混合梁斜拉橋結(jié)合段加勁過渡區(qū)受力機(jī)理分析

■吳江鴻

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004）

混合梁斜拉橋結(jié)合段加勁過渡區(qū)受力機(jī)理分析

■吳江鴻

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004）

為揭示混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段加勁過渡區(qū)承載能力及破壞機(jī)理，以鋼梁加勁過渡段局部模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立考慮殘余應(yīng)力、初始缺陷等因素的鋼梁加勁過渡區(qū)非線性計(jì)算模型，模擬分析過渡區(qū)應(yīng)力集中和屈曲等受力特點(diǎn)。通過比較有限元計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，表明采用A NS Y S建立殼單元有限元模型能夠較好地模擬加勁過渡區(qū)的承載性能；基于加勁過渡區(qū)受壓數(shù)值模擬分析，認(rèn)為其破壞過程是局部剛度削弱引起屈曲，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加勁過渡區(qū)整體屈曲發(fā)生。

混合梁結(jié)合段加勁過渡區(qū)受力機(jī)理有限元

1 序言

混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)體系具有方便架設(shè)、保證支座不產(chǎn)生負(fù)反力、提高邊跨剛度、有效控制主梁豎向變形、減少斜拉索疲勞影響等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。結(jié)合段處是混合梁剛度的突變點(diǎn)，大橋需要通過混合梁結(jié)合段來實(shí)現(xiàn)剛度的平穩(wěn)過渡。若設(shè)計(jì)不當(dāng)則容易造成剛度的跳躍，產(chǎn)生變形突變和折角，出現(xiàn)橋面行車不平順、跳車等現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生沖擊荷載對(duì)結(jié)合段及其附近鋼箱梁和混凝土箱梁的橋面系造成局部破壞。

鋼混結(jié)合段主要包括鋼梁加勁過渡段、鋼混結(jié)合部、混凝土梁加強(qiáng)過渡段三部分組成。鋼梁加勁過渡段一般由母板、后承壓板、U肋、復(fù)合加勁肋、橫隔板等組成。其目的在于將來自橋面板較大的軸力擴(kuò)散至全截面，達(dá)到整個(gè)結(jié)構(gòu)的傳力平順。劉榮[2]通過有限元計(jì)算模擬3種鋼梁加勁過渡段形式，對(duì)傳統(tǒng)復(fù)合加勁肋力學(xué)性能進(jìn)行比較，探討了復(fù)合加勁端部應(yīng)力集中特點(diǎn)。辛灝輝[3]對(duì)2種新型加勁過渡段進(jìn)行模型試驗(yàn)，揭示了其復(fù)合加勁端部局部屈曲的發(fā)生機(jī)理。

本研究以實(shí)橋混合梁鋼混結(jié)合段尺寸為基礎(chǔ)，開展鋼梁過渡段1∶2縮尺的承載性能模型試驗(yàn)，并通過有限元建模研究鋼梁加勁過渡段端部的受力機(jī)理、破壞模式及承載能力。

2 加勁過渡段模型試驗(yàn)

最近建設(shè)的幾座混合梁斜拉橋?yàn)榱藴p少鋼梁加勁過渡段端部的應(yīng)力集中，一般將焊接在U肋上的T肋在端部改為板肋。模型試件如圖1所示，試件母板長(zhǎng)1720mm，寬1040mm，厚10mm。U型加勁肋通長(zhǎng)加勁，厚4mm。變高度T型加勁肋加勁長(zhǎng)1000mm，豎板橫板厚均為12mm。為改善突變截面的應(yīng)力集中現(xiàn)象，T肋豎板前端延長(zhǎng)300mm。

圖1 模型試件構(gòu)造及尺寸（單位：mm）

圖2模型試件

圖2 為模型試件，在后承壓板開洞并使用螺栓固定在試驗(yàn)臺(tái)底部，前承壓板與試驗(yàn)臺(tái)作動(dòng)器連接。圖3為加載示意圖，采用電液伺服協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)分級(jí)加載，并記錄結(jié)構(gòu)荷載位移曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)。原橋在最不利工況下（成橋恒載+公路I級(jí)活載及人群荷載+溫度作用+沉降作用），結(jié)合段截面軸力約在150000kN。由于模型僅包含三根肋且設(shè)計(jì)相對(duì)偏安全，模型構(gòu)件對(duì)應(yīng)的2.5倍設(shè)計(jì)荷載約為2000kN。故試驗(yàn)加載在2000kN以下采用力控制，2000kN以上采用位移控制加載。

