非對(duì)稱斜拉橋主梁鋼-混凝土結(jié)合段力學(xué)性能分析

陳學(xué)雄

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全中心，福建 福州 350001)

鋼-混凝土混合梁斜拉橋因其力學(xué)性能優(yōu)良，近年來(lái)逐漸應(yīng)用于大跨徑公路、鐵路及公鐵兩用斜拉橋建設(shè)中.混合梁斜拉橋采用混凝土結(jié)構(gòu)邊跨、鋼結(jié)構(gòu)中跨的組合體系橋梁，減小了主跨梁體內(nèi)力及變形，降低了邊跨支點(diǎn)負(fù)反力，加大了橋體的跨越能力，有效發(fā)揮鋼材與混凝土材料的特性，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)性顯著[1-2].

混合體系斜拉橋通常采用鋼-混結(jié)合段進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的連接.由于鋼材、混凝土材料自身特性存在極大差異，結(jié)合段作為混合梁斜拉橋的核心傳力部件，其連接構(gòu)造和受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)易出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，直接影響大橋的使用壽命[3-4].因此，本文針對(duì)混合梁結(jié)合段進(jìn)行有限元分析，掌握主梁鋼混結(jié)合段中鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件的受力性能及兩者之間力的傳遞情況，為主梁鋼-混結(jié)合段的設(shè)計(jì)和施工提供參考借鑒.

1 工程概況

圖1為跨徑為961 m的非對(duì)稱鋼-混凝土混合梁斜拉橋，主橋采用半漂浮單側(cè)不對(duì)稱體系.主跨535 m單側(cè)混合梁斜拉橋(北邊跨為混凝土梁，中跨及南邊跨為鋼箱梁)，北側(cè)邊跨內(nèi)設(shè)置2個(gè)輔助墩，南側(cè)邊跨設(shè)1個(gè)輔助墩.

圖1 混合梁斜拉橋現(xiàn)場(chǎng)

鋼混結(jié)合段采用部分填充混凝土后面承壓板式結(jié)合段，連接處鋼梁端部為多格室結(jié)構(gòu)，在孔內(nèi)填充微膨脹鋼纖維混凝土與混凝土梁連接成為一個(gè)整體，為使多格室部分的鋼板與填充的混凝土結(jié)合密實(shí)，在鋼板上設(shè)置了圓柱頭栓釘和PBL 剪力鍵，并用預(yù)應(yīng)力鋼束將鋼梁和混凝土梁連成整體.鋼-混結(jié)合段縱、橫斷面如圖2所示，9.5 m 結(jié)合段由4 m混凝土箱梁段+2 m鋼-混凝土結(jié)合段+3.05 m鋼箱梁加強(qiáng)段+0.45 m鋼箱梁段組成.起點(diǎn)為距離索塔中心線向中跨側(cè)8.5 m的位置，另一側(cè)和鋼箱梁A梁段連接.結(jié)合部頂板厚度為25 mm，底板厚度為25 mm，承壓板厚度為45 mm，開(kāi)孔鋼板厚度為22 mm.鋼格室長(zhǎng)度2 000 mm，高度800 mm.在鋼格室與混凝土相接觸的頂板、底板和腹板上均設(shè)置焊釘和開(kāi)孔鋼板連接件.

(a) 縱斷面

(b) 橫斷面圖2 鋼-混結(jié)合段斷面(單位：mm)

2 橋梁靜載試驗(yàn)

為了進(jìn)一步掌握鋼-混結(jié)構(gòu)體系在試驗(yàn)荷載作用下的實(shí)際受力狀態(tài)和力的傳遞機(jī)理，本文采用鋼-混結(jié)合段附近的主梁墩頂最大負(fù)彎矩工況的主橋靜力荷載試驗(yàn)的試驗(yàn)值，與后續(xù)介紹的有限元模型計(jì)算值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證有限元模型的正確性.

2.1 控制截面

為了滿足鑒定橋梁承載力的要求，靜載試驗(yàn)荷載工況的確定用以反映橋梁結(jié)構(gòu)最不利受力狀態(tài)，荷載試驗(yàn)的設(shè)計(jì)值按照橫橋向布置8車道進(jìn)行計(jì)算，并考慮汽車沖擊力.控制截面按結(jié)構(gòu)在公路Ⅰ級(jí)荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖來(lái)確定，圖3為其汽車荷載彎矩包絡(luò)圖.

