混合連續(xù)梁橋主梁鋼—混結(jié)合段受力性能分析

付濤宋明康郟建樹高朝彪

(山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟南250101)

0 引言

對于多跨連續(xù)梁橋，其邊跨一般為中跨的0.6～0.8倍，當(dāng)采用箱型截面的多跨連續(xù)梁時，邊孔跨徑可以減少為中孔跨徑的0.5～0.7倍[1]。對于為滿足城市橋梁和跨線橋的交通需求而需要增大中孔跨徑的特殊情況，當(dāng)設(shè)計邊孔跨徑與中孔跨徑的比值＜0.5倍時，會在邊跨橋臺頂端支座處產(chǎn)生較大的負(fù)反力，從而限制了橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[2]。近年來，針對連續(xù)梁橋邊跨和中跨比值過小而在邊跨橋臺頂端支座處產(chǎn)生負(fù)反力的情況，混合連續(xù)梁橋作為一種新型組合結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，鋼—混凝土混合連續(xù)梁橋完美結(jié)合了2種材料的優(yōu)點，充分發(fā)揮了鋼材跨越能力較大和混凝土材料壓重作用的特性，使其受力性能、技術(shù)經(jīng)濟效益、跨越能力及成橋效果均優(yōu)于采用單一材料的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)[3]。1996年建成通車的主跨為590 m的上海徐浦大橋，為我國首座采用混合梁結(jié)構(gòu)的斜拉橋；1997年建成公鐵兩用的主跨為430 m的香港汲水門大橋，為混合梁斜拉橋；而后又相繼建成的主跨為618 m的武漢白沙洲長江大橋以及主跨為330 m的連續(xù)剛構(gòu)橋重慶石板坡長江大橋[4]均采用了鋼—混凝土混合梁結(jié)構(gòu)形式?；旌线B續(xù)梁橋主梁鋼—混結(jié)合段構(gòu)造繁瑣且受力復(fù)雜[5]，是確保鋼與混凝土結(jié)合牢固、可靠的重要構(gòu)件，是混合連續(xù)梁橋設(shè)計成敗的關(guān)鍵[6]。

為了解鋼—混結(jié)合段受力特點，對其進行受力性能分析，以期為同類結(jié)構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用提供可靠依據(jù)。文章以某三跨變截面混合連續(xù)梁橋為研究背景，主橋跨徑布置為(50+140+50)m，全長為240 m。由于該橋跨越鐵路的交通需求，為保證橋下鐵路的通行條件，降低主梁建筑高度，需要增加中跨跨徑，采用了混合連續(xù)梁橋設(shè)計方案，邊跨與中跨的跨徑比值為0.36。大橋中跨中部采用鋼箱梁，中跨兩側(cè)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，為單箱雙室截面，采用現(xiàn)澆C55混凝土，梁高按二次拋物線變化，在位于中跨距離邊支座中心線3.8 m處，通過設(shè)置鋼—混結(jié)合段使鋼箱梁與混凝土箱梁成為連續(xù)結(jié)構(gòu)體系。

1 混合連續(xù)梁橋主梁鋼—混結(jié)合段設(shè)計與構(gòu)造

鋼—混結(jié)合段是連接鋼箱梁與混凝土箱梁的重要結(jié)構(gòu)，是混合梁橋結(jié)構(gòu)中材料和剛度的突變點[7]。鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件的受力性能、兩者之間力的傳遞情況、結(jié)合面之間的協(xié)同工作性能和剪力釘?shù)倪B接作用是影響鋼—混結(jié)合段可靠性的重要因素[8]。大橋主梁鋼—混結(jié)合段采用“PBL剪力鍵(開孔板連接件)+鋼格室”的后承壓板構(gòu)造形式，結(jié)合段范圍總長為10.7 m，其中鋼與混凝土互相咬合段為2 m、鋼箱梁過渡段為5.75 m、混凝土過渡段為2.95 m。截面軸力和彎矩通過鋼隔室承壓板、PBL剪力鍵及鋼板與混凝土的摩擦力傳遞，剪力和扭矩主要通過結(jié)合面端部剪力釘傳遞。由于鋼箱梁與混凝土箱梁的截面特性相差較大，使結(jié)合段兩側(cè)的剛度變化顯著，為了實現(xiàn)剛度過渡的效果，結(jié)合段結(jié)合面鋼箱梁側(cè)過渡段采用帶變高度T形加勁肋的U形加勁進行過渡。結(jié)合面混凝土梁側(cè)的過渡段采用變化頂、底、腹板的厚度進行剛度過渡，結(jié)合段通過鋼箱梁加強段與鋼箱梁連接。同時在鋼主梁與混凝土梁之間設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，使之有良好的整體性，并可以平衡運營期活載效應(yīng)。另外，混凝土箱梁內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋伸入結(jié)合段，與PBL板孔內(nèi)的貫穿鋼筋相互綁扎焊接[9]。鋼—混結(jié)合段構(gòu)造如圖1所示。