圖3 加載示意圖

3 有限元模型及比較分析

3.1 模型建立

采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行有限元模擬，使用可以考慮彈塑性本構(gòu)、大變形大位移的SHELL181建立殼單元模型。構(gòu)件網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖4所示。單元尺寸為板件厚度的3～4倍，滿足結(jié)構(gòu)受力分析要求。與作動(dòng)器連接的頂部建立剛域，施加分布加載的位移荷載，并約束水平方向自由度。底部單元節(jié)點(diǎn)約束三個(gè)方向自由度，以模擬構(gòu)件底部與結(jié)構(gòu)固結(jié)。

圖4 有限元模型建立及邊界條件

鋼材材料性質(zhì)測(cè)試結(jié)果如表1所示。以測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型引入材料的本構(gòu)關(guān)系。

表1 鋼材材料性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

有限元計(jì)算中引入殘余應(yīng)力及初始缺陷，殘余應(yīng)力分布依照FHWA取值[4][5]，如圖5所示。殘余壓應(yīng)力取值為0.25fy，殘余拉應(yīng)力取值fy，且滿足截面自平衡。初始缺陷依照歐洲規(guī)范Eurocode3[6]，采用有限元一階彈性屈曲模態(tài)，對(duì)應(yīng)彈塑性計(jì)算取值為板寬1/150。

圖5 殘余應(yīng)力分布

3.2 與試驗(yàn)結(jié)果的比較分析

圖6是模型試件在軸向力作用下荷載-位移曲線。試件受壓過程共分成3個(gè)節(jié)段，分別是彈性受力階段、彈塑性受力階段和承載力下降段。三個(gè)階段的剛度逐漸變化，在彈性受力階段和彈塑性受力階段，試件剛度與試驗(yàn)結(jié)果相近。

試件的承載力Pu在3890kN，為0.78Py，有限元計(jì)算承載力與試驗(yàn)值誤差在2.3%。其中P為結(jié)構(gòu)受壓承載力，Py為結(jié)構(gòu)最薄弱截面全截面受壓屈服的理論承載力。

圖6模型試件荷載-位移曲線比較

圖7 是試件受壓破壞模態(tài)，試件出現(xiàn)了較為明顯的局部屈曲和整體屈曲。在試驗(yàn)過程中，由于局部屈曲與整體屈曲的發(fā)生時(shí)間相近，無(wú)法比較先后關(guān)系。局部屈曲的位置在復(fù)合T肋加勁的末端，整體屈曲出現(xiàn)的彎折也在此附近。U肋頂面與側(cè)板均出現(xiàn)局部屈曲，頂面內(nèi)凹，側(cè)板外凸。試件在T肋延長(zhǎng)段末端出現(xiàn)整體屈曲，彎折明顯。對(duì)比屈曲發(fā)生的位置及趨勢(shì)，有限元的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均吻合。

4 加勁過渡區(qū)受力機(jī)理分析

鋼混結(jié)合段加勁過渡區(qū)在加載初期處于彈性受力階段，剛度保持不變，結(jié)構(gòu)的承載力是與結(jié)構(gòu)的軸向位移成正比，達(dá)到構(gòu)件的彈性承載力Pe在0.45Py左右。

加勁過渡區(qū)應(yīng)變狀態(tài)如圖8所示，隨著荷載繼續(xù)增加，加勁過渡區(qū)進(jìn)入彈塑性受力階段。塑性應(yīng)變最早產(chǎn)生自過渡區(qū)突變截面，位于T型加勁板豎板的延長(zhǎng)前端。此處過渡區(qū)U肋截面由于應(yīng)力集中和一定的初始缺陷，含有殘余壓應(yīng)力的部分截面進(jìn)入屈服，導(dǎo)致截面剛度下降。此階段過渡區(qū)斜率逐漸降低，加勁過渡區(qū)剛度不斷下降，達(dá)到加勁過渡區(qū)的彈性承載力Pu≈0.78Py。當(dāng)結(jié)構(gòu)承載力到Pu時(shí)，突變截面全截面進(jìn)入塑性，突變截面以上的母板區(qū)域出現(xiàn)較大塑性區(qū)。由于應(yīng)力集中，位于U肋頂面的塑性區(qū)塑性發(fā)展最大。

