赵伟、任小刚、韩成波、秦凯强，二手钢结构回顾，二手钢结构回顾
摘要: 以韩庄运河大桥为背景工程，建立了大跨连续混合梁桥的有限元模型。 通过对钢-混凝土组合截面的精细有限元分析，对钢单元、填充混凝土、穿孔板和螺栓连接进行了探索。 构件布置等对连接截面应力和内力的影响。 根据全桥整体计算结果，给出节点节段空间模型计算的边界约束条件和计算荷载，并根据规范的相关规定，确定最不利弯矩和最不利组合提取全桥整体计算得到的最不利影响 基于轴力和最不利剪力的基本组合影响，对大跨度钢-混凝土组合进行局部分析和结构优化研究部分。
关键词：连续梁桥； 钢-混凝土组合截面； 本地分析； 结构优化；
1 项目概况
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。 主梁顶板宽度12.75 m，顶板厚度0.3 m，悬臂板长度2.875 m； 箱梁底板宽度为7.0m，底板厚度从桥墩到跨中变化，由1.1m变为0.30m； 梁高和底板厚度采用1.8抛物线变化，梁高由桥墩处10.0m变为跨中3.5m； 幅宽为0.65~0.8m。 钢结构主梁截面为单箱双室截面，顶板厚度16毫米，腹板厚度24-16毫米，底板厚度24毫米。 底板和腹板上设有一组间距约65cm的直加强筋。 屋顶设有一组横向间距为65厘米的U型加劲肋。 沿纵桥间隔2m设置一组横向隔板。 钢结构跨中截面总长度为61.5 m，钢-混凝土组合截面长度为4.5 m。
混凝土主梁采用三向预应力体系，纵向屋盖、腹板、边跨梁采用15-15毫米、15-17毫米、15-19毫米四种规格高强低松弛钢绞线和 15-22 毫米。 屋盖横向预应力钢筋及竖腹板均采用15-3毫米高强低松弛钢绞线。 钢-混凝土组合截面的顶板、腹板、底板均设置高强度、低松弛钢绞线。
2 钢-混凝土节点整体受力分析
计算使用Midas Civil2020进行建模分析。 从内力结果可以看出，接头截面处的剪力大于轴力，说明接头截面主要承受弯矩和剪力，其应力模式与接头截面处的力并不完全相同。斜拉桥的钢-混凝土结合部段。 因此，有必要根据连续梁桥的具体受力特点，对钢-混凝土组合断面进行进一步的研究和分析。
全桥整体模型分析结果如表1、表2所示。
表1：组合段应力计算结果导出至EXCEL
工作环境
法向应力/MPa
剪切应力/MPa
钢
具体的
钢
具体的
基本组合
44.5
4.3
3.3
1.9
静载
-10.2
-1.3
17.1
1.1
整车负载
20
1.2
8.4
0.4
表2 组合截面内力计算结果导出至EXCEL
工作环境
弯矩/(kN·m)
剪切力/kN
轴向力/kN
基本组合
44252
8 123
-267
静载
12904
4 338
-141
整车负载
21 954
2 061
-62
3 钢-混凝土节点分段优化分析
针对节点复杂的受力特点，建立局部分析模型进行结构优化。 以5.5 m长混凝土连续过渡段+4.5 m长钢混凝土组合段+6.5 m长钢梁段建立局部分析模型，分析原方案及钢单元的受力特征，填充混凝土、穿孔板和螺栓连接件。 布置等分析接头断面应力、内力的影响及变化规律，提出优化措施建议，并对优化方案进行对比分析和验证。 组合分段模型如图1所示[1,2,3,4,5,6]。
图1 计算模型下载原图
在前一部分整体计算结果的基础上，提取载荷和边界条件进行接头段空间模型计算。 根据规范相关规定，应提取全桥整体计算计算出的最不利弯矩、最不利轴力、最不利剪力的基本组合效应，并进行局部分析和结构分析。应开展大跨度钢-混凝土组合截面的优化研究。
