鋼-混組合梁拼寬既有混凝土梁橋剪力釘受力分析

黃 和 羅朝榮

(1.武漢城市公共設施運營發(fā)展有限公司 武漢 430064; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司 長沙 410200)

近年來我國公路橋梁拓寬工程日漸增多，采用新建混凝土梁拓寬既有混凝土梁的形式最常見?？紤]到鋼-混組合梁具有自重輕、強度大、吊裝安置靈活、便于快速施工等優(yōu)點，值得作為拓寬結構中的一種比選方案。然而，對于采用鋼-混組合結構橫向拼寬既有混凝土橋梁，新舊結構剛度差異明顯，界面受力也因拓寬影響具有特殊性，但目前對其研究的文獻較少[1-2]，需進一步深化研究。

鋼-混組合梁上部混凝土板與鋼梁常通過栓釘連接件形成組合截面，栓釘力學特性直接影響結構的整體受力[3-4]。橋梁拓寬工程中，組合結構與舊橋橫向拼寬后(見圖1)，新舊結構由于材料、截面形式等方面的差異，往往出現(xiàn)橫向受力不均勻現(xiàn)象，栓釘受力狀態(tài)復雜，需開展針對性研究。

圖1 采用鋼-混組合結構拓寬的既有簡支箱梁橋局部構造

本文以江蘇某高速公路中一待拓寬的既有簡支箱梁橋為研究對象，采用同跨徑的鋼-混組合單箱梁作為橫向拼寬結構?？紤]界面栓釘受力-變形的非線性，分析采用組合梁拓寬舊橋后，車道荷載作用下組合梁界面栓釘?shù)氖芰σ?guī)律，并改變栓釘抗剪剛度，研究組合梁界面滑移狀態(tài)。

1 栓釘?shù)暮奢d-變形關系

組合梁的混凝土板與鋼翼緣交界面出現(xiàn)水平滑移和豎向掀起時連接件受力復雜，因此，作出以下簡化：①混凝土板與鋼翼緣之間的力僅通過連接件傳遞，忽略板和鋼翼緣間的摩擦及機械咬合等作用；②栓釘僅具有抗滑移、抗掀起2種功能，傳遞水平剪力和豎向力，所受彎矩為0；③栓釘承受的豎向掀起力為軸向拉力；④豎向掀起位移由栓釘?shù)妮S向變形引起。

由以上簡化，單個栓釘可由3個正交彈簧模擬，分別考慮彈簧X、Y、Z3個方向上的本構關系。

彈簧單元的本構關系考慮如下。

1)栓釘?shù)募袅?滑移本構。根據(jù)Johnson的建議，栓釘?shù)募袅?滑移本構關系按式(1)計算。

(1)

對變形量Δ求導，可得栓釘?shù)募羟袆偠取?/p>

(2)

栓釘?shù)目辜舫休d力Qu，參照美國AASHTO橋規(guī)按式(3)計算。

(3)

式中：Asc為栓釘?shù)慕孛婷娣e，mm2；fc為混凝土的棱柱體抗壓強度，MPa；Ec為混凝土的彈性模量，MPa；fs,u為栓釘?shù)目估瓘姸?，MPa。

工程中一般采用直徑d=22 mm栓釘作為連接件，據(jù)文獻[5-7]中試驗數(shù)據(jù)，擬合滑移模型參數(shù):α=0.4，β=0.5和Qu=160 kN，代入式(1)，得到栓釘剪力-滑移曲線圖，見圖2。

圖2 栓釘?shù)募袅?滑移本構關系

2)栓釘?shù)呢Q向荷載-變形本構。當鋼翼緣板與混凝土間出現(xiàn)拉力，由界面上設置的栓釘承擔，當鋼翼緣板與混凝土間出現(xiàn)壓力，認為鋼翼緣與混凝土板直接接觸。因此栓釘受拉時，拉力-變形曲線由栓釘本身材料及尺寸相關，受壓時，栓釘剛化。

栓釘材料取用Q345，鋼材彈性模量Es為206 GPa，泊松比0.3，栓釘釘桿直徑d=22 mm，l=160 mm。栓釘受拉時，通過式(4)得到栓釘剛度。

(4)