該橋在鋼—混結(jié)合段的頂板、底板及腹板上均設(shè)置鋼隔室，鋼隔室是鋼—混結(jié)合段的關(guān)鍵部分，鋼隔室腹板上開有Φ70 mm圓孔，腹板剪力板上開有Φ80 mm圓孔，并穿過Φ20 mm HRB400鋼筋與進入圓孔的混凝土包裹在一起形成PBL剪力鍵。根據(jù)國內(nèi)外多次剪力鍵的推出實驗研究[10-14]表明:相比抗剪焊接銷釘，PBL剪力鍵具有承載力高、抗疲勞性能好、延性好、方便施工、加工制造簡單和造價經(jīng)濟等優(yōu)點，所以，鋼—混結(jié)合段采用PBL剪力鍵在很大程度上改善了結(jié)合段的力學(xué)性能，將鋼箱梁截面上的軸力及彎矩荷載傳遞到混凝土中去，使鋼箱梁截面應(yīng)力得到分散。

同時，為使鋼隔室與混凝土更緊密的結(jié)合，在鋼隔室與混凝土相貼的頂板、底板和承壓板均設(shè)置高為80 mm的Φ22 mm電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘，材質(zhì)為ML15，承壓板上的剪力釘起到豎向抗剪的作用，圓柱頭焊釘是目前應(yīng)用最廣泛的抗剪連接件[15]，具有抗剪承載能力高、施工速度快等優(yōu)點。在格室上角點及適當(dāng)位置設(shè)置排氣孔，在下角點預(yù)留壓漿孔。為保證結(jié)合段中混凝土在澆筑時能夠自由流動，在鋼格室頂板上開設(shè)澆注孔，隔板上設(shè)置連通孔。

圖1 鋼—混結(jié)合段構(gòu)造圖/cm

2 鋼—混結(jié)合段局部應(yīng)力數(shù)值分析模型

2.1 計算模型

在保證分析精度的前提下提高計算效率，首先采用Midas/Civil建立全橋的空間桿系有限元模型，分析荷載組合為“恒載+公路Ⅰ級+混凝土收縮+混凝土徐變+支座沉降+溫度”，計算大橋在施工階段及使用階段的最不利內(nèi)力，彎矩以截面下緣受拉為正，受壓為負(fù)；剪力以結(jié)構(gòu)段按順時針轉(zhuǎn)為正，逆時針轉(zhuǎn)為負(fù)；軸力以受拉為正，受壓為負(fù)；扭矩正負(fù)按右手螺旋法則確定。在ANSYS整體坐標(biāo)系下，計算得到x向剪力、彎矩分別為17.25 kN、94 441 kN·m；y向剪力、扭矩分別為2 368 kN、8 369 kN·m；z向軸力、彎矩分別為-35 098 kN、826 kN·m。

采用ANSYS軟件建立鋼—混結(jié)合段空間板殼和實體單元相結(jié)合的有限元計算模型，通過給預(yù)應(yīng)力鋼筋施加初始張拉應(yīng)力，使其作用在結(jié)構(gòu)上，分析彈性體的應(yīng)力狀態(tài)。模型中為了盡可能真實的模擬主梁鋼—混結(jié)合段的受力情況，消除邊界條件及加載對結(jié)合段的影響，取與其相連接的混凝土箱梁、鋼箱梁加強段、鋼箱梁和結(jié)合段4部分作為計算分析對象，建模全長為 21.7 m，其中混凝土箱梁為9.95 m，鋼箱梁加強段為3.75 m，鋼箱梁部分為6 m，結(jié)合段部分為2 m。

