鐵路剛構(gòu)-連續(xù)混合梁橋鋼-混結(jié)合段合理構(gòu)造參數(shù)研究

蒲黔輝，謝自暢，楊仕力，黃勝前，楊朝龍，洪 彧，3

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；3.西南交通大學(xué)陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，成都 611756)

引言

對于混合梁橋而言，鋼-混結(jié)合段是其截面特性的突變位置，成為全橋結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)中需引起高度重視。剛構(gòu)-連續(xù)梁橋作為中大跨徑的首選橋型之一，結(jié)合了連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋各自的優(yōu)點(diǎn)，一方面，相比連續(xù)剛構(gòu)可降低溫度和收縮徐變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次內(nèi)力影響；另一方面，通過一側(cè)設(shè)置固結(jié)墩可使原本為固定支座的墩頂受力更合理，因而在整體受力性能上有一定優(yōu)勢[1]。

目前，混合梁廣泛應(yīng)用于公路橋梁，在鐵路橋梁中則主要應(yīng)用于斜拉橋[2-3]。文獻(xiàn)[4-5]以寧波甬江特大橋?yàn)楸尘?，利用?shù)值仿真方法計(jì)算了結(jié)合段鋼與混凝土的受力及軸力分配比例，研究了鐵路斜拉橋鋼-混結(jié)合段的受力特征及傳力機(jī)理，并通過模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了其傳力特性及合理構(gòu)造參數(shù)；王小飛[6]采用ANSYS軟件建立了混合梁斜拉橋鋼-混結(jié)合段有限元模型，分析了其中鋼和混凝土的受力狀態(tài)及軸力分配比例，驗(yàn)證了結(jié)合段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；韓建秋等[7]通過模型試驗(yàn)對銀洲湖大橋結(jié)合段鋼格室進(jìn)行了軸向加載試驗(yàn)，分析了其破壞形態(tài)、界面滑移及應(yīng)力傳遞規(guī)律；YANG等[8]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法，對潭江特大橋結(jié)合段進(jìn)行了傳力機(jī)理和參數(shù)分析研究，結(jié)果表明后承壓板厚度對傳力比及滑移影響顯著，而前承壓板則影響較小。

由上述文獻(xiàn)綜述可知，以往研究多針對公路橋梁的鋼-混結(jié)合段或鐵路斜拉橋結(jié)構(gòu)，未見鋼混結(jié)合段在鐵路剛構(gòu)-連續(xù)梁橋中應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。剛構(gòu)-連續(xù)梁受力特點(diǎn)與斜拉橋有較大差異，且由于剛構(gòu)橋結(jié)合段往往位于中跨變高段，不同于斜拉橋等高梁結(jié)合段的受力，因而，有必要對其傳力行為及合理構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行研究。以擬建杭溫鐵路永嘉右行線跨甬臺(tái)溫特大橋?yàn)檠芯勘尘?，采用?shù)值模擬方法建立該橋鋼-混結(jié)合段的仿真模型，對其受力特征及相關(guān)影響參數(shù)進(jìn)行分析，為同類型橋梁結(jié)合段設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

新建杭溫鐵路永嘉右行線跨甬臺(tái)溫特大橋主橋?yàn)殇撓浠旌蟿倶?gòu)-連續(xù)梁橋，該橋跨徑布置為(100+216+100)m，全長418 m(包括兩側(cè)梁端至橋墩中心線各1 m)，橋面為單線有砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，設(shè)計(jì)活載為ZK標(biāo)準(zhǔn)活載。主跨杭州岸側(cè)主梁為墩梁固結(jié)，溫州岸側(cè)設(shè)置活動(dòng)支座，如圖1所示。主梁邊跨及部分中跨為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中跨90 m(包括2個(gè)長4 m的鋼-混結(jié)合段)為鋼箱梁。鋼與混凝土交界面位于主梁中跨側(cè)距離橋墩中心線63 m處，鋼-混結(jié)合段處于中跨變高梁段。如圖2所示，該橋鋼-混結(jié)合段采用有格室后承壓板式構(gòu)造，長4 m，承壓板厚50 mm，預(yù)應(yīng)力筋錨固于承壓板以及混凝土梁腹板和頂?shù)装妪X塊上。鋼格室長1.45 m、高1.35 m、標(biāo)準(zhǔn)寬0.6 m和0.86 m。剪力連接件采用PBL剪力板和剪力釘，PBL開孔板開孔直徑為70 mm，貫穿鋼筋直徑20 mm；剪力釘直徑22 mm，長200 mm。在結(jié)合段兩端各有長6 m的混凝土剛度過渡段和11 m的鋼梁剛度過渡段，鋼梁過渡段加勁肋采用U肋內(nèi)插變高度T肋的形式。鋼格室段的鋼箱梁頂?shù)装寮案拱鍨殡p壁板，通過其上的剪力連接件加強(qiáng)鋼箱與混凝土結(jié)構(gòu)的連接。