由式(4)得到豎向力作用下單個栓釘荷載-變形關系圖，見圖3(拉力為正，壓力為負)，極限拉力按GB/T 10433-2002《圓柱頭栓釘》規(guī)范取160 kN。

圖3 栓釘?shù)呢Q向荷載-變形本構關系

利用有限元軟件ABAQUS對拓寬結構進行模擬分析?；炷翞閷嶓w單元，材料為C50；鋼箱梁、內橫撐及肋板用板殼單元模擬，材料為Q345，鋼-混凝土結合面上栓釘按實際位置布設，用彈簧單元模擬并輸入相應的本構關系。栓釘模擬情況見圖4。

圖4 采用彈簧單元模擬栓釘

2 拓寬后的結構計算分析模型

2.1 計算模型參數(shù)

以江蘇沿江高速公路中某待拓寬舊橋為研究對象。該項工程中由于橋面排水及橋下凈空需求，新橋梁高略小于舊橋。舊橋梁高1.7 m，新建鋼-混組合梁梁高為1.55 m，拓寬后形成寬20.5 m，可5車道布載的30 m跨簡支并聯(lián)雙箱梁橋。具體參數(shù)見表1，構造圖見圖5，坐標軸X、Y、Z方向如圖。

表1 新橋箱梁基本設計參數(shù) mm

圖5 拓寬后結構(單位：mm)

2.2 栓釘布置

栓釘為ML15AL的直徑22 mm×長180 mm圓柱頭焊釘，組合梁每側翼緣橫向設置4列釘，縱向均勻布設，每排間距300 mm，栓釘布置見圖6。

圖6 鋼梁翼緣栓釘布置(單位：mm)

2.3 活載工況

原橋拓寬后，車道荷載只作用在新橋上時，新橋受力不利，須對該情況下結構受力狀態(tài)進行研究。新建鋼-混組合結構橋面較窄，可不考慮新橋上的車道偏載效應，荷載布置圖見圖7，按公路-I級荷載標準作用在新橋橋面上，縱向滿布線荷載(5.25 kN/m)，跨中加載集中荷載160 kN，共計2車道活載作用。根據(jù)分析需要，將栓釘從靠近舊橋側開始至另一側按照序列1～8編號，其中1～4號釘稱為內側栓釘，5～8稱為外側栓釘。

圖7 拓寬后新橋兩車道布載(單位:mm)

3 活載作用下組合梁栓釘受力分析

鋼-混組合結構中栓釘除傳遞鋼梁與混凝土翼板之間的縱向剪力外，還起到防止混凝土翼板與鋼梁之間豎向分離的作用，是結構的關鍵部件。橋梁拓寬后，分析栓釘受力可以明確混凝土板與鋼梁界面的受力特點，優(yōu)化栓釘?shù)牟贾梅绞?。因此這里研究兩車道活載作用下栓釘?shù)氖芰σ?guī)律。

加載后，提取栓釘X、Y、Z個方向的力得到栓釘縱向剪力、橫向剪力及豎向力沿順橋向分布圖見圖8。其中，靠近舊橋側栓釘稱為內側翼緣釘，遠離舊橋側栓釘稱為外側翼緣釘。

圖8 栓釘受力沿橋梁縱向分布

圖中曲線與軸線Y=0 kN、X=0 mm、X=15 000 mm圍成的面積，表示每列栓釘承擔的總力，列出每列釘3個方向上受力見表2(根據(jù)結構、荷載對稱性，縱向剪力只計算半跨范圍內的剪力值)。

表2 各列釘受力 kN

分別計算內、外釘在同一方向上的受力總和，見表3。根據(jù)組合梁界面栓釘?shù)氖芰顟B(tài)，由表3可見，鋼-混組合結構拓寬舊混凝土箱梁橋后，活載作用下內外側翼緣界面栓釘受力大小及分布情況有顯著差異。

