鐵路鋼-混凝土組合桁架外接式節(jié)點力學(xué)特性研究

蔡　正,周友權(quán)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安　710043)

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鐵路鋼-混凝土組合桁架外接式節(jié)點力學(xué)特性研究

蔡正,周友權(quán)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安710043)

摘要：以新建西安至平?jīng)鲨F路1-80 m組合桁架為工程背景,對外接式鋼-混凝土組合節(jié)點進(jìn)行非線性分析,根據(jù)理論分析結(jié)果,進(jìn)行節(jié)點試件的加載試驗。通過這種理論計算與試驗相互驗證的方法,深入研究外接式節(jié)點的承載能力、破壞形式等力學(xué)特性。分析結(jié)果表明：該類型鋼-混凝土組合節(jié)點能夠滿足工程要求；理論計算結(jié)果與試驗吻合很好,理論計算可用于指導(dǎo)設(shè)計,并且計算結(jié)果滿足工程精度要求。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；鋼-混凝土組合桁架；節(jié)點；非線性分析；力學(xué)特性

1工程概況

西平鐵路后河村特大橋、馬屋涇河特大橋、太峪大橋三座橋梁跨越福銀高速公路。福銀高速公路設(shè)計為雙向四車道，路肩跨度為30 m，由于建筑高度受立交凈空和線路高度控制，經(jīng)多方案比較后，立交方案采用1-80 m鋼-混凝土組合桁架。該鋼-混凝土組合桁梁，計算跨徑80 m，梁長82 m。桁式采用無豎桿三角桁，桁高9 m，節(jié)間距10 m，主桁中心距6.7 m，其成橋后的實景如圖1所示。

圖1　鋼-混凝土組合桁架橋?qū)嵕?/p>

鋼-混凝土組合桁架實際為桁梁與槽形梁的組合結(jié)構(gòu)，上弦桿采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下弦桿采用預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁，腹桿采用鋼質(zhì)桿件。腹桿之間通過與鋼桁梁類似的節(jié)點板進(jìn)行連接，節(jié)點板與混凝土構(gòu)件之間通過PBL鍵進(jìn)行連接。由于組合桁架具有建筑高度低、剛度大[1]、動力特性好[2]、后期養(yǎng)護(hù)維修的工作量小等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外[3-14]都得到重視與發(fā)展。

外接式節(jié)點采用兩塊節(jié)點板用肋板焊接成H形，節(jié)點板一部分埋設(shè)在混凝土弦桿中，外露部分通過高強螺栓與腹桿連接形成整體，為增強鋼構(gòu)件與混凝土的連接，節(jié)點板上開孔并設(shè)置貫通鋼筋。外接式節(jié)點構(gòu)造如圖2所示。

圖2　外接式節(jié)點構(gòu)造示意

2研究方法與內(nèi)容

2.1　研究方法

本橋設(shè)計的關(guān)鍵和技術(shù)難點是節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計，鋼腹桿與上、下弦桿的連接是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，其受力性能對全橋承載能力和跨越能力至關(guān)重要。從受力方面來講，節(jié)點除承受弦桿傳來的軸力外，還承受節(jié)點偏心引起的彎矩和鋼腹桿自身的彎矩及剪力。節(jié)點處內(nèi)力、應(yīng)力分布復(fù)雜，呈明顯的非線性，用常規(guī)的桿系結(jié)構(gòu)分析程序難以了解節(jié)點局部應(yīng)力的復(fù)雜分布狀態(tài)。因此建立三維實體模型，精確模擬節(jié)點的構(gòu)造細(xì)節(jié)，通過非線性分析，了解節(jié)點處應(yīng)力大小和分布規(guī)律，荷載與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系，對節(jié)點區(qū)普通鋼筋的配置及對節(jié)點的設(shè)計優(yōu)化均有指導(dǎo)作用。但是，對這種新型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性部位僅僅通過理論分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，對于鐵路橋梁這種關(guān)系國民經(jīng)濟命脈的結(jié)構(gòu)，必須確保結(jié)構(gòu)的安全性，并且對這一新型結(jié)構(gòu)的安全儲備有比較真實的了解，這就需要通過試驗研究以進(jìn)一步了解節(jié)點區(qū)的受力特性。

