組合橋塔鋼-混凝土傳力區(qū)計(jì)算分析

對(duì)于新型鋼-混凝土組合橋塔，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，分別對(duì)剪力釘和開孔板剪力連接件在不同荷載作用下的受力性能進(jìn)行非線性有限元分析，得到在不同軸力作用下剪力釘和開孔板連接件分擔(dān)荷載的豎向分布規(guī)律，進(jìn)而取分擔(dān)荷載最大的頂層剪力連接件分析橋塔截面剪力連接件的橫向分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：剪力釘分擔(dān)荷載在豎向略小于開孔板連接件；從頂層向下，剪力釘和開孔板連接件在豎向分擔(dān)荷載的百分比逐漸減??；隨著軸向荷載的不斷增大，頂層剪力連接件分擔(dān)荷載的百分比減小最明顯，當(dāng)軸向力從0.2P增大至2P時(shí)，百分比減小下降了約2%。橫向分布時(shí)，剪力連接件分擔(dān)荷載具有在角隅處較大，遠(yuǎn)離角隅處較小的特點(diǎn)；隨著荷載的增大，開孔板連接件分擔(dān)荷載百分比逐漸減小，剪力釘分擔(dān)荷載百分比逐漸均勻。依據(jù)剪力連接件的受力，更直觀地反映出此類截面的橋塔節(jié)段混凝土傳力區(qū)有效高度為4.8 m左右。

鋼-混凝土組合橋塔； 剪力釘； 開孔板連接件； 非線性有限元； 傳力區(qū)

U441+.5A

［定稿日期］2023-04-04

［作者簡(jiǎn)介］胡繼丹（1997—），女，碩士，研究方向?yàn)殇摌?、?混組合橋。

0 引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)是一種由鋼材、混凝土和剪力連接件組成的新型結(jié)構(gòu)。它比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重更輕，比鋼結(jié)構(gòu)用鋼量更少，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、整體性［1］。通過進(jìn)一步研究鋼-高性能混凝土組合橋塔節(jié)段受力特性，表明組合橋塔較鋼橋塔具有較高的承載力［2］。組合結(jié)構(gòu)在世界上很多國(guó)家和地區(qū)被廣泛應(yīng)用于建筑施工［3］，幫助解決了諸多實(shí)際工程難題，例如在研究高原環(huán)境下混凝土橋塔表面開裂問題時(shí)，張清華等［4］提出波形鋼板-混凝土和預(yù)制UHPC板-混凝土2種新型組合橋塔結(jié)構(gòu)體系。Nie等［5］提出具有足夠安全性和耐久性的新型資源節(jié)約型高性能鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，通過對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式的改進(jìn)和修正，充分發(fā)揮鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)勢(shì)，在未來具有巨大的應(yīng)用前景。作為組合結(jié)構(gòu)，抗剪連接件是其中最重要的一部分，不僅使得鋼構(gòu)件與混凝土成為一個(gè)整體，保證鋼構(gòu)件與混凝土的可靠粘結(jié)，協(xié)同工作，充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，而且通過剪力連接件群在有限長(zhǎng)度的鋼-混凝土連接段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的荷載傳遞［6］。對(duì)于剪力連接件，影響其抗剪強(qiáng)度的主要因素為混凝土強(qiáng)度等級(jí)、栓釘規(guī)格尺寸與施工狀況等［7］，并且作為鋼構(gòu)件，剪力鍵的疲勞性能對(duì)于鋼-混組合結(jié)構(gòu)也具有顯著的影響［8］。由E. F. Leonhardt 教授開發(fā)的PBL剪力連接件相比傳統(tǒng)剪力連接件在受力性能和施工方便性等方面都具有巨大優(yōu)勢(shì)［9］。在南京長(zhǎng)江三橋橋塔鋼混結(jié)合段，我國(guó)首次采用PBL剪力鍵作為傳力體系，以此為依托，探索了多層多列剪力鍵的相互影響和不同荷載下各層剪力鍵承力分布以及各層剪力鍵分擔(dān)的荷載百分比隨荷載的變化的規(guī)律［10］。在不斷發(fā)展中，以PBL剪力連接件群作為研究對(duì)象，研究傳力機(jī)理及其極限承載力，指出了PBL剪力連接件群設(shè)計(jì)需注意的問題及需考慮的主要因素［11］，總結(jié)出了栓釘和PBL剪力連接件的承載力計(jì)算方法，為在橋梁工程中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)［12］。