表3 內、外側釘不同方向上受力 kN

由表3還可見,組合梁內側翼緣栓釘受較大的橫向(-460 kN)、縱向剪力(-503 kN)，而豎向拉力(79 kN)較小，且因跨中存在集中力作用，主要出現(xiàn)在跨中區(qū)域；外側翼緣栓釘縱向剪力(-2 292 kN)及豎向壓力(-784 kN)表現(xiàn)明顯，對于豎向壓力，認為栓釘受壓時，鋼梁與翼緣接觸壓緊，栓釘受力安全，在此可不做討論。縱向剪力從梁端向跨中呈減小趨勢，橫向剪力(219 kN)相對較小，主要集中在梁端區(qū)域。

對比內外側翼緣栓釘受力可知，兩者在剪力和豎向受力上均有差異，外側翼緣以縱向剪力為主，受力約為內側翼緣栓釘?shù)?.6倍。

4 栓釘抗剪剛度對界面滑移影響分析

栓釘?shù)目辜魟偠仍叫?，荷載作用下，鋼梁與混凝土橋面板相對滑移越大，新舊橋間的荷載分布變化，可能對結構的受力不利。這里研究栓釘抗剪剛度變化而豎向剛度不變時，結構的不同受力狀態(tài)。

4.1 栓釘?shù)牟煌辜魟偠?/h3>

栓釘?shù)募袅?滑移曲線在式(1)基礎上，分別乘以0.5，0.1的折減系數(shù)得到新的剪力-滑移曲線，栓釘?shù)目辜魟偠纫卜謩e折減為原來的0.5，0.1，得到不同的剪力-滑移曲線和抗剪剛度-變形曲線圖見圖9(假定按式(2)初始計算得到的栓釘抗剪剛度為κ，折減之后的剛度則為0.5κ，0.1κ)，豎向剛度按初始設置不變。

圖9 栓釘剪力-變形曲線

4.2 連接界面滑移

鋼-混組合梁交界面上相對滑移，可作為栓釘應力分布的表征，組合結構鋼梁與混凝土板間的界面各向滑移代表了界面的各向受力狀態(tài)，通過界面滑移分析可以深入了解并掌握栓釘?shù)氖芰Ψ植继攸c。

開展分析計算，根據(jù)組合梁內外側翼緣不同方向上的滑移數(shù)據(jù)繪制出沿橋跨的縱向滑移、橫向滑移、豎向相對位移曲線圖見圖10，分析其分布特點。

圖10 界面相對滑移

由圖10可見：

1)栓釘?shù)目辜魟偠戎苯佑绊懡M合梁界面的橫向與縱向相對滑移，對于結構豎向相對位移影響較小。

2)組合梁內外側翼緣滑移分布形式存在差異，內側翼緣在梁端出現(xiàn)較大的橫向滑移，靠近跨中區(qū)域縱向及橫向滑移都較大，外側翼緣主要以縱向滑移為主，在梁端局部區(qū)域有較顯著橫向滑移。

3)栓釘抗剪剛度變化時，組合梁混凝土板與鋼梁豎向相對位移基本不產生變化。

5 結論

舊混凝土橋梁拓寬工程中，因技術、施工環(huán)境限制，當采用鋼-混組合結構作為拓寬新建結構時具有其優(yōu)勢，可作為一種待選方案納入考慮，而鋼-混組合梁應用于拓寬工程中有其特殊力學特點，本文對拓寬后組合梁栓釘?shù)氖芰徒缑婊七M行了研究。主要結論如下。

1)組合梁內外側翼緣栓釘受力大小及分布狀態(tài)有顯著差異，而內外側栓釘縱向剪力差異最值得關注，外側栓釘受到的縱向剪力約為內側栓釘?shù)?.6倍，抗剪需求比內側界面上的栓釘強烈。

2)同樣活載作用下，栓釘抗剪剛度直接影響界面滑移，抗剪剛度越小，界面滑移量越大，反之越小。

3)組合梁內外側翼緣界面相對滑移分布形式不一致。內側界面縱向滑移從梁端開始向跨中先增加后迅速減小，在靠近跨中區(qū)域橫向和縱向均出現(xiàn)較大界面滑移；外側界面主要出現(xiàn)縱向滑移，滑移分布從梁端位置開始向跨中呈減小趨勢，滑移量比內側界面大。

4)栓釘抗剪剛度的變化對界面豎向受力影響較小。