有軌電車鋼-混組合曲線梁橋剪力釘受力分析*

劉沐宇 翟志雄 李 倩 何 勇 張 勇

(武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 武漢 430070) (武漢市城建工程有限公司2) 武漢 430015)

0 引 言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)組合梁橋中剪力釘?shù)氖芰μ匦砸呀?jīng)開展了比較多的試驗(yàn)研究和有限元模擬分析[1-4].近幾年，剪力釘數(shù)值模擬分析廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際.趙建等[5]將集束式布置的多個(gè)剪力釘簡(jiǎn)化成一個(gè)等效剪力釘計(jì)算模型進(jìn)行模擬，再根據(jù)群釘?shù)暮奢d分配關(guān)系修正得到實(shí)際結(jié)構(gòu)中受力最大的剪力釘受力狀況；劉沐宇等[6-7]以港珠澳大橋組合梁為工程背景，采用ANSYS軟件建立單跨85 m組合連續(xù)梁橋空間精細(xì)有限元模型，研究了組合連續(xù)梁在剪力釘集束式布置和剪力釘均布式布置兩種方式下受力狀況，以及荷載工況組合作用下剪力釘沿順橋向及橫橋向應(yīng)力分布；黃彩萍等[8]通過剪力釘推出試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析相互驗(yàn)證的方式，找出了合理的鋼-混凝土界面及剪力釘?shù)哪M方法，準(zhǔn)確地模擬了剪力釘推出試驗(yàn)；高增增[9]采用ANSYS有限元軟件，對(duì)無柞軌道結(jié)構(gòu)剪力釘受力特性進(jìn)行了計(jì)算分析.由此可見，對(duì)剪力釘?shù)挠邢拊M，多采用ANSYS有限元軟件，進(jìn)行局部分析，且有關(guān)有軌電車鋼-混組合曲線梁橋剪力釘有限元研究較少，而ABAQUS有限元軟件，以其較強(qiáng)的非線性分析技術(shù)，能精確模擬全橋剪力釘受力特性，這對(duì)鋼-混組合曲線梁橋剪力釘受力特性分析是很有價(jià)值的.

文中采用ABAQUS有限元軟件, 用彈簧單元Springs/Dashpots模擬剪力釘，建立全橋精細(xì)化空間有限元模型，研究四種工況下鋼-混組合曲線梁橋剪力釘沿順橋向和橫橋向的受力特性，明確橋梁曲線半徑對(duì)剪力釘受力影響規(guī)律，分析結(jié)果對(duì)曲線橋梁設(shè)計(jì)與施工具有重要指導(dǎo)作用.

1 工程概況

武漢市東湖國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)有軌電車T2實(shí)驗(yàn)線工程，線路全長(zhǎng)19.192 km，跨武黃高速段采用三跨(49 m+54 m+38 m)鋼-混組合曲線連續(xù)箱梁橋，曲率半徑為150 m.鋼箱梁采用閉合單箱雙室截面，通過均布式剪力釘與混凝土橋面板結(jié)合，其中D6墩采用單鉸支座形式立在路中綠化帶內(nèi)，D7墩采用墩梁固結(jié)形式，其中0～42.5 m為直線段，42.5～141 m為曲線段，見圖1.由于橋梁呈小半徑曲線，橋面板受彎扭復(fù)合作用，剪力釘不僅受順橋向剪力作用，同時(shí)也承受橫橋向剪力，剪力釘受力復(fù)雜.

圖1 主梁縱斷面圖(尺寸單位：mm)

主梁截面采用鋼-混組合箱梁，采用單箱雙室截面，梁高3.2 m，橋面寬8.85 m，鋼箱梁與橋面板采用均布式剪力釘連接，剪力釘直徑22 mm，剪力釘布置見圖2，鋼箱梁中心線處梁高2.8 m，腹板厚20 mm，頂板厚16 mm，底板跨中處厚25 mm，中支點(diǎn)附近加厚到32 mm，固結(jié)墩處腹板、頂板和底板均加厚，主梁橫斷面圖見圖3.

