混合連續(xù)梁橋鋼混結(jié)合段局部應(yīng)力分布及傳力機(jī)理分析

陳君，黃國紅，徐天，卓為頂，陳龍

1.南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇南京 210019；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 211189

0 引言

城市橋梁受地形和兩岸接線限制，常采用超短邊跨的三跨PC連續(xù)梁布置方案，邊支座上出現(xiàn)的上翹拉力是橋梁設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的問題。通常有兩種解決方案：一是在邊跨配重，如圖1a)所示，如加拿大的Grand-mere橋[1]，中跨和邊跨分別長181.4 m和39.6 m，邊中跨比為0.22；二是主跨中段采用鋼箱梁，形成鋼和混凝土縱向組合的混合梁體系，如圖1b)所示，該方案具有降低橋梁結(jié)構(gòu)自重，實(shí)現(xiàn)快速施工等技術(shù)優(yōu)勢[2]。

混合梁橋受力的關(guān)鍵部位為鋼混結(jié)合段，結(jié)構(gòu)形式以混合梁的斜拉橋和懸索橋?yàn)橹?，主要傳遞軸向力。周陽等[3-5]研究了鐵路混合梁斜拉橋的傳力及疲勞性能，發(fā)現(xiàn)結(jié)合段鋼梁底板與混凝土協(xié)同工作的能力較強(qiáng)，而頂板與混凝土的連結(jié)能力較差。劉榮等[6-7]分析研究鄂東長江大橋結(jié)合段的受力情況，表明結(jié)合段的承壓板傳遞了大約50%的軸力，其余內(nèi)力由剪力連接件傳遞。郭濟(jì)[8-10]研究了懸索橋鋼混結(jié)合段的受力特性，指出結(jié)合段內(nèi)的混凝土中存在較大的橫向、豎向拉應(yīng)力。肖林等[11]研究斜拉橋橋塔中鋼混結(jié)合段的受力問題，得出結(jié)合段傳遞荷載的效果較好,且PBL剪力鍵的靜力和疲勞性能良好的結(jié)論?；旌狭簶蛑械匿摶旖Y(jié)合段除了傳遞縱向預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的軸向力，還將承受較大的彎矩和剪力。代表橋梁為2006年建成的重慶石板坡大橋復(fù)線橋[12-15]，其中跨采用了103 m的鋼梁段。目前，鋼混結(jié)合段根據(jù)其構(gòu)造主要分為有格室和無格室2種。其中，有格室鋼混結(jié)合段根據(jù)其承壓板的數(shù)量和位置分為前承壓板式、后承壓板式和前后承壓板式，無格室鋼混結(jié)合段大多為后承壓板式，結(jié)合段內(nèi)的荷載主要通過承壓板、栓釘和PBL剪力連接件3種途徑進(jìn)行傳遞[16-19]。

圖1 小邊中跨比PC連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)布置方案

本文以南京機(jī)場二通道跨秦淮新河橋(三跨變截面混合梁橋)為研究背景，通過精細(xì)化有限元分析，研究混合梁橋鋼混結(jié)合段在各種工況下的局部應(yīng)力分布規(guī)律，分析荷載在結(jié)合段內(nèi)的傳遞路徑與傳力機(jī)理，以期為同類設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

1.1 結(jié)構(gòu)總體布置

機(jī)場二通道跨秦淮新河橋位于江蘇省南京市秦淮新河上，是主跨中段采用鋼箱梁的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，總長200 m，跨徑組合(35+130+35)m，如圖2所示。橋梁分雙幅布置，單幅橋?qū)?0 m，橫斷面布置為人行欄桿(0.5 m)+人行道(3.0 m)+非機(jī)動車道(4.0 m)+防撞護(hù)欄(0.5 m)+車行道(11.5 m)+防撞護(hù)欄(0.5 m)。

圖2 秦淮新河橋橋型布置

主橋上部結(jié)構(gòu)為變高度鋼混組合連續(xù)梁，由單箱雙室箱形斷面組成。邊跨35 m和主跨邊段各20.5 m為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主跨中間89 m范圍內(nèi)為鋼箱梁。鋼混結(jié)合段長2 m，邊中跨比為0.27(35/130)。秦淮新河橋的邊中跨比遠(yuǎn)小于常見的連續(xù)梁(0.60～0.80)，若采用常見的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)，邊支座的支反力較小，甚至可能出現(xiàn)負(fù)反力。因此，本橋中跨部分采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，以減小中跨自重，增加邊支座支反力。

混凝土主梁采用C55混凝土，普通鋼筋采用HRB400，箍筋采用HPB300，主橋鋼箱梁采用Q345D，縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強(qiáng)度為1860 MPa、直徑15.2 mm的低松弛鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力筋采用屈服強(qiáng)度為785 MPa、直徑32 mm的高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋。

