聂利芳
(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)
摘要铁路上采用混合梁斜拉桥具有一定的优势。由于钢一混结合段构造复杂、传力途径类型多样，依托甬江特大桥，采用有限元分析方法，研究钢一混结合段各板件的传力机理，得出钢一混结合段不同位置各板件分担的内力比例，表明通过钢箱过渡段、钢一混结合段、混凝土过渡段，实现了内力均匀传递。
关键词 混合梁 钢一混结合段 传力途径 过渡段
混合梁斜拉桥相比常规铁路斜拉桥，具有以下特点：边跨混凝土梁自重和刚度大，增强了对主跨的锚固作用，减小了主跨梁体内力和变形，使结构具有较强的跨越能力和良好的行车刚度条件；混凝土边跨提高了结构整体竖向刚度；混凝土梁伸入主跨使钢箱梁长度缩短有利于节省投资等。自20世纪70年代世界第一座混合斜拉桥——库尔特一舒马赫桥在西德建成以来，目前已在欧、美、日及我国跨江跨海通道得到广泛应用。
钢一混结合段构造复杂、传力途径类型多样，目前我国现行规范尚无相关条文规定。依托宁波铁路枢纽北环线53 m+50 m+50 m+66 m+468m+66 m+50 m+50 m+53 m甬江特大桥，建立有限元模型．通过对斜拉桥中钢箱梁和混凝土箱梁的结合部位进行有限元分析，研究钢混结合段各板件的传力机理，可供同类型混合梁结合段设计参考。
1 有限元模型
根据圣维南原理，模型选取39. 14 m梁段，包括14. 45 m标准混凝土段、3m混凝土箱梁过渡段、2m横隔梁段、4.05 m钢一混过渡段、5.0 m钢箱梁过渡段，以及10. 64 m标准钢箱梁段，见图1。
预应力钢筋采用杆轴方向拉压的三维杆单元LINK8模拟，混凝土采用具有8个节点的SOL-ID45单元模拟，钢箱梁板件采用SHELL63单元模拟钢箱梁板件。实桥中采用了大量的剪力钉和剪力键保证钢板与混凝土之间的连接，为了了解钢混结合段传力规律，模型中假定预应力筋与混凝土之间，钢板与混凝土之间没有滑移，协调受力与变形。预应力钢筋节点与混凝土节点之间采用节点耦合法的方式连接；钢板节点与混凝土节点之间采用约束方程法进行连接。
考虑结构对称性，采用大型有限元分析软件ANSYS建立一半结构的有限元模型，沿桥梁顺桥向约束混凝土端的所有位移，使之处于悬臂状态，横桥向沿桥梁中线约束所有节点UX，ROTY和ROTZ 3个方向的自由度。ANSYS计算模型见图2。
2有限元分析结果
选取整体计算模型非固定端（钢箱梁段）的最大／最小轴力、最大／最小剪力、最大／最小弯矩6组工况（见表1），外力通过刚性面方式加载在截面形心位置。本桥为单线铁路斜拉桥，扭矩和横向弯矩都很小，文中忽略不计，因此也忽略了箱梁部分的畸变，但剪滞效应依然存在。混凝土区域的预应力以初应变方法施加。
2.1 钢箱过渡段
钢箱过渡段选取A，B，C，D共4种典型截面，在ANSYS中通过路径积分法和单元节点求和方法提取结果。
(1)纵向力分配。以工况一为例，各截面中腹板、边腹板、边板、顶板、平底板和斜底板纵向应力分担比例及变化规律见图3。
从A-A截面到D-D截面，顶、底板T肋承担的纵向力比例逐渐上升，而顶板及其加劲肋、底板及其加劲肋承担的纵向力比例逐渐减少，边腹板及其加劲肋承担纵向力比例亦逐渐减少，但幅度比较平缓。整体变化趋势表明顶底板承担的力逐渐往顶底板T型加劲肋转移。工况二、五、六各板件的变化规律同工况一，量值略有变化。
(2)竖向剪力分配。各板件竖向剪力分担比例见图4。
由图4可见：工况三，在剪力最小工况作用下，从A-A截面到D-D截面，截面剪力主要由中腹板、边腹板、边板和斜底板承担，其中中腹板承担大部分约60%的剪力，边腹板承担约20%的剪力，边板和斜底板承担约10%的剪力。