因此，通過理論計算與試驗相互驗證的方法，對本組合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域——外接式節(jié)點進(jìn)行詳細(xì)的研究，理論研究是前提，為試驗研究提供前期指導(dǎo)，使得試驗研究有的放矢，找準(zhǔn)關(guān)鍵點；試驗是對理論分析的進(jìn)一步驗證，可以進(jìn)一步了解理論分析中的簡化處理對結(jié)果的影響。

2.2　研究內(nèi)容

由于鋼腹桿與上、下弦桿的連接是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，其受力性能決定了全橋的承載能力，因此研究的關(guān)鍵是節(jié)點區(qū)的力學(xué)特性，研究分為宏觀與微觀兩個層面：宏觀上是研究節(jié)點的開裂荷載與極限破壞荷載，及其節(jié)點處鋼腹桿的屈服荷載，以了解結(jié)構(gòu)的安全儲備；微觀上是研究節(jié)點區(qū)的開裂與破壞性狀，以指導(dǎo)節(jié)點區(qū)的箍筋配置。

本橋位于曲線上，經(jīng)過空間桿件有限元分析，實橋結(jié)構(gòu)主力下最大腹桿軸力為9 000 kN左右，位于曲線外側(cè)端部節(jié)點處。取端節(jié)點作為研究對象，數(shù)值模擬時節(jié)點的邊界條件與原模型完全對應(yīng)，經(jīng)過逐步增量加載，了解節(jié)點的力學(xué)特性。

3理論研究

3.1　模型建立

混凝土、剪力鋼筋和耳板都采用八節(jié)點減縮積分格式的三維實體單元，鋼筋采用三維桁架線性單元，腹桿和鉸接部分采用殼單元。用參考面將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行劃分，使網(wǎng)格合理有效，采用牛頓-拉普森迭代方法進(jìn)行計算。模型中假定混凝土與鋼板粘結(jié)良好，沒有滑移，節(jié)點內(nèi)部混凝土、鋼節(jié)點板、腹桿均采用共節(jié)點處理。鋼筋通過embedded方式嵌入混凝土中，不考慮鋼筋與混凝土二者之間的粘結(jié)滑移，認(rèn)為鋼筋與混凝土完全共同工作。試件的幾何模型按照試件的實際尺寸建立，邊界條件為腹桿底部鉸接，整體有限元模型如圖3所示。

圖3　外接式節(jié)點有限元模型

3.2　材料本構(gòu)模型

混凝土強度等級為C50，擬合的混凝土抗壓強度應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€如圖4所示?；炷帘緲?gòu)模型采用混凝土塑性損傷模型[11]，該模型假設(shè)的兩種主要破壞方式為混凝土受拉開裂和受壓壓潰?；炷恋睦鞆姸炔捎脭嗔涯艿姆椒ㄈ≈担簶O限抗拉強度取為3.1 MPa；拉伸斷裂能取為155 N/m。

圖4　混凝土抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)采用Q345qE，Von Mises本構(gòu)模型是金屬材料中使用較多的材料本構(gòu)模型，比較適合鋼橋的材料非線性分析。本模型在Von Mises本構(gòu)模型基礎(chǔ)上考慮鋼材屈服后材料強化，按照常用的四階段考慮，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線如圖5所示。采用HRB335鋼筋，根據(jù)進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)鋼筋試件拉伸試驗，得出鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。為簡化計算，采用兩段式強化模型，擬合的鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€如圖6所示。

