0 引言

由于中国地形呈阶梯状分布，地势西高东低，山区面积较大等特殊地理环境，需要大量架设桥梁以跨越山谷、湖泊。对于需要在跨越通航河流、下穿铁路或公路的特殊地理位置上架设的桥梁，单纯使用钢结构或混凝土结构，无法满足新时代桥梁建设的要求^[1]。混合连续梁桥主梁采用钢梁，在减轻结构自重、增大跨越能力的同时降低主桥建筑高度，能有效解决单纯使用混凝土结构桥梁主梁建筑高度过高的问题，从而满足通航净空要求及行车净空要求^[2]。

混合连续梁桥中钢梁与混凝土梁依靠钢-混结合段连接，由于钢和混凝土材料的力学性能和物理性能存在较大差异，设计不当可能影响全桥的安全性^[3-4]。国内外众多学者针对钢-混结合段做了大量研究^[5-7]。西南交通大学施洲^[8-9]研究甬江特大桥钢-混结合段进时发现，不论结合段长短，在承压板处均存在应力集中的现象，短结合段则由于剪力连接件较少，相对来说承压板传力占比更高。He^[10]建立了比例为1∶2的钢-混结合段缩尺模型，得出了钢-混结合段内部的裂纹分布和开展相对较少、钢板和混凝土之间的界面应力较大、内部连接件相对滑移较小等结论。怀臣子^[11-12]研究某悬索桥钢-混结合段整体结构负弯矩受弯性能，按照1∶3的比例制作了钢-混结合段缩尺试验模型，得出试件在最不利荷载工况即最大负弯矩荷载组合作用下基本处于线弹性阶段，并未出现界面滑移，整体结构并未出现破坏，以此证明实桥钢-混结合段设计的合理性。也有一些学者针对钢-混结合段内部构件进行研究^[13-15]。Cheng^[16]设计了5个足尺试验模型来研究斜拉桥钢-混结合段的构造参数，研究不同构造参数下结构的应力分布规律和失效模式。Kim^[17]以某混合桥梁钢-混结合段为例，对结合段承压板厚度、钢格室长度、剪力连接件刚度以及预应力钢绞线预应力大小等参数进行研究。

众多学者大都针对混合梁斜拉桥钢-混结合段进行研究，而针对混合连续梁桥钢-混结合段的研究相对较少，且同一桥型因其设计方案不同，钢-混结合段结构形式各有不同，导致研究结果的参考价值有限^[18]。因此，本研究以某大跨混合连续梁桥为依托背景，建立实桥钢-混结合段精细化有限元模型进行静力分析，以揭示此类混合连续梁桥钢-混结合段传力机理，并探讨不同构造参数对结合段传力性能的影响，给出具体取值建议，以改善内部应力集中及刚度过渡不平顺问题。

1 工程背景

依托工程为某大跨混合连续梁桥，整体桥跨布置如图 1所示，主桥一共5跨，其中主跨180 m，包括跨中88 m的钢箱梁，其余结构均使用预应力混凝土箱梁。主桥建在宁杭高铁之下，京杭大运河之上，为满足该桥梁通航净空要求及行车净空要求，该工程在主梁设计时采用了钢混混合结构桥梁。

主桥钢-混结合段采用带钢格室的后承压板结构，其中结合段长2.5 m，钢格室高0.8 m，内部浇注C55混凝土。混凝土梁过渡段由0.5 m的加厚标准混凝土梁段及3 m的变截面混凝土梁段两部分组成；钢梁过渡段长2.2 m，在顶、底板处均设置了U形及变高度T形加劲肋；后承压板厚度d=60 mm。在钢格室顶板、底板、腹板、承压板上均设置了长200 mm直径22 mm的剪力钉。在钢格室内部设置开孔板连接件，板上开有Φ60的圆孔，圆孔中穿过Φ20HRB400的PBL钢筋。钢-混结合段实体图如图 2所示。