在本节中，将弯矩对应的最大载荷作用称为工况一，将剪力对应的最大载荷作用称为工况二，将轴向力对应的最大载荷作用称为工况三。
3.1 原方案结合二手钢结构（1）工况1计算结果。
提取最大弯矩控制荷载组合工况下管片模型的相关应力结果，主要包括混凝土局部应力、节点段混凝土应力、节点段钢梁应力和钢梁局部应力，如图2~图4所示。
图2 接缝断面混凝土主应力（工况1） 下载原图
图3 接缝断面混凝土轴应力（工况1） 下载原图
图4 组合截面钢梁受力（工况1） 下载原图
从图2~图4可以看出，钢梁最大应力为154.30 MPa，对应位置在荷载结束时钢梁腹板与顶板接缝附近。 组合截面钢梁最大应力为20.49 MPa； 混凝土最大拉应力为2.0 MPa，最大压应力约为7.02 MPa，其中接缝处混凝土最大主拉应力为1.41 MPa，最大主压应力为2.78 MPa，最大轴向拉应力为0.95 MPa，最大轴向压应力值为2.64 MPa。
(2)工况二的计算结果。
提取荷载组合工况2下最大弯矩控制下管片模型的相关应力结果，主要包括混凝土局部应力、节点段混凝土应力、节点段钢梁应力和钢梁局部应力，如图5~图7所示。
图5 接缝断面混凝土主应力（工况2） 下载原图
图6 接缝断面混凝土轴应力（工况2） 下载原图
图7 组合截面钢梁受力（工况2） 下载原图
从图5~图7可以看出，钢梁最大应力为85.81 MPa，对应位置在荷载结束时钢梁腹板与顶板连接处附近。 组合截面钢梁最大应力为44.77 MPa； 混凝土最大拉应力为6.17 MPa，最大压应力约为14.65 MPa，其中接头处混凝土最大拉应力为1.60 MPa，最大压应力为4.08 MPa，最大轴向拉应力为1.23 MPa，最大轴向压应力为4.04 MPa。 非粘结段混凝土拉应力过大，这主要是由于未考虑桥面横向预应力以及未考虑组合段位置造成的。
(3)工况三的计算结果。
提取管片模型在最大控制弯矩荷载组合条件下的相关应力结果，主要包括混凝土局部应力、节点段混凝土应力、节点段钢梁应力和钢梁局部应力，如图8～ 10.
图8 接缝断面混凝土主应力（工况3） 下载原图
图9 接缝断面混凝土轴应力（工况3） 下载原图
图10 组合截面钢梁受力（工况3） 下载原图
从图8~图10可以看出，钢梁最大应力为94.24 MPa，对应位置为受荷端钢梁腹板与顶板接缝附近。 节点段钢梁最大应力为43.87 MPa； 混凝土最大拉应力约为5.94 MPa，压应力最大值约为14.2 MPa，其中接缝处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。 同样中国钢结构协会预应力结构分会，非粘结段混凝土拉应力过大，这主要是没有考虑桥面横向预应力造成的，而不是组合段的位置造成的。
3.2 方案优化 (1)优化方案的选择。
根据原方案接头段模型的计算结果可以看出，接头段整体应力水平较低。 因此，本部分结合规范的相关要求和计算结果，对原方案钢-混凝土组合截面的结构进行优化。
设置焊钉的目的主要是传递顶板、底板的轴向力和拉拔力，以及腹板和承压板的竖向剪力。 规范规定焊钉间距宜布置为直径的10～15倍，焊钉高度宜为直径的5～7倍，并应满足界面剪切承载能力和拉拔破坏的要求。 7]。 原规划中的焊钉直径为22毫米，高度为200毫米，间距为300毫米。 焊钉排列在合理范围内，暂不考虑优化。