1.2 鋼混結(jié)合段構(gòu)造

秦淮新河橋的鋼混結(jié)合段總長4.5 m(鋼2.0 m，混凝土2.5 m)，采用有格室的前后承壓板式，前后承壓板間距為2.0 m，厚度均為50 mm。在格室內(nèi)焊有PBL剪力連接件及抗剪栓釘，栓釘高150 mm，Φ22 mm，PBL剪力連接件厚20 mm，鋼混結(jié)合段斷面構(gòu)造如圖3所示(圖中單位為mm)。在頂?shù)装寮案拱鍍?nèi)布置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束斷面布置如圖4所示(圖中單位為mm)。

圖3 鋼混結(jié)合段構(gòu)造

圖4 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束斷面布置

2 精細(xì)化有限元模型

2.1 模型建立

本橋鋼混結(jié)合段構(gòu)造和受力較復(fù)雜，為準(zhǔn)確分析結(jié)合段的力學(xué)行為，建立純混凝土(11.0 m)+結(jié)合段(4.5 m)+純鋼梁段(2.0 m)節(jié)段的空間有限元模型，如圖5所示，進(jìn)行局部受力精細(xì)化計(jì)算分析。固結(jié)純混凝土梁段一側(cè)所有節(jié)點(diǎn)，因約束處離結(jié)合段距離較遠(yuǎn)，所以約束帶來的附加效應(yīng)較小，節(jié)段模型計(jì)算結(jié)果能較好地反應(yīng)實(shí)際狀況。

混凝土采用SOILD45單元，鋼結(jié)構(gòu)采用SHELL65單元，預(yù)應(yīng)力采用LINK8單元。嚴(yán)格按照圖紙規(guī)定實(shí)際尺寸建模，z軸沿橋梁軸向，y軸豎直向上，x軸沿橫橋向。實(shí)橋中，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土通過結(jié)合段栓釘和PBL連接件連接。在有限元模型中，連接件連接同一位置的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土節(jié)點(diǎn),通過COMBIN39單元建立彈簧單元。對結(jié)合段無連接件處2種材料的節(jié)點(diǎn)，可忽略其相互摩擦和粘結(jié)作用。

2.2 材料本構(gòu)

鋼與混凝土可視為均質(zhì)彈性體，以彈性模量與泊松比表示結(jié)構(gòu)的材料特性。混凝土泊松比為0.2，彈性模量為35.5 GPa；鋼材泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa。

a) 整體模型 b) 結(jié)合段局部模型

栓釘?shù)募袅?滑移本構(gòu)關(guān)系[20]為：

(1)

式中：Qu為栓釘?shù)臉O限抗剪承載力，kN；α、β為滑移模型參數(shù)，Φ22 mm的栓釘分別取0.5和1.2；Δ為栓釘滑移，mm。

參照文獻(xiàn)[21]計(jì)算得

(2)

圖6 PBL連接件剪力-滑移本構(gòu)關(guān)系曲線

式中：Asu為栓釘?shù)慕孛婷娣e，mm2；Ec為混凝土的彈性模量，MPa；fcd為混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，MPa：fsu為栓釘?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa。

PBL開孔板連接件的單孔抗剪承載力[21]63

(3)

式中：dp為鋼板開孔直徑，mm；ds為貫穿鋼筋的直徑，mm；fsd為貫穿鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

根據(jù)文獻(xiàn)[22]的建議，PBL連接件的剪力-滑移本構(gòu)關(guān)系可簡化為如圖6所示的三折線模型。

表1 荷載工況

注：剪力逆時針為正，彎矩下側(cè)受拉為正，軸力受拉為正

2.3 荷載工況

對模型施加荷載，荷載類型為恒載+城-A+人群+混凝土收縮徐變+溫度影響[23]，計(jì)算時考慮荷載基本組合，可按空間桿系結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果計(jì)算。通過Midas桿系模型計(jì)算得到鋼箱梁一側(cè)斷面彎矩M和剪力Q的包絡(luò)，兩項(xiàng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合可得4種工況。在此4種工況下，鋼混結(jié)合段進(jìn)行空間有限元分析計(jì)算，得到相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

3 有限元模型分析結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

將預(yù)應(yīng)力錨固在承壓板上是結(jié)合段混凝土安全性的重要保證，但預(yù)應(yīng)力在縱向傳遞的過程中可在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生橫向拉力，即劈裂應(yīng)力。劈裂應(yīng)力過大容易造成局部開裂。因此應(yīng)先分析僅受預(yù)應(yīng)力作用的混凝土結(jié)構(gòu)。由計(jì)算結(jié)果可知，僅受預(yù)應(yīng)力作用時，結(jié)合段預(yù)應(yīng)力頂板配束多于底板，混凝土頂板上產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力約為3.4 MPa，在底板產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力為1.3 MPa。鋼混結(jié)合段頂板上緣的橫向劈裂應(yīng)力約為1.9 MPa，存在于錨后一定區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力分布如圖7所示(圖中單位為MPa)。