圖5　鋼板拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€圖

圖6　鋼筋拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

3.3　理論分析結(jié)果

對局部模型進(jìn)行桿系有限元分析，得到節(jié)點區(qū)的腹桿軸力與節(jié)點水平變形的力-位移曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，在腹桿軸力到達(dá)20 500 kN之前，荷載與位移基本呈線性關(guān)系，節(jié)點處于彈性工作階段；腹桿軸力超過20 500 kN之后節(jié)點開始進(jìn)入塑性發(fā)展階段，可以認(rèn)為20 500 kN為節(jié)點的屈服荷載；腹桿軸力繼續(xù)增大，由于混凝土裂縫的發(fā)展，節(jié)點剛度下降，但荷載依然增加，彈塑性階段較長，說明節(jié)點具有良好的延性性能；加載到28 800 kN時，節(jié)點未發(fā)生明顯破壞，荷載可持續(xù)增加，可判定節(jié)點的極限承載力大于28 800 kN。相對于腹桿的設(shè)計荷載9 000 kN，屈服荷載為設(shè)計荷載的2.3倍，極限荷載為設(shè)計荷載的3.2(強度安全系數(shù))倍以上，規(guī)范中[12]主力下結(jié)構(gòu)的強度安全系數(shù)最小值為2.2，說明結(jié)構(gòu)的節(jié)點承載力足夠。

圖7　節(jié)點區(qū)荷載-水平位移曲線

腹桿拉壓測點處的荷載-Mises應(yīng)力曲線如圖8所示，從圖中看出在荷載達(dá)到28800kN時，腹桿平均應(yīng)力水平在330MPa作用，小于Q345鋼材的屈服強度，從圖中也可看出荷載-應(yīng)力曲線為線性關(guān)系，腹桿整個加載階段處于彈性工作階段，說明腹桿承載力足夠。

圖8　腹桿荷載-Mises應(yīng)力曲線

4試驗研究

4.1　模型制作與加載

綜合考慮試驗場地的加載能力、試件制作及試驗的預(yù)期目標(biāo)等因素，采用1∶3的模型縮尺比例。模型制作時，充分考慮了節(jié)點區(qū)的受力狀態(tài)相似與幾何相似，以弦桿軸力相似為控制條件。試驗中制作了兩個相同的節(jié)點模型，以減少偶然誤差的影響。由于本橋腹桿間夾角接近60°，因此在弦桿端部施加水平力，就可以在腹桿得到與施加水平力相同的軸力。節(jié)點試驗加載裝置如圖9所示。

根據(jù)前述理論分析結(jié)果，節(jié)點區(qū)的開裂荷載與極限荷載分別為20 500 kN與29 000 kN，對應(yīng)1∶3模型的開裂荷載與極限荷載分別為2 200 kN與3 200 kN。因此，試驗時對構(gòu)件的加載方式為：在0～2 000 kN加載區(qū)間，按400 kN/級進(jìn)行加載；在2 000～3 000 kN加載區(qū)間，按200 kN/級進(jìn)行加載；在3 000 kN破壞，按100 kN/級進(jìn)行加載。按照上述增量加載方式進(jìn)行單調(diào)加載，直到節(jié)點破壞喪失承載能力。

圖9　節(jié)點試驗加載裝置

4.2　荷載位移關(guān)系

將試驗荷載轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的實際結(jié)構(gòu)上的數(shù)值，得到圖10兩個試件的荷載-位移曲線。從圖中看出，兩個試件弦桿自由端的水平位移吻合良好，基本按照同一曲線規(guī)律變化。曲線基本可分為兩個階段，在18 000 kN之前，荷載與位移呈直線變化，節(jié)點處于彈性工作階段，加載過程中節(jié)點各構(gòu)件正常工作，未發(fā)生任何破壞現(xiàn)象及趨勢。加載至18 000 kN以后，曲線斜率發(fā)生改變，節(jié)點進(jìn)入彈塑性工作階段，結(jié)構(gòu)剛度降低。隨著荷載的增加，節(jié)點中混凝土出現(xiàn)開裂，節(jié)點板發(fā)生變形，但本階段荷載-位移曲線基本為直線，結(jié)構(gòu)剛度穩(wěn)定，節(jié)點彈塑性階段較長，延性良好。加載過程中，由于加載裝置意外失效，試件一加載到23 000 kN處終止。在對加載裝置進(jìn)行加強后對試件二進(jìn)行加載，從曲線中看出在彈性階段與試件一完全重合，進(jìn)入屈服之后，其剛度較試件一略大，而極限承載力提高至27 000 kN。