2 有限元模型的建立

采用有限元软件Abaqus建立钢-混结合段精细化有限元模型。考虑将荷载直接施加在钢-混结合段上时，荷载作用区附近的应力分布会受到影响，基于圣维南原理^[4]，将荷载加载点设置在稍远的位置钢-混结合段则不会受到影响，在建模时固结端及加载端均多考虑大约一个箱梁宽度的距离。因此，选取钢-混结合段两侧29.7 m的梁段进行建模，其结构包括10.5 m的标准混凝土梁段，3.5 m的混凝土梁过渡段，2.5 m的结合段，2.2 m的钢梁过渡段以及11 m的钢梁标准段。

针对不同材质、不同传力方式的构件，分别采用不同的单元进行有限元模拟，以真实地反映各连接构件的受力情况^[18]。有限元模型的材料参数及单元选取如表 1所示。在钢-混结合段中，通常采用共节点的方式来处理承压板和混凝土之间的连接，以确保它们能够协同工作，共同承担荷载。结合段内部部分钢板与混凝土之间依靠黏结力以及剪力钉的连接作用来传力，同时剪力钉使部分钢板与混凝土紧密结合、协同受力，对此，同样将顶、底、腹板和混凝土之间使用共节点方式处理。由于其余钢板和混凝土之间没有纵向预应力的作用，它们之间的连接不像承压板和混凝土那样需要紧密结合和协同工作，将其余钢板与混凝土视为两个独立的体系，不考虑它们之间的摩擦作用；钢-混结合段内部钢筋与混凝土连接通过节点之间的耦合进行连接。

由于建立精细化全桥模型计算量巨大，因此，本研究先是采用全桥模型模拟成桥阶段，以获取全桥承载能力极限状态基本组合工况下钢-混结合段的截面内力，包括轴力87 538 kN，剪力579 kN，弯矩16 649 kN·m，用于钢混-结合段局部模型的加载，再采用悬臂加载^{[4, 19]}的方式对钢-混结合段局部模型进行计算。悬臂方式为将混凝土梁端固定，将该截面所有节点的3个方向的平动自由度约束，以避免在计算过程中出现不必要的误差和变形，并在悬臂端即标准钢箱梁段端部施加荷载。施加荷载值取自全桥承载能力极限状态基本组合工况下钢-混结合段的截面内力，包括轴力87 538 kN，剪力579 kN，弯矩16 649 kN·m，有限元模型如图 3所示。

3 传力机理研究

实际工程中混合连续梁桥钢-混结合段的位置通常设计在轴力较大、弯矩与剪力较小的地方^[20]，本节将轴力作为主要分析对象，探讨钢-混结合段各构件顺桥向应力分布规律，并计算出结合段内各构件轴力的分担比例。

3.1 各结构应力变化规律分析 3.1.1 钢结构

钢箱梁部分钢格室、承压板及钢梁过渡段应力分析结果如图 4所示，从竖桥向来看，底部结构受压更为明显，结构应力值普遍高于顶部构件；从横桥向来看，荷载均匀过渡，但翼缘处应力高于桥梁中心线附近应力；从顺桥向来看，作用于结合段钢结构应力明显小于钢梁过渡段的钢结构应力，顺桥向应力沿远离承压板方向应力逐渐下降，加劲肋能够通过对钢梁外表面板的支撑，将荷载分散到钢梁的整个截面上，使得应力分布更加均匀，减小了应力集中和变形过大的问题。同时，加劲肋还能提高钢梁外表面板的扭转和弯曲刚度，使其更加稳定和坚固，以提高钢梁的受力性能和安全性能。整体钢结构最大Von Mises应力值为174 MPa，出现在承压板与加劲肋相接处，承压板与其他钢构件接触处也出现明显应力集中。但除去应力集中区域的较大应力值，整体应力水平远低于Q345qD钢材强度设计值275 MPa，具有足够的安全储备。