圖3 公路I級(jí)荷載下主梁彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》(JTG/T J21-01—2015)，確定本橋靜載試驗(yàn)的控制截面(見(jiàn)表1)，控制截面如圖4所示.根據(jù)主梁彎矩包絡(luò)圖，確定按主梁墩頂最大負(fù)彎矩(JM-2截面對(duì)應(yīng)最大負(fù)彎矩)布載，橫橋向?yàn)閷?duì)稱加載.

表1 主梁控制截面及測(cè)試內(nèi)容

圖4 控制截面選取

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于距離南岸主塔10 m處附近截面，主梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面的具體位置如圖5所示.

圖5 主梁邊跨應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置

2.3 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

主梁墩頂最大負(fù)彎矩LS-2斷面主梁測(cè)點(diǎn)不同加荷等級(jí)下應(yīng)變?cè)囼?yàn)值見(jiàn)表2. 表2中，各測(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)變均小于理論計(jì)算值，主要測(cè)點(diǎn)各工況各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變效驗(yàn)系數(shù)在0.55～0.89之間，說(shuō)明實(shí)際結(jié)構(gòu)剛度比計(jì)算模型略大，有良好的安全儲(chǔ)備.

表2 主梁墩頂最大負(fù)彎矩LS-2斷面主梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)變(με)

3 有限元模擬

3.1 模型建立

鋼-混結(jié)合段的有限元模型建立包含鋼混結(jié)合部、鋼梁過(guò)渡段、混凝土梁加強(qiáng)段等部分，有限元模型如圖6所示.開(kāi)展不利工況下結(jié)合段有限元受力分析，斜拉橋鋼混結(jié)合段以軸力及面內(nèi)彎曲作用為主，考慮結(jié)構(gòu)及受力的對(duì)稱性，選取1/2橋?qū)掃M(jìn)行計(jì)算.該有限元模型包含約75萬(wàn)個(gè)單元，約63萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖6 鋼-混結(jié)合段有限元模型

根據(jù)鋼-混結(jié)合段情況，采用ANSYS分析軟件建立有限元節(jié)段梁模型總長(zhǎng)約9.5 m.結(jié)合部鋼格室內(nèi)填混凝土采用Solid186實(shí)體單元模擬，該單元共有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度.鋼結(jié)構(gòu)采用Shell181殼單元模擬，該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度.開(kāi)孔連接件和焊釘連接件采用Combin14彈簧單元模擬，以3個(gè)彈簧單元為1組，模擬連接件面內(nèi)2個(gè)方向剪切及法向拉伸作用.預(yù)應(yīng)力筋采用Link8桿單元模擬，鋼絞線張拉力作為單元初始應(yīng)力模擬[5].鋼與混凝土結(jié)合面處設(shè)置接觸單元對(duì)，以傳遞二者間的法向作用力，從安全角度出發(fā)，此處暫不考慮鋼與混凝土之間的摩擦力.

3.2 材料性能

鋼材采用Q345鋼，容重為78.5×(1+1.5%)kN/m3，彈性模量210 GPa，泊松比為0.3；混凝土采用C55等級(jí)，容重為26 kN/m3，彈性模量為35.5 GPa，泊松比為0.166 7.鋼絞線彈性模量為195 GPa，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，其中張拉控制應(yīng)力為0.75fpk=1 395 MPa，另25%計(jì)入預(yù)應(yīng)力損失.焊釘連接件剪切剛度為302.4 kN/mm，開(kāi)孔鋼板連接件剪切剛度取為917 kN/mm.

3.3 邊界條件

有限元模型在混凝土梁段端部施加固定約束，在鋼梁段端部設(shè)置主節(jié)點(diǎn)，施加不利工況下主梁軸力、彎矩及剪力作用，鋼梁斷面各節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)建立位移協(xié)調(diào)方程.同時(shí)依據(jù)對(duì)稱性，對(duì)主梁對(duì)稱面上的節(jié)點(diǎn)施加對(duì)稱約束，如圖7所示.

3.4 荷載工況

荷載工況采用在不利荷載組合“恒載+支座沉降+汽車荷載+整體溫度+索溫差+塔壁溫度+主梁梯度溫度+制動(dòng)力+活載縱風(fēng)”的作用下，鋼混結(jié)合面承受的最不利內(nèi)力[6].考慮到斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段彎矩及軸力作用較大，選取最大軸力工況(工況1)、最大負(fù)彎矩工況(工況2)和最大正彎矩工況(工況3)3個(gè)最不利受力工況，分別施加不利內(nèi)力，分析混合梁斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段不利荷載作用的受力特性，如表3所示.

