钢结构图纸设计优化：大跨度钢混结合段局部分析与构造优化研究

钢结构图纸设计优化：大跨度钢混结合段局部分析与构造优化研究正应力/MPa工况计算采用Midas Civil2020进行建模分析。从内力结果可以看出，结合段位置处剪力大于轴力，说明其结合段位置以承受弯矩和剪力为主，其受力模式与斜拉桥钢混结合段受力不完全相同。因此，需结合连续梁桥具体受力特点，对钢混结合段进行进一步的研究和分析。全桥整体模型分析结果见表1和表2。表1 结合段应力计算结果 导出到EXCEL

赵伟 任晓刚 韩成博 秦凯强山东高速基础设施建设有限公司 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司

摘 要：以韩庄运河特大桥为背景工程，建立大跨度连续混合梁桥有限元模型，通过对钢混结合段有限元精细化分析，探索钢格室、填充混凝土、开孔板以及栓钉连接件布置等对结合段应力与内力的影响变化规律。根据全桥整体计算结果，为结合部节段空间模型计算提供边界约束条件及计算荷载，并根据规范相关规定，提取全桥总体计算得出的最不利作用组合下的最不利弯矩、最不利轴力、最不利剪力基本组合效应，开展大跨度钢混结合段局部分析与构造优化研究。

关键词：连续梁桥;钢混结合段;局部分析;构造优化;

1 工程概况

韩庄运河特大桥上部结构采用85 m 180 m 85 m变截面箱形混合梁连续桥，单箱单室混凝土主梁。主梁的顶板宽度为12.75 m 顶板厚度为0.3 m 悬臂板长度为2.875 m; 箱梁底板宽7.0 m 底板厚度从墩处向跨中变化，由1.1 m变到0.30 m; 梁高和底板厚度均采用1.8次抛物线变化，梁高由墩处10.0 m变至跨中3.5 m; 腹板宽度为0.65～0.8 m。钢结构主梁横断面为单箱双室断面，顶板厚度为16 mm 腹板厚度为24～16 mm 底板厚度为24 mm。底板和腹板设置一组间距为65 cm左右的一字加劲肋。顶板设置一组横向间距65 cm的U形加劲肋。纵桥向间隔2 m设置一组横隔板。钢结构跨中段落全长61.5 m 钢混结合段长4.5 m。

混凝土主梁采用三向预应力体系，纵向顶板、腹板和边跨合龙束采用15-15 mm、15-17 mm、15-19 mm、15-22 mm等4种规格的高强低松弛钢绞线；顶板横向、腹板竖向预应力钢束均采用15-3 mm的高强低松弛钢绞线。钢混结合段内的顶板、腹板和底板设置高强低松弛钢绞线。

2 钢混结合部总体受力分析

计算采用Midas Civil2020进行建模分析。从内力结果可以看出，结合段位置处剪力大于轴力，说明其结合段位置以承受弯矩和剪力为主，其受力模式与斜拉桥钢混结合段受力不完全相同。因此，需结合连续梁桥具体受力特点，对钢混结合段进行进一步的研究和分析。

全桥整体模型分析结果见表1和表2。

表1 结合段应力计算结果 导出到EXCEL

工况	正应力/MPa		剪应力/MPa
	钢	混凝土	钢	混凝土
基本组合	44.5	4.3	3.3	1.9
恒荷载	-10.2	-1.3	17.1	1.1
汽车荷载	20	1.2	8.4	0.4

表2 结合段内力计算结果 导出到EXCEL

工况	弯矩/(kN·m)	剪力/kN	轴力/kN
基本组合	44 252	8 123	-267
恒荷载	12 904	4 338	-141
汽车荷载	21 954	2 061	-62

3 钢混结合部节段优化分析

针对结合部复杂的受力特点，建立局部分析模型进行构造优化。取5.5 m长混凝土连续过渡段 4.5 m长钢混结合段 6.5 m长钢梁段建立局部分析模型，对原方案受力特点以及钢格室、填充混凝土、开孔板以及栓钉连接件布置等对结合段应力与内力的影响变化规律进行分析，给出优化措施建议，并对优化后的方案进行对比分析验证。结合段模型如图1所示[1 2 3 4 5 6]。