本文運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，根據(jù)新型組合結(jié)構(gòu)中剪力連接件的受力特性，依據(jù)某地區(qū)鋼-混組合橋塔實(shí)際受力情況，通過合理簡(jiǎn)化，對(duì)橋塔節(jié)段建模分析，研究在軸向力荷載作用下，焊釘和開孔板剪力連接件所分擔(dān)的荷載分別在豎向和同一高度橫向的分布規(guī)律，對(duì)全面了解剪力釘及開孔板連接件在豎向荷載作用下的受力性能，進(jìn)而大致確定混凝土傳力區(qū)域大小具有重要的意義。

1 有限元建模

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

采用有限元軟件ABAQUS建立橋塔節(jié)段三維有限元模型，對(duì)于不同荷載作用下，不同位置、類型的剪力連接件的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，限于篇幅，本文就不同位置處剪力釘和開孔板剪力連接件在不同荷載作用下的受力情況展開研究。為保證研究的橋塔節(jié)段區(qū)域的受力和邊界條件更加接近實(shí)際狀態(tài)，現(xiàn)以某地區(qū)典型的鋼-混凝土組合橋塔設(shè)計(jì)方案非錨固區(qū)節(jié)段11 m為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，其計(jì)算截面如圖1所示?；炷梁弯摻Y(jié)構(gòu)都采用八節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體減縮積分單元（C3D8R），剪力釘及開孔板剪力連接件在對(duì)應(yīng)位置使用彈簧單元模擬，節(jié)段單元網(wǎng)格劃分如圖2所示?；炷吝x用C50混凝土，鋼材選用Q345鋼材，材料特性參數(shù)如表1所示。

實(shí)際工程中，橋塔受到眾多復(fù)雜且非規(guī)律的因素影響，在多種因素耦合作用下，研究剪力連接件的受力會(huì)變得很復(fù)雜。一般在滿足實(shí)際工程精度要求下，合理的簡(jiǎn)化，忽略次要影響因素是可取的，這樣即可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行近似分析，大大減小計(jì)算的難度，提高工作效率，也可以控制結(jié)果在合理的誤差范圍內(nèi)。在研究剪力連接件在不同荷載作用下的受力情況時(shí)，作出幾點(diǎn)簡(jiǎn)化：

（1）實(shí)際中橋塔節(jié)段受到恒載、活載、溫度和風(fēng)荷載等作用，但對(duì)于大跨橋梁，在計(jì)算時(shí)只考慮橋塔在恒載作用下的軸向力影響，忽略其他荷載作用影響，橋塔計(jì)算節(jié)段軸向力設(shè)計(jì)值大小為269 023.47 kN。

（2）實(shí)際中橋塔節(jié)段所受軸力由混凝土和鋼板共同承載，為研究剪力連接件的受力，更清楚的分析受力狀態(tài)，忽略鋼板軸向的承載力，軸向力只作用于混凝土區(qū)域，鋼板對(duì)混凝土起包裹作用。

（3）鋼板與混凝土之間有可靠的粘結(jié)，忽略鋼板與混凝土之間的界面摩擦接觸，偏于安全考慮，豎向剪力全部由剪力連接件承擔(dān)。

鐵路與公路胡繼丹： 組合橋塔鋼-混凝土傳力區(qū)計(jì)算分析

（4）對(duì)剪力連接件進(jìn)行非線性分析，主要研究剪力釘與開孔板連接件的受力情況，忽略鋼材與混凝土的塑性變形，剪力連接件用非線性彈簧模擬。

1.2 邊界條件與加載方式

為使橋塔節(jié)段受力盡可能接近實(shí)際狀態(tài)，同時(shí)提高計(jì)算效率，邊界條件選擇限制橋塔節(jié)段底面x-y面的z方向位移，在邊界a再施加x方向約束以及限制邊界b的y方向位移［4］（圖3）。