建模過程中，假定結(jié)合段部分頂面和底面為剛性，截面變形過程中遵循平截面假定。忽略鋼板和混凝土之間的粘結(jié)滑移，即鋼板與混凝土協(xié)同受力和變形，作為結(jié)構(gòu)的安全儲備，混凝土與鋼板通過PBL剪力鍵和剪力釘連接受力。建模過程中忽略普通鋼筋的影響，只考慮縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的作用，同時考慮了預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力損失。

2.2 單元的選擇與劃分

采用ANSYS有限元軟件建立實體單元與空間板殼單元相結(jié)合的模型，混凝土梁段采用實體單元soild65，該單元具有8個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度；鋼箱梁橋面板、加勁肋、頂?shù)装?、腹板及承壓板等鋼板?gòu)件采用shell63殼單元模擬，單元每個節(jié)點有6個自由度；預(yù)應(yīng)力鋼束采用link180有限應(yīng)變桿單元模擬，在承壓板殼單元與混凝土實體單元上分別建立節(jié)點與其連接；采用combin39非線性彈簧單元模擬PBL剪力鍵和剪力釘?shù)募羟谢铺匦?。建模時，混凝土、鋼材和預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用的材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

鋼—混結(jié)合段有限元模型如圖2所示，坐標(biāo)系與橋向的關(guān)系為:x軸沿橫橋向、y軸豎直向上、z軸沿橋梁軸向。模型的劃分網(wǎng)格采用自由劃分的方法，劃分時使鋼混接觸面上的節(jié)點相對應(yīng)，為鋼混接觸面上的節(jié)點連接做準(zhǔn)備。網(wǎng)格劃分后的計算模型如圖2(b)所示，鋼—混結(jié)合段的有限元計算模型共劃分為216 371個單元，其中shell63單元為32 752個、soild65單元為179 057個、link180單元為 54個、combin39單元為4 508個。

2.3 邊界條件及荷載施加方式

根據(jù)圣維南原理，鋼—混結(jié)合段的局部應(yīng)力與離其較遠區(qū)域的應(yīng)力聯(lián)系較小，僅和相近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，因此只要在足夠遠離結(jié)合段區(qū)域的斷面施加相應(yīng)的內(nèi)力，其對所研究的結(jié)合段區(qū)域的局部應(yīng)力影響可以忽略。

圖2 鋼—混結(jié)合段有限元模型圖

應(yīng)用有限元分析軟件Midas/Civil建立全橋桿系模型，進行整體橋梁結(jié)構(gòu)的分析，分別得出鋼箱梁與混凝土箱梁在截面處及結(jié)合面處的彎矩、剪力、軸力及扭矩。對整體模型的位移和應(yīng)力分析，且考慮到混凝土箱梁剛度較大，位移較小，故將混凝土梁端所有節(jié)點的自由度固定約束，在鋼箱梁端不施加任何約束，使模型成為懸臂結(jié)構(gòu)，在鋼箱梁遠端截面質(zhì)心處建立一個節(jié)點，并將質(zhì)量單元mass21賦予此節(jié)點，將其作為主節(jié)點，用CERIG命令將鋼箱梁端面上所有從屬節(jié)點的自由度與主節(jié)點的所有轉(zhuǎn)動和平動的自由度進行耦合，將軸力轉(zhuǎn)化為順橋向節(jié)點力，剪力轉(zhuǎn)化為豎向節(jié)點力，彎矩先分解成力偶再按等效節(jié)點荷載施加于距離混凝土梁端固結(jié)截面為21.7 m處的鋼箱梁端部節(jié)點上，采用此簡化方法將其施加到板殼單元實體模型上。荷載則以鋼—混結(jié)合段各截面上的控制內(nèi)力組合為依據(jù)。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 鋼—混結(jié)合段鋼箱梁局部應(yīng)力

通過有限元程序ANSYS對鋼—混結(jié)合段進行應(yīng)力分析，所得結(jié)合段鋼箱梁應(yīng)力云圖如圖3所示，圖中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