圖1 杭溫特大橋主橋立面布置(單位：m)

圖2 鋼-混結(jié)合段構(gòu)造(單位：mm)

2 鋼-混結(jié)合段力學(xué)特性分析

2.1 有限元模型

采用ANSYS軟件建立鋼-混結(jié)合段有限元模型，為充分考慮圣維南原理，結(jié)合段兩側(cè)均至少考慮1倍梁寬的圣維南區(qū)段。模型總長36 m，包含18 m鋼梁段，4 m結(jié)合段，14 m混凝土梁段。鋼梁部分采用殼單元Shell63模擬，混凝土采用實(shí)體單元Solid45模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用桿單元Link8模擬，剪力釘與PBL鋼筋采用梁單元Beam44模擬。鋼梁與混凝土梁分開建模，先建立結(jié)構(gòu)的幾何模型，再劃分單元生成有限元模型。

在建模計(jì)算時(shí)，通過節(jié)點(diǎn)耦合的方式考慮承壓板與混凝土的相互作用，其他鋼板僅通過將剪力釘和PBL鋼筋與混凝土節(jié)點(diǎn)耦合的方式連接[9-11]。采用懸臂方式進(jìn)行加載，即約束混凝土端截面所有節(jié)點(diǎn)自由度，在鋼梁端截面形心位置處建立剛域，并在其上施加荷載。以承壓板作為內(nèi)力等效控制截面，將全橋Midas模型中該截面在最不利荷載工況下的內(nèi)力進(jìn)行等效后加至梁端(需扣除預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和剪力施加位置由于遠(yuǎn)離控制截面所引起的附加彎矩)。建立的鋼-混結(jié)合段三維有限元模型在4 m結(jié)合段處的單元模型如圖3所示。根據(jù)對比，節(jié)段模型內(nèi)力分布與全橋MIDAS模型計(jì)算結(jié)果基本一致，二者的等效情況見表1。鋼-混結(jié)合段的結(jié)合面為全橋最薄弱的部位之一，利用全橋模型計(jì)算可得主力+附加力作用下結(jié)合面最不利受力工況為最大正彎矩工況，因此選定該組合為局部模型的加載工況。

圖3 鋼-混結(jié)合段有限元模型

表1 全橋模型內(nèi)力與局部模型等效加載力

2.2 應(yīng)力分布特性

結(jié)合段在承壓板截面處于最大正彎矩工況下鋼梁和混凝土順橋向正應(yīng)力如圖4、圖5所示，其中，X為橫橋向距橋梁中心線距離，Z為縱橋向距承壓板距離(沿混凝土側(cè)為負(fù)，沿鋼梁側(cè)為正)。該工況下，結(jié)合段鋼梁頂板最大壓應(yīng)力為64.5 MPa，鋼梁底板最大壓應(yīng)力為40.7 MPa，正彎矩作用明顯?；炷琳龖?yīng)力水平較低，最大壓應(yīng)力-10 MPa，壓應(yīng)力向混凝土剛度過渡段側(cè)逐漸增加。鋼梁頂板灌注孔周圍應(yīng)力水平略高于其他位置。從順橋向來看，板件應(yīng)力在格室段內(nèi)增大，隨后在混凝土加強(qiáng)段內(nèi)逐漸減小。由圖6可知，從橫橋向來看，由于格室段在頂?shù)装宀加蠵BL剪力板，且腹板采用了雙壁板，因而越靠近承壓板剪力滯現(xiàn)象越顯著，中部正應(yīng)力較兩側(cè)高，鋼梁最大正剪力滯系數(shù)為2.17，最大負(fù)剪力滯系數(shù)為0.12；混凝土最大正剪力滯系數(shù)為1.86，最大負(fù)剪力滯系數(shù)為0.10。

