持一定的安全储备。

3结语

钢—混凝土组合曲线梁桥在静力荷载作用下，整体还是表现出良好的受力状态。钢箱梁的受力整体水平其实并不太高，只有在钢箱梁的结构连接处表现出应力集中现象，如底板跟腹板的交接处，且最大应力都会集中在墩顶截面附近。因为预应力荷载的作用，混凝土桥面板只受到压应力的作用，没有出现拉应力，而钢箱梁主要承受拉应力，充分发挥了两种材料的受力性能。

混凝土的收缩徐变和整体升温，都会使墩顶混凝土桥面板这个负弯矩区域的压应力减少，向着拉应力方向发展，对混凝土结构受力不利。收缩徐变和整体升温会增加钢箱梁的拉应力水平，降低钢箱梁安全储备。总之，混凝土的收缩徐变和整体升温，使得混凝土桥面板和钢箱梁都会向着不利结构安全的方向发展。

参考文献

[1]彭栋木，聂建国，郭帅.曲线钢—混凝土组合桥梁设计与施工[J].市政技术，2006,24(6)：367—371.

[2]张敬珍.预应力混凝土连续梁桥的设计研究[D]，西安交通大学硕士论文2000.6:21-26

[3]叶礼锋.钢-混凝土连续曲线组合梁受力性能与工程应用研究[D].长安大学,2009.

[4]卢彭真.钢-混凝土组合箱梁空间分析理论与应用研究[D],西南交通大学，2009.

[5]邢继胜. 基于ANSYS的预应力钢-混凝土曲线梁桥静力分析[J].山西建筑.2010,36(32)：319-320

[6]杨威，刘孝臣.预应力混凝土曲线连续梁桥设计体会[J].科技创业家.2013(03)

[7]黄侨.桥梁钢-混凝土组合结构设计原理[M].北京：人民交通出版社,2004.

[8]黄秀霞. 钢—混凝土组合结构的应用研究[J].吉林工程技术师范学院学报