钢-混凝土混合连续梁桥钢混结合段局部分析及检测

DOI:10.16799/j.cnki.csdqyfh.2019.05.028

城市道桥与防洪

桥梁结构97钢-混凝土混合连续梁桥钢混结合段

局部分析及检测

徐敏

上海市201900）（上海同丰工程咨询有限公司，

摘

以达到降要：钢-混凝土连续梁桥作为一种新型的组合结构，将主跨部分梁段采用钢结构代替传统的混凝土结构，

改善结构的受力性能。在钢-混连续梁中钢混结合段为该结构的关键点。以某钢-混凝低桥梁结构自重，增大跨越能力，并结合对该桥荷载试验的检测结果，分析钢土连续梁桥为背景，对钢混结合段建立空间有限元模型进行局部应力分析，评价其技术状况。混结合段的受力情况，

受力分析；检测和评价关键词：连续梁桥；钢混结合段；中图分类号：U448.21+5

文献标志码：B

文章编号：1009-7716（2019）05-0097-04

0引言

钢-混凝土混合连续梁桥因其具有受力合

而被广泛理、施工迅速、跨越能力大等诸多优点，

运用。其结构形式不仅可以很好的满足结构的使

经理效益[1]。钢-用功能要求，还具有良好的技术、

混凝土混合梁能充分利用钢材和混凝土材料各自

钢-混凝土混合梁可的优势，与混凝土桥梁相比，

缩短引桥长以减轻结构自重、降低主梁的建筑高度、

与钢桥梁相比，可度、降低工程成本、缩短施工周期。

以减小钢材用了，增加结构结构刚度和稳定性。

目前，钢-混混合连续梁在设计和施工中仍存在着很多不足，特别是对钢-混结合段混凝土与钢梁连接成整体的研究，因其是不同种材料的

研究还不充分，结合，其构造和受力均较为复杂，

但结合段是钢梁和混凝土梁理论体系不够完善[2]，

传力的关键环节，因此对钢-混结合段的局部受力分析及检测、评价显得尤为重要。本文结合某钢

并对该-混凝土混合连续梁桥进行结构局部分析，

评价桥进行荷载试验，检测结合段实际受力情况，

结合段技术状况。

跨径组合为60.0m+128.0m+土混合连续钢箱梁，

60.0m，见图1。主桥上部结构为变截面钢-混凝

钻孔灌注土混合连续箱梁下部结构采用柱式桥墩，

设计行车桩基础。该桥按一级公路技术标准设计，

速度为60km/h，设计荷载等级为公路-I级。主桥钢梁和混凝土结合部位采用填充混凝土后板式的

见图2。通过将钢箱梁端部钢-混凝土接头形式，

使填充的混凝土的顶板、底板和腹板做成双壁板，

底板和腹板通过PBL与紧邻的混凝土箱梁段顶板、

剪力板、预应力钢筋和普通钢筋进行连接。钢-混凝土接头钢结构纵向长4m，其中钢箱部分长2.5m，内填充混凝土部分长1.5m，在结合面设置

底板均采1块60mm的承压板。结合段钢箱梁顶、

用刚度过渡板加劲。

（单位：图1主桥立面示意图mm）

1工程概况

湖州市G104国道某桥主跨为三跨钢-混凝

收稿日期：2018-11-09

（1987－）作者简介：徐敏，男，工程师，从事桥梁检测工作。

（单位：图2混凝土梁与钢梁连接立面图mm）

98桥梁结构

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2019年5月第5期

2有限元模型建立

本桥理论计算分析首先采用桥梁专用有限元分析软件MidasCivil进行，分析模型见图3。对该桥主桥采用空间杆系单元进行模拟，模型共包括181个节点，180个单元。

图3MidasCivil杆系单元模型

将钢与混凝土都视为均质弹性体，以弹性模量和泊松比表示结构的材料特性，荷载取自按空间杆系结构分析的结果。采用大型有限元软件Ansys进行计算分析，其中钢梁采用壳单元

shell63）模拟，混凝土箱梁采用实体单元

（solid92）模拟，预应力钢绞线采用杆单元（link8）模拟。预应

力采用降温法施加，采用约束方程模拟预应力筋和混凝土间的粘结作用。计算中取用的模型总长为13.5m，其中混凝土箱梁长8m，钢箱梁长4m，两者结合部分长1.5m。计算模型中单元总数共计152220个，节点总数共计183427个，有限元模型见图4。在计算模型中将混凝土箱梁一侧断面固

结，钢箱梁一侧断面假定为平截面变形，

以刚性域的方法形成，并在此断面中性轴处施加对应的荷载。荷载取自按空间杆系结构分析的结果。PBL剪力板与混凝土之间的传力机理较为复杂，故计算中将混凝土单元和钢板单元采用共节点的方法进行简化处理。