圖4 結(jié)合段鋼梁應(yīng)力云圖

圖5 結(jié)合段縱橫橋向正應(yīng)力

圖6 剪力滯系數(shù)分布

總體來看，結(jié)構(gòu)受力較為均勻，整體應(yīng)力水平較低。鋼結(jié)構(gòu)部分壓應(yīng)力大部分處于50 MPa以下，混凝土部分壓應(yīng)力基本處于10 MPa以下。鋼梁板件在混凝土側(cè)邊緣布有剪力釘?shù)膮^(qū)域存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉應(yīng)力峰值約為5 MPa左右，說明該處鋼與混凝土之間可能出現(xiàn)法向的相對剝離?？梢钥闯?，鋼梁應(yīng)力最終減小至0，混凝土應(yīng)力則從0逐漸增加，說明荷載逐步從鋼梁傳遞至混凝土梁。

2.3 傳力特性

對于有格室-后承壓板式結(jié)合段，荷載由鋼結(jié)構(gòu)傳遞至混凝土的路徑包括后承壓板、頂?shù)装迳系募袅︽I及格室隔板上的剪力鍵，傳力方式分為承壓板的直接承壓作用以及剪力連接件的受剪[12-14]。通過對各截面上的正應(yīng)力進(jìn)行積分，即可得到不同部分傳遞軸力的比例，該結(jié)合段鋼梁與混凝土梁的軸向荷載承擔(dān)比如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)荷載傳遞曲線

計(jì)算結(jié)果表明，在后承壓板截面上，承壓板通過直接承壓作用傳遞給混凝土的荷載占總荷載的56.2%，鋼梁其他部分承擔(dān)荷載比例為43.8%，隨著傳力長度增加，混凝土承載比例逐漸提高，在前0.5 m承擔(dān)的軸力比例快速上升至74.3%，之后上升較為平緩。從格室-混凝土加強(qiáng)段截面的84.2%到最終承擔(dān)全部荷載，這表明加強(qiáng)段頂?shù)装寮袅︶攤鬟f了15.8%的荷載。格室內(nèi)頂?shù)装迮c腹板傳力比分別為33.2%和10.7%，表明頂?shù)装寮袅︶斴^PBL傳力多，起到主要傳剪作用。在距承壓板1.5 m以后，傳力構(gòu)件僅為頂?shù)装寮袅︶?。兩種結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載變化基本勻順，無明顯突變。

3 鋼-混結(jié)合段參數(shù)分析

3.1 承壓板厚度

為研究承壓板厚度對鋼-混結(jié)合段受力性能的影響，分別對不同厚度承壓板的結(jié)合段進(jìn)行有限元計(jì)算分析，其他參數(shù)保持不變，結(jié)果見圖8。

圖8 混凝土結(jié)構(gòu)軸力傳遞曲線

從圖8可以看出，隨著承壓板厚度的增加，承壓板傳遞給混凝土的軸力比例增大。當(dāng)承壓板厚度在40～60 mm時(shí)，其傳力比隨承壓板厚度的增加增長較快。從40 mm增大至60 mm時(shí)，結(jié)合面上混凝土承擔(dān)的軸力比從52.0%增至60.1%；當(dāng)承壓板厚度在60～80 mm時(shí)，傳力比隨承壓板厚度的增加增長趨于平緩。承壓板厚度的改變僅對距結(jié)合面2.5 m范圍內(nèi)軸力的分配有影響，對此范圍外的截面影響較小?？梢哉J(rèn)為，增大承壓板的厚度能夠提高承壓板傳遞荷載的效率，但僅在一定范圍內(nèi)效果明顯。而隨著承壓板變厚，其與相鄰板件之間的應(yīng)力集中水平也會(huì)相應(yīng)提高，從而使得結(jié)構(gòu)中易出現(xiàn)疲勞問題[15]。由于承壓板厚度在60 mm以上時(shí)，增加厚度對傳力效果提升不明顯，且剛構(gòu)橋的軸力遠(yuǎn)較斜拉橋小，因而承壓板無需太厚，40～60 mm屬于比較合理的承壓板厚度范圍。

3.2 鋼梁埋入段長度

為研究鋼梁埋入段長度對結(jié)合部受力性能的影響，分別對不同鋼梁埋入段長度(除開格室長度以后)的結(jié)合段進(jìn)行有限元分析，其他參數(shù)保持不變，結(jié)果見圖9。