工况四，在剪力最大工况作用下，从A-A截面到D-D截面，截面剪力仍然主要由中腹板、边腹板、边板和斜底板承担；由于该工况剪力与自重反向，中腹板、斜底板承担大部分的剪力，且比例逐渐增大；边腹板和边板承担的剪力比例逐渐减小，过渡至C-C和D-D截面，承担反向剪力。
2.2端承压板两侧对比
考察E左一E左截面、E右-E右截面应力变化情况，分析端承压板两侧内力传递规律。
(1)纵向力分配。工况一模型非约束端同时施加纵向轴力，竖向剪力和纵向弯矩，考虑端承压板处纵向预应力筋的作用，各板件承担的纵向力见表2～表4。
从E右一E右截面到E左—E左截面，顶、底板以及腹板承担的纵向力减少，逐渐转移为钢格室和混凝土承担。工况二、五、六纵向力分配规律同工况一。
(2)竖向剪力分配。
由表3可见：从E右-Ea截面到E左-E左截面，中腹板、边腹板、边板以及斜底板承担的剪力减少，逐渐转移为钢一混凝土承担。
由于Q，…工况剪力方向与自重方向相反，导致Ea -E右截面的边腹板、边板，E左一E左截面的斜底板出现反号，但考虑边腹板和边板总体上承担剪力较小，不影响钢一混结合段整体传力规律。
2.3 横隔梁及混凝土箱梁过渡段
横隔板及混凝土箱梁过渡段，各板件纵向力分担比例见图5，竖向力分担比例见图6。
(1)纵向力分配。
工况一从I右—I右截面到K截面，腹板边板以及钢格室分担的比例逐渐减少，I截面和I，截面顶板、底板分担比例变化不大，混凝土纵向力分担比例逐渐增加，至K截面时，基本上已承担全部纵向力。说明在该区段内已完成内力传递。
工况二、五、六板件内力分配规律同工况一。
(2)竖向剪力分配。
工况三从I右—I右截面到K截面，混凝土承担大部分的剪力，钢结构的中腹板、边腹板、边板和斜底板承担的剪力很少，基本可以忽略不计，至K截面时，混凝土基本上已承担全部剪力。
工况四分配规律同工况三。
2.4面积比与纵向力关系
以A-A和D-D截面为例，模型非约束端单独施加纵向力作用下，分析各板件面积比与纵向力分担比例的关系，见表5。
A-A截面的纵向力分担比例与各板件的截面面积基本呈比例关系；D-D截面与承压板相连，各板件截面面积与其内力基本实现分配均匀的设计要求，说明本设计构造比较合理。
3结语
(1)钢箱过渡段。从A-A截面过渡到D-D截面，顶、底板承担的纵向力逐渐向T肋转移。在Qymi。/Q，…工况作用下，钢箱过渡段的剪力主要由中腹板承担。
(2)端承压板两侧。在端承压板两侧，即从Ea截面到E左截面，钢结构顶板、底板、以及腹板承担的纵向力逐渐转移为钢格室和混凝土承担。在Qymi。/Q。。。。工况作用下，承压板两侧（从E右截面到E≥截面），剪力也逐渐转移为钢一混凝土承担。
(3)混凝土横隔梁及混凝土箱梁过渡段。从I右截面到K截面，腹板、边板以及钢格室分担的比例逐渐减少，混凝土纵向力分担比例逐渐增加。至J截面混凝土已承担约78%的纵向力，至K截面混凝土基本已承担全部纵向力。在Q，。，。/Q，…工况作用下，从I右截面到K截面，混凝土承担大部分的剪力，中腹板、边腹板、边板和斜底板承担的剪力很少，基本可以忽略不计，至K截面时，混凝土基本上已承担全部剪力。
(4)研究发现，纵向力分担比例与各板件截面面积相关，顶、底板T肋渐变加高有利于内力均匀传递。
通过设置钢箱梁过渡段、钢一混结合段以及混凝土过渡段，实现了内力的均匀传递，表明这种钢一混结合段设计方式是合理的。
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