图4钢混结合段有限元计算模型

3有限元分析结果

本次主要分析设计荷载公路-I级荷载作用

下，对钢混结合段中混凝土箱梁和钢箱梁各自进行应力分析。

3.1混凝土箱梁应力计算结果

混凝土箱梁的应力计算结果见图5、图6（单

位：MPa；拉为正，压为负）。可以看出，

除去钢混结合部预应力锚下的应力集中，

混凝土箱梁最大主拉应力约为2.3MPa，出现箱梁顶、

底板与腹板的折角处，分布范围较小，不影响结构的使用性能。混凝土箱梁的最大主压应力为16.2MPa，满足规范要求。

图5混凝土箱梁主拉应力

图6混凝土箱梁主压应力

3.2钢箱梁应力计算结果

钢箱梁的应力计算结果见图7～图9（单位：MPa；拉为正，压为负）。除去钢箱梁横隔板处预应力锚固产生的局部应力集中，钢箱梁x方向的应力分布范围为（-35～50）MPa，y方向的应力分布范围为（-35～35）MPa，z方向的应力分布范围为-85～101.2）MPa。应力均满足规范要求。

图7工况1钢箱梁X方向应力

（SX）图8工况1钢箱梁Y方向应力

（SY）图9工况1钢箱梁Z方向应力

（SZ）（（2019年5月第5期

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桥梁结构993.3理论计算结论

（1）除横隔板处预应力锚固部位存在局部应力集中外，钢混结合段钢箱梁的应力为（-85～101.2）MPa，允许值为±200MPa，均满足规范要求。

（2）除预应力锚固部位和箱梁顶、

底板与腹板的折角处存在局部应力集中外，混凝土箱梁的压应力为16.2MPa，允许值为26.5MPa，满足规范要求。

4结合段荷载试验分析

4.1测试点布设

静载试验是指通过在桥梁结构上施加与设计荷载或使用荷载基本相当的静态外加荷载，利用检测仪器测试桥梁结构控制部位与控制截面在各级试验荷载作用下的挠度、应力、混凝土梁桥可能出现的裂缝等力学效应，并与桥梁结构按相应荷载作用下的计算值及有关规范规定值作比较，从而评价结合段的施工质量。本次试验8辆35t的三轴载重货车模拟公路-I级荷载。南北两侧结合段测点布设见图10，现场测点照片见图11。

图10结合段测点布设示意图（单位：mm）

图11结合段测点布设实景照

4.2结合段测试结果分析

对主桥中跨钢-混凝土结合段进行最大正弯矩工况加载，测试南北结合段挠度和应变，测得数据分析结果如下：

（1）挠度测试结果

试验荷载作用实测弹性挠度和卸载后的残余挠度分别见表1和表2。

表1结合段各挠度测点校验系数

mm

西偏载

断面位置

测点编号

实测值

理论值校验系数ξ

1#测点

19.4731.710.61南结合段正弯矩工况

2#测点18.8230.780.613#测点18.5529.880.621#测点

17.5727.770.63北结合段正弯矩工况

2#测点17.9826.960.673#测点

17.41

26.17

0.67

注：表中数据已扣除支座的弹性压缩变形。

表2结合段挠度测点相对残余变形

mm

西偏载

断面位置

测点编号

总挠度

残余挠度相对残余变形/%1#测点

19.610.140.71南结合段正

弯矩工况

2#测点18.950.130.693#测点18.730.180.961#测点

17.690.120.68北结合段正弯矩工况

2#测点18.180.201.103#测点

17.74

0.33

1.86

注：表中数据已扣除支座的弹性压缩变形。

由表1、表2可知，在试验荷载作用下，

中跨钢-混凝土结合段挠度校验系数为0.61~0.67，各测试截面应变校验系数均小于1，挠度相对残余变形为0.68%~1.86%，均小于规范限值20%，表明钢-混凝土结合段能满足设计公路-I级荷载的安全承载要求，且具备较好的弹性恢复能力。