橋塔節(jié)段所受的軸向力全部由混凝土承擔(dān)，在計(jì)算時(shí)，耦合頂部混凝土面，施加軸向荷載，如圖4所示。以軸向荷載的大小0.2P，0.5P，P，1.5P和2P分為5種工況，依次對(duì)應(yīng)工況1～工況5。

1.3 剪力連接件的布置

本文剪力連接件的布置形式中剪力釘與開孔板連接件間距及直徑等參數(shù)參考南京第四長(zhǎng)江大橋主纜錨固系統(tǒng)試驗(yàn)的工程經(jīng)驗(yàn)，剪力釘與加勁肋交替等間距布置，間距400 mm，開孔板連接件布置在加勁肋上，為更加接近實(shí)際情況，加勁肋開孔兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)非線性彈簧模擬開孔板剪力連接件，對(duì)于其剛度相應(yīng)取一半。加勁肋寬度600 mm，開孔板連接件布置在中點(diǎn)位置；剪力釘布置在兩個(gè)加勁肋之間，由于剪力釘長(zhǎng)徑比較小時(shí)，容易造成非材料破壞的失效形式——拔出破壞［13］，所以選取剪力釘為22 mm，而開孔板連接件的鋼板開孔為60 mm，內(nèi)穿鋼筋為20 mm。具體布置方式如圖5所示。剪力釘從頂部到底部共有13層，每層42個(gè)，一共546個(gè)；開孔板連接件從頂部到底部有14層，每層76個(gè)，一共1 064個(gè)。

剪力連接件主要通過鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件之間的相對(duì)滑移實(shí)現(xiàn)荷載傳遞，其工作階段主要可分為彈塑性階段、塑性階段和強(qiáng)化階段。剪力連接件群的荷載傳遞過程本質(zhì)上是一個(gè)鋼構(gòu)件、混凝土構(gòu)件及各層剪力連接件在剛度、變形及荷載等方面相協(xié)調(diào)的復(fù)雜過程，其力學(xué)特性和單個(gè)剪力連接件存在較大差異。本文參考南京第四長(zhǎng)江大橋主纜錨固系統(tǒng)試驗(yàn)資料及經(jīng)驗(yàn)取值，針對(duì)剪力釘和開孔板連接件采用不同的荷載滑移曲線關(guān)系［14］，剪力連接件的荷載滑移曲線如圖6所示。

2 結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力場(chǎng)分析

基于上述參數(shù)取值、邊界條件及受力情況，利用ABAQUS有限元軟件建模，對(duì)橋塔節(jié)段混凝土區(qū)域受力分析，計(jì)算得混凝土區(qū)域最大主應(yīng)力如表2所示。

在軸力作用下混凝土區(qū)域最大主應(yīng)力依次增大，在布置剪力釘和開孔板剪力連接件的位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中在頂部混凝土區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯。由表2可知，隨著軸向荷載的不斷增大，混凝土區(qū)域最大主應(yīng)力不斷增大。當(dāng)軸向荷載為2P時(shí)，混凝土區(qū)域最大主拉應(yīng)力3.63 MPa，遠(yuǎn)高于C50混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（1.89 MPa），混凝土區(qū)域有較高的開裂風(fēng)險(xiǎn)。但這只是假定材料為線彈性材料情況下的名義應(yīng)力，實(shí)際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平應(yīng)低于該計(jì)算值。

2.2 剪力釘受力分析

在實(shí)際工程中，橋塔節(jié)段結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，不只存在剪力，還有軸力、彎矩及眾多作用的耦合作用［15］。為簡(jiǎn)化計(jì)算，突出主要研究因素的影響，本文忽略剪力釘所受的拉拔力，彎矩等作用效應(yīng)，剪力釘只承受剪力，軟件中模擬時(shí)，剪力釘非線性彈簧只在豎向具有抗剪剛度，其他兩個(gè)方向無(wú)約束。計(jì)算得從頂部至底部每層剪力釘分擔(dān)荷載占總荷載的百分比如圖7所示。