圖2 剪力釘橫斷面布置圖(單位：mm)

圖3 主梁橫斷面圖(單位：mm)

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：①使用年限，橋梁主體結(jié)構(gòu)為100年；②曲率半徑，150 m;③正線數(shù)目及線間距，本橋?yàn)殡p線連續(xù)梁，線間距4.15 m；④軌道：整體道床，高500 mm；⑤車輛型式采用100%低地板鋼輪鋼軌現(xiàn)代有軌電車，近期5模塊(共6軸)，車輛最大軸重125 kN，最小軸重75 kN.對(duì)影響線異符號(hào)區(qū)段，按75 kN計(jì)，見圖4.

圖4 車輛型式(尺寸單位：m)

根據(jù)強(qiáng)度及穩(wěn)定需要，鋼箱梁的頂、底板設(shè)通長(zhǎng)縱向加勁肋，鋼梁腹板設(shè)豎向加勁肋，并每隔1.05 m設(shè)置橫隔板，以保證鋼箱梁穩(wěn)定性.混凝土橋面板寬8.85 m、高0.4 m，采用現(xiàn)澆施工，先澆筑跨中部分，后澆筑支點(diǎn)部分，最后進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉處封錨.

2 建立鋼-混組合曲線連續(xù)梁橋有限元模型

2.1 單元類型的確定

該實(shí)驗(yàn)線工程采用2 140個(gè)實(shí)體單元C3D8模擬混凝土橋面板，用3 704個(gè)桁架單元T3D2模擬預(yù)應(yīng)力筋，預(yù)應(yīng)力通過降溫法生成，該單元能夠傳遞軸力，而鋼筋的抗彎能力對(duì)結(jié)果影響基本可以忽略不計(jì)，將預(yù)應(yīng)力筋通過接觸關(guān)系 “嵌入”結(jié)合在一起；293 825個(gè)板單元S4R模擬鋼箱梁，同時(shí)采用39 210個(gè)彈簧單元Springs/Dashpots模擬剪力釘，以準(zhǔn)確計(jì)算每個(gè)剪力釘?shù)膬?nèi)力，空間精細(xì)有限元模型見圖5～6.

圖5 鋼-混組合曲線箱梁橋精細(xì)有限元模型

圖6 剪力釘全橋分布圖

2.2 模型參數(shù)的確定

材料參數(shù)參考相應(yīng)規(guī)范，曲線鋼-混組合梁橋相應(yīng)材料特性見表1，表2.組合連續(xù)梁剪力釘布置方式采用均布式布置，直徑22 mm，高180 mm，采用ML15鋼，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，得到剪力釘材料參數(shù)見表3.

表1 曲線鋼-混組合梁橋材料特性

表2 預(yù)應(yīng)力束參數(shù)

表3 剪力釘材料特性

2.3 荷載工況的確定

據(jù)武漢T2有軌電車跨武黃高速高架橋周圍環(huán)境與結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，按《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》所列荷載，對(duì)橋梁可能出現(xiàn)的荷載進(jìn)行組合.工況一：自重+二期鋪裝+縱向預(yù)應(yīng)力;工況二：自重+二期鋪裝+縱向預(yù)應(yīng)力+活載(列車荷載+離心力+人群荷載+列車橫向搖擺力);工況三：自重+二期鋪裝+縱向預(yù)應(yīng)力+列車外側(cè)脫軌荷載;工況四：自重+二期鋪裝+縱向預(yù)應(yīng)力+列車內(nèi)側(cè)脫軌荷載.

其中列車荷載，通過對(duì)武漢T2鋼-混組合曲線梁橋平面梁?jiǎn)卧Ｐ?，做移?dòng)荷載分析，得到中跨跨中截面為最不利位置，再按確定的車位進(jìn)行節(jié)點(diǎn)荷載對(duì)稱添加.偏載以脫軌荷載考慮，按照確定的車位，列車集中力直接作用于線路中心線兩側(cè)2.1 m的位置，集中力值取為本線列車實(shí)際軸重的一半.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 順橋向剪力釘受力特性

分析計(jì)算了四種工況作用下，鋼-混組合曲線連續(xù)梁橋順橋向剪力釘剪力分布，見圖7～9.