圖7 試件破壞模態(tài)

圖8 加勁過渡區(qū)塑性應(yīng)變狀態(tài)

為進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變隨承載力的發(fā)展，加勁過渡區(qū)各板件位于突變截面處的塑性應(yīng)變隨荷載變化如圖9所示。

加勁過渡區(qū)受壓的塑性發(fā)展可分為三部分：即（1）承載力達(dá)到Pe后，構(gòu)件U肋頂面塑性應(yīng)變逐漸增加；（2）在承載力增至0.6Py時(shí)，含有殘余壓應(yīng)力的母板板件塑性應(yīng)變逐漸發(fā)展；（3）達(dá)到Pu后，母板各塊板件塑性變形迅速發(fā)展，U肋頂面塑性應(yīng)變基本已不再發(fā)展。

通過塑性應(yīng)變發(fā)展可知，在承載力上升段，剛度削弱分成兩次：第一次是U肋頂面進(jìn)入塑性；第二次是含殘余壓應(yīng)力的母板進(jìn)入塑性。在承載力上升過程中，U肋的屈曲逐漸發(fā)展；而母板的屈曲發(fā)生在承載力的下降過程中。

圖10為各部分板件屈曲位移隨受壓荷載變化的曲線。荷載到達(dá)Pu，由于局部缺陷的影響引起變截面處U肋局部屈曲，U肋側(cè)板面外位移反向增大。母板面外位移在達(dá)到Pu前較小，當(dāng)U肋加勁效果因屈曲降低后，母板承擔(dān)比例增加，面外位移迅速增大，最終引起朝向U肋方向的整體屈曲。

圖9 板件塑性應(yīng)變隨荷載的變化

圖10 板件屈曲位移隨荷載的變化

5 結(jié)論

（1）基于ANSYS有限元模擬混合梁結(jié)合段加勁過渡區(qū)，計(jì)算極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果誤差為2.3%，剛度變化趨勢(shì)與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相近，破壞形態(tài)與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。

（2）加勁過渡區(qū)破壞原因是應(yīng)力集中導(dǎo)致含有殘余壓應(yīng)力與初始缺陷的U肋頂面及側(cè)面的局部屈曲，削弱了截面剛度，在模型進(jìn)一步承載過程中，受力偏心導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體屈曲發(fā)生。

（3）加勁過渡區(qū)剛度削弱其原因一是因?yàn)閺?fù)合T肋延長(zhǎng)板導(dǎo)致U肋截面應(yīng)力集中，塑性變形最先發(fā)生在U肋頂面及側(cè)面；二是因?yàn)槟赴搴袣堄鄩簯?yīng)力板件進(jìn)入塑性，最終母板與U肋均發(fā)生局部屈曲并喪失剛度。

[1]劉玉擎.混合梁接合部設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[J].世界橋梁,2005（4）:9-12.

[2]Liu Rong,Liu Yuqing.Analysis of auxiliary ribs in steel–concrete joint of hybrid girder[J].Journal of Constructional Steel Research. 2015,112:363-372.

[3]Xin Haohui,Liu Yuqing,He Jun,Zhang Youyou.Experimental and analytical study on stiffened steel segment of hybrid structure[J].Journal of Constructional Steel Research.2014,100:237-258.

[4]肖維思,王佳,劉玉擎,黃李驥.高強(qiáng)度U肋加勁鋼板殘余應(yīng)力測(cè)試及模擬分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,44（11）:1645-1652.

[5]Department of Transportation Federal Highway Administration（FHWA）.（2012）.Manual for Design,Construction,and Maintenance of Orthotropic Steel Deck Bridges,No.FHWA-IF-12-027.

[6]European Committee for Standardization,（2005）.Eurocode 3:Design of steel structure–Part 1–5:Plated Structural Elements,Brussels,EN 1993-1-5.