研究表明，剪力釘受力從頂部向下依次減小，頂層受力最大，約占總荷載的3%左右，底層受力最小，約占總荷載的0.19%。工況一～工況五，除頂層剪力釘承載百分比波動(dòng)較大，其余各層均按規(guī)律逐步減小，不同工況下，各層剪力釘受力均能較好的相互吻合。從工況一～工況五可以看出，隨著荷載不斷增大，頂層與底層的剪力釘所受剪力百分比差別逐步減小，各層剪力釘受力占比之間趨近于線性變化。

橋塔節(jié)段結(jié)構(gòu)對(duì)稱，荷載對(duì)稱，相對(duì)面上非線性彈簧受力一致，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可取相鄰的兩個(gè)面上布置的剪力連接件進(jìn)行分析。計(jì)算的橋塔節(jié)段正面布置有剪力釘13列，側(cè)面有8列，處于頂層的剪力釘所分擔(dān)的荷載最大。在研究同一高度處不同位置剪力釘受力情況時(shí)，取頂層的剪力釘進(jìn)行研究，分析結(jié)果更加明顯，便于觀察。不同位置的頂層剪力釘分擔(dān)荷載的百分比如圖8所示。

研究表明，同一高度處剪力釘在角隅位置處承載較大，中部較小且相對(duì)均勻。在荷載為0.2P時(shí)，剪力釘在角隅處受力約為中點(diǎn)位置處的2倍；當(dāng)荷載增大為2P時(shí)，剪力釘在角隅處受力約為中點(diǎn)位置處的1.3～1.4倍；不同工況下，隨著荷載的增大，剪力釘在角隅處分擔(dān)荷載百分比逐漸減小，中點(diǎn)位置處承載百分比較穩(wěn)定，占總荷載的0.055%～0.065%，同一高度處剪力釘在不同位置的受力逐漸趨于均勻。

2.3 開孔板連接件受力分析

南京長(zhǎng)江第三大橋是我國(guó)第一座鋼斜拉橋。其主塔鋼混結(jié)合段在國(guó)內(nèi)首次創(chuàng)造性地采用“鋼筋混凝土棒剪力鍵群”作為傳力連接器［14］。此開孔板剪力連接件具有承載能力高，線性階段剛度高，抗疲勞性能好，破壞階段延性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，且其施工質(zhì)量容易得到保證。鋼板設(shè)置加勁肋不僅方便剪力連接件的布置，也可以提高混凝土與鋼板的有效粘結(jié)，提高抗屈服能力。對(duì)于開孔板剪力連接件，取加勁肋穿孔兩側(cè)彈簧所受合力作為此處開孔板連接件所承受的力。開孔板連接件非線性彈簧與剪力釘非線性彈簧做相同的簡(jiǎn)化，只在豎向具有抗剪剛度，其他兩個(gè)方向無(wú)約束。計(jì)算得從頂部至底部每層非線性彈簧所受合力占總荷載的比值如圖9所示。

研究表明，開孔板連接件受力與剪力釘受力相似，從頂層向下依次減小，頂層波動(dòng)相對(duì)較大。工況1頂層開孔板連接件分擔(dān)荷載約占開孔板連接件承載的27%左右；隨荷載的增大，頂層承載百分比逐漸減小，工況5頂層開孔板連接件分擔(dān)荷載約占開孔板連接件承載的17%左右。從工況一～工況五，荷載增大10倍，頂層開孔板連接件承載百分比約減小10%；隨著荷載不斷增大，受力逐漸均勻，受力占比逐漸按線性變化。當(dāng)軸向荷載為P時(shí)，頂層開孔板連接件承載百分比約為3.32%，剪力釘承載百分比約為3.0%，整體上剪力釘受力略小于開孔板連接件。

研究在某一高度處不同位置的開孔板連接件的受力時(shí)，取其一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，正面有開孔板剪力連接件12列，側(cè)面有7列，同一加勁肋上相同高度處的兩個(gè)非線性彈簧所受合力為此處開孔板連接件所分擔(dān)的荷載。取頂層開孔板剪力連接件分擔(dān)荷載情況研究橫向分布情況，分擔(dān)荷載的百分比如圖10所示。