圖7 曲線外側(cè)腹板頂部剪力釘分布

圖8 曲線中腹板頂部剪力釘分布

圖9 曲線內(nèi)側(cè)腹板頂部剪力釘分布

由圖7a)、圖8a)和圖9a)可知，四種工況作用下剪力釘順橋向剪力整體趨勢(shì)一樣，邊跨在跨中最大，向兩側(cè)支點(diǎn)方向減小，中跨在D6,D7支點(diǎn)兩側(cè)最大，跨中處順橋向剪力為0；在四個(gè)支點(diǎn)處，剪力釘順橋向剪力為0；工況二作用下，剪力釘橋梁順橋向剪力最大，第一跨跨中附近最大為56.65 kN，第三跨跨中附近最大為61.38 kN，順橋向剪力與工況一相比最大相差為12.71 kN.

由圖7b)、圖8b)和圖9b)可知，在直線段，曲線外側(cè)腹板頂部和內(nèi)側(cè)腹板頂部剪力釘都受較小橫橋向剪力，最大為6.42 kN和5.63 kN，而中線剪力釘橫橋向受力為0；在曲線段，中跨在D7墩頂處最大，向D6墩方向減小，第三跨在靠近D7墩處最大，向兩側(cè)支點(diǎn)減小，在工況四作用下，剪力釘橫橋向剪力最大，分別為23.33和22.13 kN.由此可知，由于小曲線對(duì)橋梁的彎扭復(fù)合作用，在直線段，中線剪力釘橫橋向受力為0，在曲線段，剪力釘不僅受順橋向剪力，同時(shí)還受橫橋向剪力，橫橋向最大剪力出現(xiàn)在D7墩兩側(cè)，向兩側(cè)支點(diǎn)減小.

3.2 橫橋向剪力釘受力特性

根據(jù)順橋向剪力釘受力特性分析，選取第一跨最大順橋向剪力橫斷面(下面稱為截面一)和D7墩頂橫橋向剪力最大橫斷面(下面稱為截面二)分析了四種工況作用下，鋼-混組合曲線連續(xù)梁橋剪力釘橫橋向剪力分布特性，見圖10～11.

圖10 截面一剪力釘分布

圖11 截面二剪力釘分布

由圖10可知，在直線段，中線剪力釘受橫橋向剪力為0，腹板曲線內(nèi)側(cè)和外側(cè)橫橋向剪力沿中線對(duì)稱，受力方向相反，且數(shù)值較?。欢槝蛳?，曲線外側(cè)順橋向剪力大于中線，曲線內(nèi)側(cè)剪力最小，其中工況四作用下，順橋向剪力最大，為15.49 kN.

由圖11可知，在曲線段，四種工況作用下剪力釘橫橋向剪力沿腹板曲線內(nèi)側(cè)增大，整體上工況四最大，最大值為23.33 kN，工況三最小，在順橋向則是工況一最大.由上可知，在曲線段，橋梁曲線內(nèi)側(cè)腹板頂部剪力釘橫橋向剪力大于中間，外側(cè)腹板頂部最小，剪力釘橫橋向最大值在D7墩附近，在工況四作用下，曲線內(nèi)側(cè)腹板頂部剪力釘?shù)臋M橋向剪力比外側(cè)大63.6%.

4 結(jié) 論

1) 在四種工況作用下橋梁剪力釘順橋向剪力，在邊跨跨中、 D6和D7支點(diǎn)附近最大，最大值為61.38 kN；剪力釘橫橋向最大值在D7墩附近，為23.33 kN.

2) 與直線段相比，在彎扭復(fù)合作用下，橋梁曲線段的剪力釘不僅受順橋向剪力作用，還受較大橫橋向剪力作用，剪力釘受力復(fù)雜；曲線內(nèi)側(cè)腹板頂部剪力釘?shù)臋M橋向剪力比外側(cè)大，在工況四作用下，兩者相差 63.6%.

3) 在四種工況作用下橋梁最大剪應(yīng)力為66.3 kN，小于文獻(xiàn)[11]中剪力釘抗剪強(qiáng)度，滿足規(guī)范要求.