设置穿孔板连接件的主要目的是承受剪力，应根据板的传力需要设置。 不同的桥梁根据不同的受力特性，有不同的穿孔板连接件设置。 斜拉桥主要传递纵向轴向力，因此穿孔板连接件主要沿桥纵向布置。 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，穿孔板连接件除了沿桥梁方向纵向布置（顶板和底板）外，还需要垂直布置（腹板）[7]。 该桥为连续梁桥，顶、底板穿孔板沿桥纵方向布置，腹板穿孔板沿竖向布置，整体布局合理。
冲孔板的厚度一般设计为16～50mm。 目的是保证剪力连接件失效前孔内混凝土不发生开裂失效。 穿孔板的高度一般应大于穿孔板的中心距。 开口中心距一般为220～250mm，其间距应保证剪力连接件损坏时，开口间的钢板不致损坏。 孔径应大于混凝土粗骨料的粒径值[7]。 本方案中冲孔板的厚度为20～25mm，在合理的结构范围内； 孔距为300mm，略高于结构规定的合理范围，且穿孔板整体应力水平较低，因此孔距可考虑优化； 穿孔板内钢筋直径为25mm，在合理的结构范围内。
承压钢板的厚度应满足受力要求。 一般全承压连接钢板厚度可为60～80 mm，承压剪力连接钢板厚度可为22～36 mm[7]。 该桥钢-混凝土组合断面为承压剪力连接。 原规划承压板厚度为50毫米，优化空间较大。
钢单元适用于填充混凝土连接，其高度应为600至1000毫米，且不应超过梁高的1/3[7]； 每个单元的宽度应为800至1,200毫米； 长度应满足梁的要求。 力的要求一般可设计为宽度的2至3倍[7]。 该桥原规划钢格长度为1850毫米，钢格高度为1000毫米，梁高为4000毫米。 原规划中钢格的高度更加合理，而钢格的长度则有更大的优化空间。
本桥方案在顶板、两侧腹板和底板上分别布置4束15-19mm预应力，共16束。 通过计算分析发现，接头断面大部分断面处于受压范围内，在很小的范围内存在较小的拉应力。 总体来看，钢梁布置较为合理。
根据以上分析，初步确定优化钢格长度和承压板厚度。 优化后，钢格长度减少至1500毫米，承压板厚度减少至30毫米。
(2)优化方案结果。
工况一（最大弯矩组合），钢-混凝土节点截面整体应力水平较低。 优化后，钢梁应力增加约37%，混凝土主拉应力增加约71%，混凝土主压应力减少约8%。 ，混凝土轴向拉应力降低约39%，混凝土轴向压应力降低约21%。
工况二（最大剪力组合），钢-混凝土节点截面整体应力水平较低。 优化后，钢梁应力降低约27%，混凝土主拉应力增加约69%，混凝土主压应力增加约5%。 ，混凝土轴向拉应力下降约2%，混凝土轴向压应力增加约5%。
工况三（轴力组合最大），钢-混凝土结合截面整体应力水平较低。 优化后中国钢结构协会预应力结构分会，钢梁应力降低约27%，混凝土主拉应力增加约68%，混凝土主压应力增加约5%。 ，混凝土轴向拉应力下降约3%，混凝土轴向压应力增加约5%。
4。结论
一般来说，减小承压板厚度和钢单元长度后，钢-混凝土组合断面各工况下钢梁的应力变化不大，处于低应力范围。 各工况下钢-混凝土组合断面混凝土应力主拉应力均有所增加，但由于缺乏横向和竖向预应力，导致应力计算结果偏大。 与主拉应力结果相比，轴向拉应力变化不大，呈下降趋势，处于低应力范围。 综合以上分析，优化方案对节点截面应力影响较小，处于合理范围内。 因此，建议采用优化方案，减少承压板厚度和钢格长度，以达到节省钢材、减少现场混凝土施工的目的。
参考
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[6] 刘明虎. 大跨宽宽混合梁斜拉桥关键技术设计综述[C]//中国公路学会桥梁与结构工程学会全国桥梁学术会议，2013.
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