图1 计算模型 下载原图

根据前部分整体计算结果，为结合部节段空间模型计算提取荷载及边界条件。根据规范相关规定，应提取全桥总体计算得出的最不利作用组合下的最不利弯矩、最不利轴力、最不利剪力基本组合效应，开展大跨度钢混结合段局部分析与构造优化研究。

本部分将弯矩对应的最大荷载效应命名为工况一，剪力对应的最大荷载效应命名为工况二，轴力对应的最大荷载效应命名为工况三。

3.1原方案结合部节段受力分析(1)工况一计算结果。

提取弯矩最大控制的荷载组合工况一下节段模型的相关应力结果，主要包括混凝土部分应力、结合段混凝土应力、结合段钢梁应力以及钢梁部分应力，如图2～图4所示。

图2 结合段混凝土主应力(工况一) 下载原图

图3 结合段混凝土轴向应力(工况一) 下载原图

图4 结合段钢梁应力(工况一) 下载原图

由图2～图4可知，钢梁最大应力为154.30 MPa 对应位置为施加荷载端钢梁腹板与顶板结合处附近，其中结合段钢梁最大应力为20.49 MPa; 混凝土拉应力最大值为2.0 MPa左右，压应力最大值为7.02 MPa左右，其中结合段位置混凝土主拉应力最大值为1.41 MPa 主压应力最大值为2.78 MPa 轴向拉应力最大值为0.95 MPa 轴向压应力最大值为2.64 MPa。

(2)工况二计算结果。

提取弯矩最大控制的荷载组合工况二下节段模型的相关应力结果，主要包括混凝土部分应力、结合段混凝土应力、结合段钢梁应力以及钢梁部分应力，如图5～图7所示。

图5 结合段混凝土主应力(工况二) 下载原图

图6 结合段混凝土轴向应力(工况二) 下载原图

图7 结合段钢梁应力(工况二) 下载原图

由图5～图7可知，钢梁最大应力为85.81 MPa 对应位置为施加荷载端钢梁腹板与顶板结合处附近，其中结合段钢梁最大应力为44.77 MPa; 混凝土拉应力最大值为6.17 MPa左右，压应力最大值为14.65 MPa左右，其中结合段位置混凝土拉应力最大值为1.60 MPa 压应力最大值为4.08 MPa 轴向拉应力最大值为1.23 MPa 轴向压应力最大值为4.04 MPa。非结合段混凝土拉应力偏大，主要是没有考虑桥面板横向预应力导致的，且不是结合段位置。

(3)工况三计算结果。

提取弯矩最大控制的荷载组合工况三下节段模型的相关应力结果，主要包括混凝土部分应力、结合段混凝土应力、结合段钢梁应力以及钢梁部分应力，如图8～图10所示。

图8 结合段混凝土主应力(工况三) 下载原图

图9 结合段混凝土轴向应力(工况三) 下载原图

图10 结合段钢梁应力(工况三) 下载原图

由图8～图10可知，钢梁最大应力为94.24 MPa 对应位置为施加荷载端钢梁腹板与顶板结合处附近，其中结合段钢梁应力最大值为43.87 MPa; 混凝土拉应力最大值为5.94 MPa左右，压应力最大值为14.2 MPa左右，其中结合段位置混凝土拉应力最大值为1.58 MPa 压应力最大值为3.70 MPa 轴向拉应力最大值为1.04 MPa 轴向压应力最大值为3.66 MPa。同样地，非结合段混凝土拉应力偏大，主要是没有考虑桥面板横向预应力导致的，且不是结合段位置。

3.2方案优化(1)优化方案的选定。

根据原方案结合部节段模型计算结果可知，结合段部位整体应力水平较低。因此，本部分结合规范相关要求及计算结果，对原方案钢混结合段构造进行优化。

焊钉设置目的主要是用来传递顶底板的轴力和抗拔力，以及腹板和承压板的竖向剪力。规范规定，焊钉间距宜按直径的10倍～15倍来布置，焊钉高度宜取5倍～7倍直径，且应满足界面抗剪承载力和拉拔破坏的要求[7]。原方案焊钉直径为22 mm 高度为200 mm 间距为300 mm 焊钉布置处在合理范围内，暂不考虑对其进行优化。

