鋼－混凝土混合梁接合面受力分析

陳琦

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350012)

主跨為鋼梁，邊跨(或部分伸入主跨)為混凝土梁的結(jié)構(gòu)形式常出現(xiàn)在大跨度斜拉橋(如日本生口橋、法國諾曼底橋、武漢白沙洲長江大橋)和懸索橋(如佛山平勝大橋、福州鼓山大橋)中.該類橋梁由于主跨采用鋼梁，跨度可以較大，邊跨的混凝土梁起到很好的錨固作用且建造成本低［1］.鋼－混接合段應(yīng)保證鋼梁和混凝土梁之間剛度過渡的勻順性和力傳遞的順暢性，是其設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一.但是，由于采用鋼和混凝土兩種不同性質(zhì)的材料，鋼混接合段的截面剛度有較大突變，受力狀態(tài)復(fù)雜，應(yīng)力集中程度高［2－5］.

鋼－混接合段基本上都是由鋼箱梁、混凝土梁和剪力釘三個部分組成，目前國內(nèi)外主要有四種構(gòu)造形式，每種形式各有優(yōu)缺［6］.由于混凝土在鋼箱梁基礎(chǔ)上進行澆注，鋼與混凝土間發(fā)生相對滑動之前，存在水泥凝膠體和鋼板接觸面之間的化學(xué)膠結(jié)力以及粗糙不平的鋼板表面和混凝土之間的機械咬合力，當(dāng)剪力超過粘結(jié)力時，接觸面發(fā)生相對滑移，剪力才由鋼與混凝土之間摩阻力和剪力釘來承受.在接合面設(shè)計中，一般忽略粘結(jié)力、機械咬合力及鋼混接合面的接觸效應(yīng)，認(rèn)為剪力由剪力釘均勻承受.這樣的假定，對于整體結(jié)構(gòu)的受力而言，影響是可以忽略的，但接合面的摩擦力在剪力傳遞中起的作用，以及剪力在剪力釘群中的分布，對剪力釘?shù)牟贾镁a(chǎn)生影響.因此，對鋼混接合面進行分析，研究接觸摩擦應(yīng)力對接合面受力的影響以及剪力在剪力釘群中的分布，對于鋼－混接合段剪力釘?shù)脑O(shè)計具有重要意義.

1 非線性接觸

鋼－混接合段兩接觸面是緊壓密貼關(guān)系，應(yīng)采用非線性接觸有限元方法進行分析.接觸問題是一種高度非線性行為，接觸物體不可相互侵入，當(dāng)表面發(fā)生接觸時，在接觸面之間一般傳遞切向力和法向力.本文采用ABAQUS［7］中面－面接觸非線性(剛體－柔體接觸)，選用IDCOUP3R作為面－面接觸單元，以混凝土梁端承壓面為主面(剛性面)，鋼梁端承壓板為從面(柔性面)，主從面之間采用“硬”接觸(即主從面間隙為0時，從屬面上的節(jié)點不能侵入主控面，主從面分離時，接觸解除)，主從面發(fā)生滑動時采用小滑動接觸算法，切向力采用庫倫摩擦模型.庫倫摩擦是用來描述接觸面之間相互作用的摩擦模型，應(yīng)用摩擦系數(shù)μ來表征在2個表面之間的摩擦行為，該模型中接觸面剪應(yīng)力達到一個臨界值前，切向運動一直為0，而臨界剪應(yīng)力取決于法向接觸壓力即τcrit=μP(P是兩表面間的接觸壓力)，直到接觸面間的剪應(yīng)力等于摩擦剪應(yīng)力的極限值μP時，接觸表面才會滑動(相對滑動)，同時摩擦力的數(shù)值不能超過材料的抗剪強度［8－10］.

圖1 大橋鋼－混接合段(單位:mm)Fig.1 Steel－ concrete joining section(unit:mm)

2 工程背景

某大橋為一座獨塔自錨式懸索橋，主跨為鋼箱梁(150 m+235 m)，其他梁段為混凝土箱梁.該橋的混凝土梁體伸入主跨一部分，鋼混接合面在橋墩附近.過渡段鋼箱梁頂板厚14 mm，底板厚12 mm，采用“U”肋上“T”型加勁式加強，橫梁腹板、隔板及內(nèi)外縱腹板厚均為16 mm;鋼箱梁頂板和底板均深入混凝土梁1 800 mm，設(shè)有剪力釘與混凝土連接，在深入混凝土1 200 mm且與內(nèi)外縱腹板對應(yīng)處設(shè)有底板支撐板.北岸接合段混凝土梁體端部為400 cm厚的混凝土實體(除中部有4個直徑為100 cm的過人孔外)，鋼梁和混凝土梁間設(shè)厚度為70 mm的鋼板作為承壓板，通過剪力釘和縱向預(yù)應(yīng)力與混凝土梁連接.鋼－混接合段結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1.