钢结构顶、底板沿顺桥向分别选取4条和3条应力路径，各应力路径线上的顺桥向应力如图 5所示。沿顺桥向，各条应力路径顺桥向应力分布规律基本相同，荷载从标准梁段传入，经过钢梁过渡段，顶、底板所承受荷载逐渐扩散到内部加劲肋，顶、底板顺桥向应力基本呈线性减小的趋势，在抵达钢梁过渡段与结合段相接处，即承压板处，出现应力突变。主要原因有：(1)承压板附近各钢结构的刚度不同，钢梁过渡段采用16 mm的Q345qD结构，而结合段钢结构为24 mm，承压板采用的钢结构则为60 mm。(2)在钢梁过渡段为钢结构单独受力，而荷载传递至结合段时变为结合段钢结构与结合段混凝土协同受力，承压板与结合段混凝土之间的黏结作用导致一部分荷载的传递，所以导致了应力突变现象的出现。在荷载经过承压板之后，结合段钢结构顶、底板顺桥向应力有一个逐渐减小的趋势，是由于顶、底板与结合段混凝土接触，将一部分荷载逐渐传入混凝土中，降低了钢梁顶、底板处的应力。顶、底板顺桥向应力分布不同点在于底板各处受压程度大于顶板且应力突变值要高于顶板。

3.1.2 混凝土结构

由图 6可知，整体结合段混凝土及混凝土梁过渡段均处于受压状态，沿顺桥向的应力区间在―17.5~1.76 MPa以内，表明结合段混凝土仍存在部分区域处于受拉状态，受拉区域出现在混凝土与承压板相接面以及钢格室内板角点接触处，产生拉应力的原因在于建模时将混凝土与承压板接触面的节点与承压板进行耦合，承压板上出现不均匀的应力集中导致混凝土受力不均匀，出现部分区域受拉的情况。但混凝土的整体应力仍满足设计规范中混凝土轴心抗压强度的要求，具有足够的安全储备。

由图 7可知，沿远离承压板方向，结合段混凝土顺桥向应力逐渐均匀减小，在抵达结合段与混凝土梁过渡段相接触的截面时，出现应力突变，顶部混凝土应力突变范围处于―6~―2 MPa之间，最大突变值为4 MPa，底部混凝土应力突变范围处于―16~―4 MPa之间，最大突变值达到8 MPa。出现应力突变的主要原因在于，荷载传入结合段后，由结合段部分的钢格室钢构件与结合段混凝土共同受力转变为混凝土梁过渡段单独受力，结构刚度出现明显变化。混凝土梁过渡段由0.5 m的加厚标准混凝土梁段及3 m的变截面混凝土梁段两部分组成，在荷载传入混凝土梁过渡段时，由于加厚标准混凝土梁段混凝土厚度较大，该处顺桥向应力有明显的下降趋势，而后半段由于变截面混凝土梁的作用，顺桥向应力变化较为平顺，能相对匀顺地将荷载传入标准混凝土中。

3.2 传力比例分析

选取2.2 m钢梁过渡段及2.5 m结合段的多个截面对其顺桥向应力进行积分，即可得到各截面钢结构和混凝土结构分别分担的轴力，见图 8。应力积分具体如式(1)~(3)所示：

$ F_i=\int \sigma_i \mathrm{~d} A_i, $

(1)

$ F=\sum F_i, $

(2)

$ \eta_i=\frac{F_i}{F_{\mathrm{p}}+F_{\mathrm{q}}}, $

(3)