綜合兩個試件的試驗現(xiàn)象及荷載-位移曲線，節(jié)點雖然出現(xiàn)混凝土開裂，節(jié)點板變形等現(xiàn)象，但在9 000 kN設(shè)計荷載水平時，節(jié)點處于完全彈性狀態(tài)，滿足設(shè)計要求；節(jié)點屈服荷載18 000 kN，為設(shè)計荷載的2.0倍；開裂荷載19 800 kN，為設(shè)計荷載的2.2倍；極限荷載為27 000 kN，為設(shè)計荷載的3倍，節(jié)點安全儲備較高。

圖10　試件節(jié)點區(qū)荷載-水平位移曲線

4.3　節(jié)點破壞形態(tài)

混凝土上首條裂縫出現(xiàn)在混凝土弦桿底面和節(jié)點板接觸部位，此時荷載等級為19 800 kN，隨著荷載的增加，該裂縫沒有繼續(xù)發(fā)展。在荷載等級為25 200 kN和27 000 kN時，混凝土上部出現(xiàn)多條的豎向裂縫，并貫穿整個弦桿。在27 000 kN向上繼續(xù)加載時，受拉腹桿連接板的螺栓將節(jié)點板拉斷，試件完全破壞，腹桿的其他部位并未出現(xiàn)明顯的屈服和變形。

因此試件破壞過程為：首先在混凝土弦桿上中部靠后位置出現(xiàn)豎向裂縫，荷載繼續(xù)增加，裂縫也隨之開展，荷載達(dá)到一定等級時，節(jié)點板末端區(qū)域由于壓力過大，出現(xiàn)局部屈曲，荷載繼續(xù)增加，受拉腹桿連接板的拉力過大，而凈截面面積又相對過小，節(jié)點板被撕裂，同時，由于豎向拉桿對混凝土弦桿的約束作用，混凝土弦桿出現(xiàn)貫穿裂縫。節(jié)點的破壞方式為連接受拉腹桿處節(jié)點板撕裂破壞，從中看出節(jié)點板是整個節(jié)點的關(guān)鍵，加強節(jié)點板可有效提高其承載力。

5研究結(jié)論

(1)假定鋼板及鋼筋與混凝土之間連接良好，對組合桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)進(jìn)行局部非線性有限元分析，得出節(jié)點區(qū)的屈服荷載與極限荷載分別為20 500 kN與28 800 kN，相對于9 000 kN的設(shè)計荷載，節(jié)點有足夠的安全儲備。

(2)對1∶3縮尺比的試件進(jìn)行加載，得出節(jié)點區(qū)的屈服荷載、開裂荷載與極限荷載分別為18 000、19 800 kN與27 000 kN，節(jié)點安全儲備很高。

(3)由試驗可知，節(jié)點的破壞方式為連接受拉腹桿處節(jié)點板撕裂破壞，節(jié)點板是整個節(jié)點區(qū)的薄弱點；混凝土裂縫在節(jié)點中心附近均呈豎向分布。對節(jié)點板進(jìn)行加強，并改變縱向鋼筋的數(shù)量或布置形式，可提高節(jié)點的承載能力。

(4)理論分析與試驗吻合良好，計算結(jié)果滿足工程精度要求，理論分析結(jié)果可用于指導(dǎo)設(shè)計。

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Research on Mechanical Characteristics of Steel-Concrete Composite Truss Joints Railway BridgeCAI Zheng, ZHOU You-quan

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：With reference to the 1-80m Xi’an-to-Pingliang Railway composite truss engineering project and based on the external-nonlinear analysis of steel-concrete composite nodes, load tests are conducted on specimens of the node according to the analysis result. Using the method of mutual authentication of theoretical calculation and experiment, in-depth studies are carried out on external nodes bearing capacity, failure mode and other mechanical properties. Analysis results show that such type of steel-concrete composite joints are qualified to meet the requirements of the project; theoretical calculation results agree well with the experimental findings, theoretical calculations can be used to guide the design, and calculation results meet the strict requirements of the project.

Key words：Railway bridge; Composite truss bridge; Node; Non-linear analysis; Mechanical characteristic

中圖分類號：U448.38

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.013

文章編號：1004-2954(2016)02-0062-04

作者簡介：蔡正(1972—)，男，高級工程師，E-mail：1010456891@qq.com。

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題(2008G007-C)

收稿日期：2015-06-18； 修回日期：2015-06-25