圖9 不同埋入段長度混凝土傳力比

由圖9可知，鋼梁埋入段長1 m時(shí)，混凝土在各截面所承擔(dān)的荷載較長度1.5 m及以上時(shí)略有提高，而當(dāng)鋼梁埋入段長度≥2.5 m時(shí)，其長度的變化對結(jié)合段傳力效果的影響很小。一般而言，埋入段長度越長，結(jié)合段順橋向應(yīng)力變化越趨于平緩，但這同時(shí)會(huì)增大結(jié)構(gòu)的豎向變形。且結(jié)合部長度較長時(shí)，剪力連接件并不能更有效的發(fā)揮抗剪作用，甚至?xí)档推湫Ч鸞16-18]。因此，在同類型結(jié)合段設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮傳力的均勻性、結(jié)構(gòu)變形等多方面因素，根據(jù)方案比選確定最為經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)合段長度。

3.3 剪力釘剛度

為研究剪力釘剛度對結(jié)合部受力性能的影響，分別對剪力釘直徑為19，22，25 mm的結(jié)合段進(jìn)行有限元分析，其他參數(shù)保持不變。由于剪力釘剛度對結(jié)合段傳力比的影響較小，以下僅討論其對剪力分布的影響，靠近混凝土側(cè)頂板第一排剪力釘?shù)臋M橋向剪力分布如圖10所示。

圖10 剪力釘剪力分布

由圖10可知，剪力釘所受順橋向剪力沿橫橋向呈雙峰形分布，其剛度對所受剪力影響較大，隨著剪力釘剛度的增加，靠近混凝土梁側(cè)的剪力釘承擔(dān)的剪力顯著增加，同時(shí)，其沿橫向的分布越不均勻。原因在于，剪力釘剛度增大會(huì)使鋼梁將更大的軸力以順橋向剪力的形式傳給剪力釘，繼而傳給混凝土，而對于剪力釘群而言，剛度越大，其受力就越不均勻[19-21]?？梢钥闯?，當(dāng)焊釘直徑從22 mm改為25 mm時(shí)，其抗剪剛度增加約14%，而剪力最大值增幅可達(dá)到約50%，但抗剪承載能力僅能增加約29%。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不建議通過增大剪力釘直徑來提高結(jié)構(gòu)的抗剪承載力。

4 結(jié)論

針對杭溫特大橋混合梁剛構(gòu)-連續(xù)梁橋鋼-混結(jié)合段，通過有限元模型計(jì)算了其應(yīng)力分布特性，并重點(diǎn)分析了對結(jié)合段傳力有影響的若干構(gòu)造參數(shù)，以得到該類橋梁合理的結(jié)合段構(gòu)造參數(shù)，得到以下結(jié)論。

(1)后承壓板通過直接承壓作用傳遞給混凝土的軸力比例約為56%，傳力效果顯著，其余軸力通過結(jié)合段內(nèi)的剪力連接件傳遞。鋼梁應(yīng)力逐漸減小，混凝土應(yīng)力水平整體較低。結(jié)構(gòu)傳力順暢，設(shè)計(jì)合理。

(2)隨著承壓板厚度的增加，其所分擔(dān)的軸力比例也有所增加，但對傳力的影響僅限于距承壓板2.5 m范圍內(nèi)。當(dāng)承壓板厚度大于60 mm后，其對傳力的影響較小。因此，合理的承壓板厚度應(yīng)為40～60 mm，對于鐵路荷載而言，除結(jié)構(gòu)安全以外，還需綜合考慮疲勞特性等因素選擇適當(dāng)?shù)娜≈怠?/p>

(3)鋼梁埋入段長度的增加對于鋼梁頂?shù)装鍛?yīng)力的平緩變化有利，對結(jié)構(gòu)的豎向位移有影響。當(dāng)鋼梁埋入段長度大于2.5 m后，其對結(jié)合段傳力效果的影響不甚顯著。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理控制鋼梁埋入段長度。

(4)當(dāng)剪力釘剛度提高時(shí)，其承擔(dān)的剪力也顯著增加，但剪力釘剪力沿橫向的分布越不均勻。同時(shí)，剪力最大值的增幅較抗剪承載能力的增加更高。因此，不建議通過增大剪力釘直徑來提高結(jié)構(gòu)的抗剪承載力。

上述問題的研究為大跨度鐵路梁橋的設(shè)計(jì)提供了一種技術(shù)思路，采用混合梁的結(jié)構(gòu)形式提高了橋梁跨越能力，同時(shí)中跨鋼梁采用節(jié)段吊裝的施工方法縮短了工期，該設(shè)計(jì)具有較好的應(yīng)用價(jià)值。