圖3 鋼—混結(jié)合段鋼箱梁Mises應(yīng)力云圖/Pa

根據(jù)圖3分析可知，頂板應(yīng)力水平較低，最大應(yīng)力為1.1×108Pa；底板應(yīng)力水平偏低，最大應(yīng)力為6.07×107Pa；腹板在承壓板位置局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為1.32×108Pa，但小于屈服應(yīng)力2.7×108Pa；承壓板只在預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大為3.09×108Pa，剔除錨固點，應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。由上述結(jié)果可以看出，除承壓板預(yù)應(yīng)力筋錨固位置處應(yīng)力集中外，鋼—混結(jié)合段其余位置的鋼箱梁各構(gòu)件均滿足要求。

3.2 鋼—混結(jié)合段混凝土箱梁局部應(yīng)力

混凝土強度等級為C55，其軸心抗壓、抗拉強度設(shè)計值分別為 2.44×107、1.89×106Pa。 結(jié)合段混凝土箱梁應(yīng)力云圖如圖4所示。混凝土箱梁順橋向正應(yīng)力最大值為5.19×107Pa，第三主應(yīng)力最大值為6.78×107Pa，均為剪力釘錨固位置處出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，剔除局部錨固點，其余應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)；混凝土箱梁橫橋向正應(yīng)力最大值為1.38×107Pa，混凝土箱梁第一主應(yīng)力最大值為2.99×106Pa，不管是否出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。

分析表明，混凝土箱梁除在剪力釘錨固位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象外，其余應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)，而在錨固位置處出現(xiàn)的高應(yīng)力區(qū)對結(jié)構(gòu)整體使用的影響較小。

圖4 混凝土箱梁應(yīng)力云圖/Pa

3.3 PBL剪力鍵及剪力釘計算結(jié)果

3.3.1 剪力鍵計算結(jié)果

PBL剪力鍵受力計算結(jié)果見表2，最大剪力為52.48 kN，其值＜324.4 kN，表明PBL剪力鍵最大剪力小于其抗剪承載能力，滿足規(guī)范要求。

表2 剪力鍵受力表/kN

3.3.2 剪力釘計算結(jié)果

剪力釘受力計算結(jié)果見表 3，最大剪力為69.66 kN，其值＜106.4 kN，表明剪力釘最大剪力小于其抗剪承載能力，滿足規(guī)范要求。

表3 剪力釘受力表/kN

3.4 承壓板厚度對結(jié)合段的受力性能影響分析

所建模型中，鋼—混結(jié)合段承壓板厚度為40 mm。為研究承壓板厚度改變對鋼—混結(jié)合段受力性能的影響，在邊界條件、外部荷載及其余構(gòu)件參數(shù)不變的前提下，分別調(diào)整承壓板厚度為20、30、40、50、60、70 mm，分析承壓板厚度改變對結(jié)合段頂板、底板、腹板及承壓板的Mises應(yīng)力影響，計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 鋼—混結(jié)合段各構(gòu)件Mises應(yīng)力與承壓板厚變化曲線圖

由圖5可以看出，隨著承壓板厚度的增加，頂板、底板、腹板及承壓板的Mises應(yīng)力均呈減小趨勢，表明承壓板厚度的增加能有效降低結(jié)合段鋼構(gòu)件的Mises應(yīng)力水平，同時隨著承壓板厚度的增加，在承壓板與加勁肋以及預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固處存在的較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象將會得到改善。由此可以看出，增加承壓板的厚度可以有效緩解結(jié)合段連接處的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過上述研究可知:

(1)除在承壓板預(yù)應(yīng)力束錨固區(qū)、混凝土剪力釘錨固區(qū)及箱梁頂板與腹板交接處局部較小區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象外，鋼—混結(jié)合段的鋼箱梁和混凝土箱梁應(yīng)力滿足規(guī)范要求。剪力釘最大剪力為69.66 kN，小于其抗剪承載力106.4 kN；PBL剪力鍵最大剪力為52.48 kN，小于其抗剪承載力324.4 kN，剪力釘及PBL剪力鍵最大剪力均滿足規(guī)范要求。

(2)承壓板厚度的增加能有效降低結(jié)合段鋼構(gòu)件的應(yīng)力水平，緩解結(jié)合段連接處的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象?；旌线B續(xù)梁橋鋼—混結(jié)合段內(nèi)力傳遞較為平順，應(yīng)力水平較低，具有良好的安全儲備，結(jié)構(gòu)構(gòu)造合理，對于局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，受力較復(fù)雜，應(yīng)加強構(gòu)造措施，保證施工質(zhì)量。