選用該橋北岸鋼混接合段進行分析，分析區(qū)域尺寸:縱橋向×橫橋向×豎向=17.5 m×42 m×3.5 m，模型分析區(qū)域及荷載布置如圖2所示，荷載條件見表1.

圖2 分析區(qū)域及荷載布置圖Fig.2 Analysis zone and load arrangement

表1 荷載條件Tab.1 Load condition

3 模型的建立

采用通用大型有限元程序ABAQUS建模，計算模型除沒有考慮橫橋向坡度的影響外，其余均按實際尺寸建模.混凝土均采用實體單元，分為兩個部分，鋼與混凝土接合段形狀規(guī)則，采用六面體單元C3D8R，混凝土箱梁形狀不規(guī)則，采用四面體C3D4.鋼箱梁部分采用殼單元，根據(jù)板件規(guī)格與單元劃分的難易，采用了S4R、S3R、Stri65、S8R單元.剪力釘采用同尺寸的梁單元B31，剪力釘?shù)囊欢斯?jié)點與端承板貼在一起，剪力釘(除與端承板相連的節(jié)點外)采用imbed埋在接合段的混凝土中;施加荷載的墊板采用剛度無窮大實體剛性單元;鋼端承板與混凝土間設(shè)置剛性接觸單元IDCOUP3R.模型共有80 588個單元.

鋼材采用Q345，容重為78.5 kN·m－3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3;混凝土采用C50，混凝土容重為26 kN·m－3，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.2.為了便于分析，將B－B截面設(shè)為固定端，荷載考慮了成橋狀態(tài)的設(shè)計荷載，包括A－A截面的軸力、剪力、彎矩，支座反力，吊桿軸力，聚索點的壓力以及模型的自重.假設(shè)分析區(qū)梁節(jié)段結(jié)構(gòu)為均質(zhì)彈性體，對模型進行彈性分析.

為了探討接觸摩擦應(yīng)力對接合段受力的影響，建立三個模型:一是鋼－混接合面建立面－面接觸單元，但摩擦系數(shù)為0，同時不考慮預(yù)應(yīng)力的影響;模型二假定接觸面為標(biāo)準(zhǔn)的單向接觸(摩擦系數(shù)為0.6)，仍不考慮預(yù)應(yīng)力的影響;模型三既考慮摩擦影響也設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋.

4 計算結(jié)果分析

4.1 接觸面

圖3給出了模型1混凝土梁端接合面法向壓應(yīng)力分布情況.從圖3可知，在上下面板以及加勁肋附近壓應(yīng)力較大，遠離這些板件地方，壓應(yīng)力很小，甚至為0.這是因為自錨式懸索橋的梁受到較大的壓力，而鋼－混結(jié)合段一般選在彎矩較小處，梁作為壓彎構(gòu)件，但仍全截面受壓.在接合面上，縱向壓力通過上下面板和加勁肋傳給端承板，由于鋼箱梁端承板厚度方向剛度有限，在與上下面板和加勁肋連接處附近與混凝土箱梁充分接觸，而遠離這些板件地方甚至沒有接觸上.從圖3可知，接觸面上最大法向壓應(yīng)力為3.69 MPa，沒有超過混凝土抗壓強度設(shè)計值，模型2的法向壓應(yīng)力與模型1幾乎相同，模型3稍大(模型3中由于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的預(yù)壓力與橋梁產(chǎn)生的壓力具有數(shù)量級上差距，故對接觸面上壓應(yīng)力影響不大).可見，該橋主梁軸向壓力在接合面?zhèn)鬟f是有效的.

圖3 模型1鋼－混接觸面壓應(yīng)力Fig.3 Pressure stress of steel－ concrete interface in model 1

圖4給出了模型3混凝土梁端接合面豎向剪應(yīng)力分布情況(模型1、2也基本相同)，由圖4可知:上下面板附近的剪力大，中部小(除個別預(yù)應(yīng)力施加點)，這主要是因為上下面板附近的壓應(yīng)力大(見圖3)，剪應(yīng)力也大.從接觸面上的摩擦力合力來看，模型2為62.32 kN，占該截面總剪力的3.31%;模型3為63.96 kN，占該截面總剪力的3.39%.可見，接觸面上的摩擦阻力承擔(dān)了部分截面剪力的傳遞，降低了剪力鍵的剪力.但在本工程中，由于接合面受壓且變形較小，所以摩擦力承擔(dān)的剪力比例較小.