式中，F为截面所受轴力大小，F_p和F_q分别为混凝土结构和钢结构所分担的轴力；σ为截面应力；A为截面面积；η为传力比例。

以承压板位置为原点，将钢梁过渡段及钢格室各分为10段，分别有11个截面。如图 8 (a)所示，钢梁过渡段各钢结构传递轴力的过程中，主要传力构件包括顶板、底板、腹板、U肋及变高度T肋等结构，钢梁过渡段采用在U肋间嵌入变高度T肋的构造，主要作用是通过逐渐增加钢梁截面总的受力面积实现钢梁过渡段处应力沿顺桥向均匀降低。随着变高度T肋截面面积的增加，面板及U肋将轴力逐步缓慢传入T肋中，T肋分担轴力的比例由最初的10.66%逐渐增加至31.96%。表明钢梁过渡段起到了传递顶板、底板及腹板轴力的作用，并且将轴力均匀扩散至承压板上。

由表 2可知，在承压板所在位置，各钢构件分担轴力比例各不相同，承压板分担轴力占比为57.63%，表明承压板为主要传力构件，在钢-混结合段进行设计时应当着重考虑。

如图 8 (b)所示，轴力传递至承压板以后，钢梁承担的轴力显著下降，由原来的100%降至38%左右，其余轴力由结合段混凝土分担，结合段混凝土传递轴力比例提升至62.67%，从承压板至结合段末端，荷载通过剪力钉、PBL剪力连接件和钢板与混凝土之间的摩擦力从钢梁逐渐传递至混凝土，钢格室轴力分担比例均匀稳步下降，逐渐传递至结合段混凝土，混凝土梁段承担的轴力均匀上升至82%，在荷载完全渡过钢-混结合段之后，由结合段部分的结合段混凝土及钢格室钢构件共同受力转变为混凝土梁过渡段单独受力，钢格室所分担的18%轴力全部传递至混凝土梁过渡段。

如图 8 (c)所示，结合段钢结构传递轴力的过程中，主要传力构件包括顶板、底板、腹板、内板以及开孔板等钢结构，从钢梁过渡段开始至承压板，钢梁顶板、底板和腹板传递的轴力比例逐渐减小；结合段内，结合段钢结构通过剪力钉及PBL剪力连接件将荷载逐渐传递至结合段混凝土，直至结合段端部，结合段钢结构仅传递18%的轴力，表明结合段的构造能有效将荷载从钢梁段传递至混凝土梁段。

4 构造参数研究

为改善钢-混结合段的应力集中和刚度过渡不平顺问题，探讨承压板厚度、钢格室顶、底板厚度和混凝土强度等级对钢-混结合段传力性能的影响^[21]。本研究根据有限元计算结果对比分析，应力集中区域在不同参数下的应力变化情况、刚度突变点处的应力突变值变化情况以及结构内部各构件的传力情况，并给出各参数具体取值建议。

4.1 承压板厚度影响性分析

依托工程主梁钢-混结合段承压板厚度为60 mm，针对承压板厚度为40，50，60，70，80 mm的钢-混结合段进行重新建模分析，各厚度承压板自身的最大Von Mises值如图 9所示，当承压板厚度变小时，承压板上的最大应力值会增加，同时应力集中现象也会更加明显，应力分布越不均匀。此外，除了应力集中区域外，承压板上的其他大部分面积的应力水平较低，这不利于内力向混凝土传递，可能会导致混凝土段的应力集中，影响整体结构的传力效果。

由图 10可知，随着承压板厚度的增加，承压板的轴力分担比例略微增加，但轴力分担比例的增加量越来越小，表明承压板的厚度对钢-混结合段整体结构的传力比例影响有限，可以得出结论，增加承压板的厚度可以提高其传递荷载的效率，但是这种效果并不十分明显。

由图 11可知结合段混凝土截面最大拉应力与最大压应力均随着承压板厚度的变化而变化，随着承压板厚度不断减小，结合段混凝土截面最大拉应力与最大压应力不断增大，当厚度为40 mm时，最大拉应力已经超过混凝土轴心抗拉强度标准值，表明混凝土存在破坏的风险，原因在于承压板厚度越小，刚度也越小，承压板变形越大，从而导致混凝土受力更不均匀，局部受压更为严重。因此，建议在承压板的设计时，厚度控制在50~70 mm较为合理。