（2）应变测试结果

结合段两侧各布设混凝土应变测点和钢筋应

变测点，跨结合面布设钢弦应变测点，

具体应变测试结果见表3。

由表3可知，南北钢-混凝土结合段，

应变分布规律一致，跨结合面钢弦应变测点未发生突变，卸载后残余应变均较小，说明钢-混凝土结合段受力状态良好。

（3）中心轴位置分析

由表3数据可以看出南北结合段数据基本接近，则采用南北结合段平均值进行线性拟合，得到各级加载工况下的中性轴位置，见图12、图13。

100桥梁结构

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表3主桥中跨结合段应变测试结果

滋着

西偏载

断面位置

测点编号

混凝土应变钢筋应变钢弦应变终载卸载终载卸载终载卸载1#测点

332262501南结合段正弯2#测点241132391矩工况

3#测点311211481平均值2912024611#测点

372272512北结合段正弯2#测点271181311矩工况

3#测点361251361平均值

33

1

23

1

39

1

图12结合段钢箱梁应变沿梁高度分布曲线

图13结合段混凝土箱梁应变沿梁高度分布曲线

由表4可知，结合段混凝土箱梁应变分布，

基本满足平截面假定，钢箱梁中性轴比理论高6.5%，混凝土箱梁中性轴比理论中低5.9%。4.3荷载试验结果

（1）在试验荷载作用下，

结合段挠度校验系数均小于1，挠度相对残余变形小于规范限值20%，钢-混凝土结合段能满足设计公路-I级荷载的安全承载要求，且具备较好的弹性恢复能力。

（2）南北两端结合段测试截面应变分布规律

一致，且跨结合面钢弦应变测点未发生突变，

卸载后残余应变均较小，说明结合段箱梁受力状态良好，试验加载过程中未有裂缝开展。

表4结合段箱梁中性轴实测值与理论值比较

测点位置加载工况中性轴距箱梁底高度/mm中性轴实测值

中性轴理论值

偏载一级

1881结合段偏载二级1820钢箱梁

偏载三级18141726平均值1838偏载一级

2077结合段偏载二级2118混凝土箱梁

偏载三级21232237平均值

2106

（3）结合段中性轴位置测试结果表明，

结合段箱梁应变分布基本符合平截面假定，沿梁高呈线

性分布，说明钢混结合段受力良好，

钢材和混凝土共同受力协调变形。

5结论

钢-混凝土连续梁桥钢-混结合段为传力的

关键环节。本文结合工程实例，

就如何对钢混结合段进行评价和检测的问题进行探讨，首先建立整桥模型进行整体分析，得到结合段局部受力特征，再建立细部有限元模型进行分析，将整体模型中钢混结合段受力情况作为边界条件，输入细部模型中。计算设计荷载作用下钢-混结合段局部应

力情况，除个别位置存在局部应力集中外，

钢混结合段钢箱梁和混凝土箱梁计算应力值均小于规范

允许值。最后本文结合钢混结合段的荷载试验，

从结合段的应力应变、挠度、

截面中心轴三方面评价结合段工作性能。从试验结果分析可知，

结合段能满足设计荷载公路-I级荷载正常使用要求，且钢

梁和混凝土梁结合良好，

处于协调变形阶段，未有裂缝开展。钢混结合段应变沿梁高分布情况符合平截面假定，验证了理论假设分析的可行性。

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Keywords:corrugatedsteelwebPCcompositebeambridge,steel-concretecompositestructure,economicalefficiency

AnalysisandDetectiononSteel-concreteCompositeSectionofSteel-concreteCompositeContinuousBeamBridge

XuMin(97)

Abstract:Asanewcompositestructure,thepartialbeamsectionofthemainspaninthesteel-concretecontinuousbeambridgeisthesteelstructuretoreplacethetraditionalconcretestructureinordertoreducethedeadloadofbridgestructure,toincreasethespanningcapacityandtoimprovethestressperformanceofstructure.Thesteel-concretecompositesectionisthekeypointinthesteel-concretecontinuousbeam.Takingasteel-concretecontinuousbeambridgeasthebackground,thispaperestablishesthespatialfiniteelementmodelofthesteel-concretecompositesectiontocarryoutthelocalstressanalysis,andcombinedwiththedetectionresultofloadtestofthisbridge,analyzesthestresssituationofsteel-concretecompositesectionandevaluatesitstechnicalconditions.

Keywords:continuousbeambridge,steel-concretecompositesection,stressanalysis,detectionandevaluation

ApplicationofPracticalRefinementModelinDesignofLong-spanCable-stayedBridge

LiSheng,LiuBin(101)

Abstract:Athree-spandouble-pylondouble-planecable-stayedbridgeisamunicipalbridge.Itsmainspanis400m.Themainbeamisamid-spancompositebeam.Thesidespanisapre-stressedreinforcedconcreteboxbeam.ThemainpylonisanA-typereinforcedconcreteandsteelpyloncompositestructure.Theupperpylonis100mhighandthelowerpylonis22mhigh.Inordertostudythestructurestressofthisbridge,thesingle-beammodelandthebeamgrillagemodelofthisbridgeareestablishedtocarryoutthesimulativecalculationandcomparisonoffinishedbridgestateandtoanalyzetheinternalforcesanddeformationsofthestructureundervariousoperatingconditions.Thecomparisonandcalculationresultsofsingle-beammodelandbeamgrillagemodelcanshowthatthestress,stabilizationandrigidityofthisbridgeallmeetthestandardrequirements.

Keywords:cable-stayedbridgecompositebeam,staticanalysis,dynamicanalysis,beamgrillage,internalforce,deformation

FineDesignofSmall-radiusCurvedBridgeYangQingwei(106)

Abstract:Thesmall-radiuscurvedbridgeisinescapableintheprojects.Anditsfaultfrequencyishigherthantheconventionalstructures.TakingaradiusR=85looprampasthebackground,referringthedesign