研究表明開孔板連接件在角隅位置處受力較大，從角隅至中點(diǎn)位置逐漸減小，中點(diǎn)位置受力基本均勻；工況一～工況五，隨著荷載的不斷增大，各連接件承載百分比逐漸減小，但相比中點(diǎn)位置，角隅處減小略大，各連接件的受力逐漸趨于均勻。

2.4 剪力連接件受力分析

總體考慮剪力連接件分擔(dān)荷載的情況時(shí)，按照剪力連接件的布置形式，從頂部向下依次取一層剪力釘和一層開孔板連接件作為高度方向一層剪力連接件所分擔(dān)的荷載，由于實(shí)際施工原因，在高度方向兩種連接件交錯(cuò)布置。計(jì)算的橋塔節(jié)段中開孔板連接件相比剪力釘在高度方向多一層，由于底層的開孔板連接件受力最小，故忽略底層的開孔板連接件受力，將其他各層開孔板連接件與剪力釘所承受的力線性疊加，則高度方向某層剪力連接件分擔(dān)荷載的百分比如圖11所示。

在高度方向，剪力連接件分擔(dān)荷載的百分比從頂部向下依次減小，頂部第一層受力最大，隨荷載的增大，分擔(dān)荷載的百分比逐漸降低，從工況1～工況5，百分比約降低2%，分擔(dān)荷載的百分比趨于線性變化；底層受力最小，約占總荷載的0.30%～0.35%。

3 結(jié)論

本文針對(duì)鋼-混凝土組合橋塔鋼與混凝土粘結(jié)界面上布置的剪力連接件進(jìn)行受力分析，基于不同軸向作用下的合理簡(jiǎn)化，結(jié)合5種工況剪力連接件分析結(jié)果，初步得到幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）不考慮溫度，材料非線性等因素影響時(shí)，不同工況下，混凝土區(qū)域布置剪力連接件處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，計(jì)算得混凝土最大拉應(yīng)力為3.63 MPa，但這只是假定材料為線彈性材料情況下的名義應(yīng)力，實(shí)際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力水平應(yīng)低于該計(jì)算值。

（2）軸力作用下，剪力釘承載在豎向呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，頂層剪力連接件受力最大，約占軸力的3%，底層最小，約占軸力的0.19%。由于頂層剪力釘受力最大，頂層剪力釘分擔(dān)荷載的橫向分布規(guī)律更加明顯，對(duì)于橋塔各個(gè)橫截面而言，其分布規(guī)律具有在角隅處受力較大，遠(yuǎn)離角隅處逐漸減小并趨于均勻的特點(diǎn)。軸力為0.2P時(shí)，角隅處剪力釘分擔(dān)荷載可達(dá)到其他位置剪力釘?shù)?倍左右；隨荷載的增大，角隅處剪力釘分擔(dān)荷載逐漸減小，剪力釘受力逐漸均勻。

（3）開孔板連接件在軸向力作用下分擔(dān)荷載與剪力釘類似，在豎向呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，頂層受力最大，占軸力的3.32%，略大于剪力釘分擔(dān)的荷載。開孔板連接件的橫向受力分布規(guī)律具有在角隅處受力較大，遠(yuǎn)離角隅處較小的特點(diǎn)；隨著荷載的增大，開孔板連接件分擔(dān)的荷載逐漸減小，在角隅處分擔(dān)的荷載略大于中點(diǎn)位置處。

（4）軸力作用下，剪力連接件分擔(dān)的荷載由上至下依次減小，頂部受力最大；剪力連接件分擔(dān)的荷載約占軸力的30%，其余由混凝土承擔(dān)，隨荷載的增加，剪力連接件分擔(dān)荷載百分比逐漸降低。

（5）基于對(duì)剪力釘和開孔板連接件的受力研究，混凝土傳力區(qū)的有效高度在11層剪力連接件左右，即橋塔高度4.8 m左右，此高度以下范圍內(nèi)的各層剪力連接件分擔(dān)荷載百分比均小于1%，分擔(dān)荷載百分比總和不高于橋塔節(jié)段所有剪力連接件分擔(dān)荷載的2%。

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