4.2 钢格室顶、底板厚度影响性分析

依托工程主梁钢-混结合段顶、底板厚度为24 mm，针对顶、底板厚度为16，20，24，28，32 mm的钢-混结合段进行重新建模分析。如图 12所示，钢格室顶、底板厚度的改变不会改变应力沿路径的变化规律，但随着钢格室顶、底板厚度的增加应力突变值越来越大，32 mm的顶、底板应力突变值分别可达到30 MPa和50 MPa，16 mm的顶、底板应力突变值仅为20，30 MPa。随着板厚的增加，承压板处的应力突变情况更为严重，在板厚设计时，在保证安全性的前提下，应当减小钢格室顶、底板厚度与钢梁过渡段顶、底板厚度的板厚差，以适当减弱应力突变对整体结构的影响。

结合段混凝土轴力分担比例如图 13所示，由图可知，随着钢格室顶、底板厚度的增加，结合段混凝土承载的轴力分担比例越来越小，表明结合段混凝土所承受荷载主要来自承压板，而在传递过程中钢构件顶、底板会通过剪力钉的作用继续将一部分荷载传入结合段混凝土中，直至钢格室末端，80%左右的荷载由结合段混凝土传递，在结合段末端16 mm的钢格室顶、底板工况下的混凝土轴力分担比例仅比32 mm工况多出5%左右，表明随着钢格室顶、底板板厚的增加，导致由钢梁过渡段传递至结合段混凝土的荷载比例降低，有利于荷载分散传递至结合段混凝土。因此，综合考虑，将钢格室顶、底板板厚控制在20~28 mm较为合理。

4.3 混凝土强度影响性分析

依托工程主梁钢-混结合段采用C55混凝土，建立结合段混凝土强度分别为C40，C50，C55，C60，C70的钢-混结合段有限元模型。如图 14所示，随着混凝土强度的增加，混凝土梁段顶、底部的顺桥向应力也随之增大，由于其他混凝土强度没有改变，混凝土梁过渡段应力大小基本保持不变，但在结合段混凝土与混凝土梁过渡段相接处的应力突变值有所降低，混凝土强度的增加在一定程度上能改变应力突变的情况。由图 14 (a)可知，C40与C70混凝土顺桥向压应力值相差1 MPa左右，而C40与C70混凝土的抗压强度设计值f_c分别为21.1 MPa与31.8 MPa，混凝土所受压力越大，但压应力增长量远小于抗压强度设计值的增长量，表明混凝土强度越大，结构所具备的安全储备越足。

表 3给出了不同强度混凝土工况下承压板传递轴力比例，可以看出，随着混凝土强度的增大，承压板传递轴力比越大。如图 15所示，在承压板厚度保持不变时，混凝土强度的增加混凝土轴力分担比例也随之增加，表明混凝土轴力传递效率越高。综合考虑混凝土结构的安全性、荷载传递效率以及经济性，采用强度等级为C50~C60的混凝土时较为合理。

5 结论

(1) 钢-混结合段整体结构基本处于受压状态，荷载传递过程中在承压板处以及结合段与混凝土梁过渡段相接处出现应力突变，产生的原因在于荷载传递先有钢构件单独受力，再变为结合段钢构件与结合段混凝土协同受力，最后转变为混凝土梁过渡段单独受力。

(2) 钢梁过渡段结构将轴力均匀扩散至承压板上，承压板作为主要传力构件分担轴力占比为57.38%，且结合段混凝土承受了来自钢梁过渡段62.67%的轴力，结合段钢结构通过剪力钉及PBL剪力连接件能有效将荷载逐渐传递至结合段混凝土。

(3) 综合考虑应力集中问题、刚度突变点处应力突变值变化情况以及结构内部各构件传力情况等因素，此类大跨混合连续梁桥钢-混结合段承压板厚度控制在50~70 mm，钢格室顶、底板板厚控制在20~28 mm，混凝土强度等级为C50~C60较为合理。