开孔板连接件设置的主要目的是承受剪力，应根据板件传力的需要设置。不同的桥梁，根据不同受力特点，其开孔板连接件的设置也不同。斜拉桥主要传递纵向轴力，因此开孔板连接件主要沿纵桥向布置。梁桥在传递纵向轴力的同时，还需要传递一定的剪力和弯矩，因此开孔板连接件除纵桥向布置外(顶底板) 还需竖向布置(腹板)[7]。本桥为连续梁桥，且顶板、底板处开孔板沿纵桥向布置，腹板处开孔板沿竖向布置，整体布置合理。

开孔板厚度一般设计为16～50 mm 其目的是保证孔中混凝土割裂破坏的发生不先于抗剪连接件破坏。开孔板的高度一般应大于开孔中心距。开孔中心距一般取220～250 mm 其间距应保证抗剪连接件破坏时开孔间的钢板不发生破坏。孔径应大于混凝土粗骨料粒径值[7]。本方案开孔板厚度为20～25 mm 处在合理构造范围内；孔间距为300 mm 略高于构造规定的合理范围，且开孔板整体应力水平较低，可以考虑对开孔间距进行优化；开孔板中钢筋直径为25 mm 处在合理构造范围内。

承压钢板厚度应满足受力要求。一般完全承压式连接钢板厚度可取60～80 mm 承压传剪式连接钢板厚度可取22～36 mm[7]。本桥钢混结合段为承压传剪式连接，原方案承压板厚度为50 mm 具有较大优化空间。

钢格室适用于填充混凝土式连接，其高度宜为600～1 000 mm 且不宜超过梁高的1/3[7];每个格室宽度宜为800～1 200 mm; 长度应满足受力需求，一般可按宽度的2倍～3倍设计[7]。本桥原方案钢格室长度为1 850 mm 钢格室高度为1 000 mm 梁高为4 000 mm。原方案钢格室高度取值较为合理，而钢格室长度具有较大优化空间。

本桥方案分别在顶板、两侧腹板以及底板布置了4束15-19 mm预应力，总共16束。通过计算分析发现，结合段范围绝大多数断面都处在受压范围内，极小范围存在较小的拉应力。总体来看，钢束布置较为合理。

综合以上分析，初步确定对钢格室长度和承压板厚度进行优化，优化后钢格室长度减小为1 500 mm 承压板厚度减小为30 mm。

(2)优化方案结果。

工况一(弯矩最大组合)钢混结合段应力，整体应力水平较低，优化后方案钢梁应力增加37%左右，混凝土主拉应力增加71%左右，混凝土主压应力减小8%左右，混凝土轴向拉应力减小39%左右，混凝土轴向压应力减小21%左右。

工况二(剪力最大组合)钢混结合段应力，整体应力水平较低，优化后方案钢梁应力减小27%左右，混凝土主拉应力增加69%左右，混凝土主压应力增加5%左右，混凝土轴向拉应力减小2%左右，混凝土轴向压应力增加5%左右。

工况三(轴力最大组合)钢混结合段应力，整体应力水平较低，优化后方案钢梁应力减小27%左右，混凝土主拉应力增加68%左右，混凝土主压应力增加5%左右，混凝土轴向拉应力减小3%左右，混凝土轴向压应力增加5%左右。

4 结语

总体来说，减小承压板厚度和钢格室长度后，钢混结合段各工况下钢梁应力变化不大，且处于低应力范围。钢混结合段各工况下混凝土应力主拉应力呈增加状态，但由于没有横向和竖向预应力的缘故，导致其应力计算结果偏大。相比主拉应力结果更具参考意义的轴向拉应力则变化不大，呈降低趋势，且处于低应力范围。综上分析，优化方案对结合段应力影响不大，且处于合理范围内。因此，建议采取减小承压板厚度和钢格室长度的优化方案，以达到节约钢材和减少现场混凝土施工的目的。

参考文献

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