圖4 模型3鋼－混接觸面剪應(yīng)力Fig.4 Pressure stress of steel－ concrete interface in model 3

圖5給出了模型3混凝土梁端接合面上的粘結(jié)滑移狀態(tài)(模型1、2也基本相同).從圖5可知:上下面板附近出現(xiàn)較大的黏住區(qū)域，中部出現(xiàn)較大的滑移甚至脫離的區(qū)域，這主要是因為上下緣均設(shè)置預(yù)應(yīng)力且上下鋼面板均伸入混凝土梁，使上下受到壓力較大(如圖3)，臨界剪應(yīng)力也大，沒有發(fā)生滑移;中部區(qū)域由于壓力小和鋼板變形，臨界剪應(yīng)力也小，發(fā)生滑移甚至脫離.從接合面的最大滑移量來看，三個模型均較小，模型1為0.018 89 mm，模型2為0.019 17 mm，模型3為0.019 1 mm.可見，該連接方式能保證鋼與混凝土的可靠連接.

圖5 模型3鋼－混接觸面滑移狀態(tài)Fig.5 Status of steel－ concrete interface in model 3

4.2 剪力釘

由圖6、圖7可知，同一列的剪力釘承受的豎向剪力值呈U型分布，也就是接近上下面板的剪力釘比中間的剪力釘承受大得多的剪力.該結(jié)論與文獻［8］一致.但實際工程中基本上均假定剪力釘均勻受剪.筆者認(rèn)為:由于強大軸力的存在，鋼梁存在垂直軸力方向變形，使剪力釘受剪，隨著離中和軸越遠，變形越大，剪力釘受到剪力越大，同時豎向剪力較小，所以剪力釘受力仍基本呈U型.

由圖6、圖7還可以看出，鋼－混接合面3種不同的模擬方式，剪力釘內(nèi)力分布規(guī)律基本一致;相比不考慮接觸的模型1的計算結(jié)果，模型2、3剪力釘內(nèi)力有所減少，但幅度不大.

圖6 中間列剪力釘剪力分布圖Fig.6 Shear of stubs in middle column

圖7 邊列剪力釘剪力分布圖Fig.7 Shear of stubs in edge column

4.3 鋼箱梁

圖8給出了模型3的鋼箱梁橋面板縱應(yīng)力分布情況.從圖8可知，除翼緣(此處鋼與混凝土箱梁剛度相差較大)和吊桿位置處有一定應(yīng)力梯度外，其余區(qū)域應(yīng)力較為均勻.從圖9可知，底板受拉，應(yīng)力較面板更均勻.可見，接合面剛度過渡較勻順、傳遞較順暢.此外，上下面板均存在剪力滯現(xiàn)象，但不明顯，這主要是因為懸索橋的豎向荷載大部分由吊桿傳給索，接合面承擔(dān)的彎矩和剪力不大，而軸向壓力較大，起主導(dǎo)作用.

模型1、2底板和面板應(yīng)力大小、分布規(guī)律與模型3基本一致.3個模型中混凝土箱梁受力均勻，分布規(guī)律基本相同.可見，是否考慮預(yù)應(yīng)力和接觸面摩擦力對混凝土箱梁和鋼箱梁受力情況影響不大.

圖8 模型3鋼箱梁橋面板縱向應(yīng)力Fig.8 Longitudinal stress of decks of steel box girder in model 3

圖9 模型3鋼箱梁橋底板縱向應(yīng)力Fig.9 Longitudinal stress of bottom slab of steel box girder in model 3

5 結(jié)論

由于影響鋼－混接合面的化學(xué)膠結(jié)力和機械咬合力的因素很多又缺乏試驗數(shù)據(jù)，其數(shù)值難以確定，在分析過程中沒有考慮.但通過對鋼－混接合段考慮接合面接觸摩擦應(yīng)力的分析，可以得到以下結(jié)論:

1)本工程采用的鋼混凝土接合段位置、構(gòu)造形式、傳力均較合理，沒有明顯的應(yīng)力突變現(xiàn)象.

2)考慮鋼－混接合－面接觸效應(yīng)，對鋼箱梁和混凝土箱梁的應(yīng)力分布影響不大，剪力釘內(nèi)力分布規(guī)律基本不變，內(nèi)力數(shù)值有一定的減小.

3)考慮鋼－混接合面接觸后，接合面的剪力由接觸摩擦力和剪力釘共同承受，但摩擦力占的比例較小.

4)由于鋼梁存在垂直軸力方向變形，接合面的剪力釘離中和軸越遠受到的豎向剪力越大，實際應(yīng)用中應(yīng)加以重視.

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