圖7 僅受預(yù)應(yīng)力作用的混凝土應(yīng)力

在最不利荷載工況下，頂板上緣局部位置的縱向拉應(yīng)力為0.6 MPa，底板下緣縱向壓應(yīng)力增大至6.3 MPa，表明結(jié)合段負(fù)彎矩作用較為顯著。同時，從橋梁橫向看，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力較小，但承壓板錨頭之間剝裂效應(yīng)明顯，在最不利荷載工況下局部剝裂應(yīng)力最大為7.2 MPa，僅限于局部較小區(qū)域，應(yīng)力分布如圖8所示(圖中單位為MPa)。箱梁鋼混結(jié)合段局部出現(xiàn)微裂縫后，剝裂應(yīng)力大大釋放；通過普通鋼筋配筋可以控制裂縫寬度，確保結(jié)構(gòu)的使用性能和安全性能。

圖8 最不利工況下結(jié)合段混凝土應(yīng)力

在最不利工況下，鋼結(jié)構(gòu)在x、y、z3個方向上的應(yīng)力均為-50～50 MPa。對于錨固縱向預(yù)應(yīng)力的前后承壓板，雖然存在較大的錨固集中力作用，但是前后承壓板厚度均為50 mm，平面外剛度較大，因此局部位置應(yīng)力基本不超過±100 MPa，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力總體水平較低。

3.2 傳力路徑

軸力的傳遞是鋼混結(jié)合段的主要任務(wù)之一，應(yīng)采取有效的構(gòu)造將軸向力由截面積較小的鋼結(jié)構(gòu)平順、流暢地傳遞到截面積較大的混凝土梁段中。

軸力主要有3種傳遞途徑：分別為：鋼梁—前承壓板—混凝土梁，鋼梁—后承壓板—混凝土梁，鋼梁—各排剪力連接件—混凝土梁[24]。

鋼混結(jié)合段具體軸力傳遞路徑及示意圖如圖9所示。

圖9 結(jié)合段軸力傳遞路徑圖

通過對有限元模型不同縱向位置的混凝土截面軸向應(yīng)力進(jìn)行積分，可得混凝土截面的軸力及其沿縱向傳遞的變化圖，從而分析上述3種傳遞路徑的貢獻(xiàn)，如表2及圖10所示。

表2 混凝土各截面軸力

注：截面位置以純混凝土梁段邊緣位置為零點(diǎn)

圖10 混凝土軸力占比縱向分布曲線

由圖10可知:在結(jié)合段，混凝土各截面軸力及其在總軸力的占比沿縱向不斷變化，但是軸力變化速率(切線斜率)不一，說明各排剪力連接件的傳力效率不均勻，其中前后承壓板之間剪力連接件作用較小，后承壓板附近剪力連接件作用較大。同時，在前后承壓板處混凝土各截面軸力及其在總軸力的占比存在突變，說明承壓板對結(jié)合段軸力的傳遞有較大影響，后承壓板將約41.0%的軸力傳遞給混凝土，前承壓板傳遞約8.9%的軸力。

4 結(jié)語

采用鋼混組合結(jié)構(gòu)是解決超小邊中跨比橋梁邊支座易出現(xiàn)負(fù)反力的有效方法，鋼混結(jié)合段作為混合橋梁中受力的重要部位，其受力特性需要特別關(guān)注。本文以三跨變截面混合梁橋的南京機(jī)場二通道跨秦淮新河橋?yàn)楸尘埃ㄟ^精細(xì)化有限元分析，研究本橋中鋼混結(jié)合段的局部應(yīng)力分布規(guī)律及傳力機(jī)理。

1)在各荷載工況作用下，混凝土梁段沿縱向保持受壓狀態(tài)，但由于存在較大預(yù)應(yīng)力，混凝土梁段中產(chǎn)生較大的橫向剝裂應(yīng)力，在橫向鋼筋設(shè)計(jì)時應(yīng)予以充分考慮。

2)軸力在鋼混結(jié)合段中主要有3種傳遞路徑，即軸力分別通過前、后承壓板和剪力連接件從鋼梁傳遞到混凝土梁段，其中通過后承壓板傳遞的軸力大于40%，占比最大，通過前承壓板傳遞的軸力占比約為8.9%。

3)軸力在剪力連接件中的傳力效率不均勻，前后承壓板之間剪力連接件作用較小，后承壓板附近及前承壓板之后的剪力連接件作用較大。