圖7 鋼混結(jié)合段邊界條件

表3 實(shí)橋不利組合荷載工況

4 模擬結(jié)果分析

4.1 模型驗(yàn)證

將主梁墩頂最大負(fù)彎矩工況的內(nèi)力(見(jiàn)表3)施加于有限元模型，得到模型的計(jì)算應(yīng)變值，見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn)，計(jì)算值和試驗(yàn)值吻合較好，即可采用建立的有限元模型用于結(jié)合部受力分析.

4.2 結(jié)合部應(yīng)力

限于篇幅，文中只列出最大軸力工況(工況1)時(shí)結(jié)合部的應(yīng)力分析情況.鋼箱梁段的高應(yīng)力經(jīng)過(guò)鋼梁過(guò)渡段的降低后，傳至鋼格室，依次分析了上格室鋼板、下格室鋼板、鋼格室開(kāi)孔鋼板及鋼格室內(nèi)填混凝土縱橋向應(yīng)力分布情況.

上格室鋼板的縱橋向正應(yīng)力云如圖8所示，可以看出：后承壓板在應(yīng)力傳遞過(guò)程中的作用很大，在頂板上壓應(yīng)力通過(guò)后承壓板后，迅速地從40 MPa以上下降至20 MPa以下.

圖8 上格室鋼板縱橋向正應(yīng)力分布(單位：MPa)

下格室鋼板縱橋向正應(yīng)力分布如圖9所示，可以看出：頂板上壓應(yīng)力通過(guò)后承壓板后，迅速?gòu)募s40 MPa下降至約15 MPa；同時(shí)下格室的鋼板除在靠近后承壓板處有小范圍的應(yīng)力集中外，大部分應(yīng)力分布較為均勻.

圖9 下鋼格室鋼板縱橋向正應(yīng)力分布(單位：MPa)

鋼格室開(kāi)孔鋼板縱橋向正應(yīng)力分布如圖10所示，可以看出：開(kāi)孔鋼板最大拉應(yīng)力為10 MPa，最大壓應(yīng)力為20 MPa.

圖10 鋼格室開(kāi)孔鋼板縱橋向正應(yīng)力分布(單位：MPa)

鋼格室內(nèi)填混凝土縱橋向應(yīng)力分布如圖11所示，可以看出：考慮了預(yù)應(yīng)力筋的影響，在預(yù)應(yīng)力錨固處存在較大的應(yīng)力集中，混凝土與后承壓板、T形加勁肋和U肋接觸處由于受擠壓作用應(yīng)力稍大，其他部位壓應(yīng)力均在6 MPa以下，整體應(yīng)力水平不高；縱橋向應(yīng)力在后承壓板、焊釘和開(kāi)孔鋼板連接件的共同作用下，在進(jìn)入鋼格室400 mm處后應(yīng)力分布趨于均勻，在800 mm處后應(yīng)力分布已較為均勻，即后承壓板、焊釘和開(kāi)孔鋼板連接件的傳力效果較好，實(shí)現(xiàn)了鋼梁中較高應(yīng)力傳遞到了混凝土梁段中.

圖11 鋼格室混凝土縱橋向正應(yīng)力分布(單位：MPa)

鋼格室混凝土橫橋向正應(yīng)力，除混凝土底部設(shè)有2排橫向預(yù)應(yīng)力筋的錨固位置存在應(yīng)力集中外，橫向壓應(yīng)力水平都較低，均低于5 MPa.

4.3 傳力途徑

結(jié)合部軸力由頂?shù)装?、開(kāi)孔鋼板及其連接件和焊釘連接件等傳遞至混凝土[7]. 上格室焊釘連接件剪力分布如圖12所示，可以看出：上格室頂板焊釘連接件沿橫橋向最大剪力達(dá)到28 kN；上格室底板焊釘連接件沿橫橋向最大剪力達(dá)到29 kN；承壓板附近的焊釘剪力小，遠(yuǎn)離承壓板的焊釘剪力大；橫橋向設(shè)開(kāi)孔鋼板處焊釘剪力明顯減小，鋼格室中部焊釘剪力明顯增大；而在橫橋向中部設(shè)有通長(zhǎng)的中腹板，存在明顯的剪力滯效應(yīng)，因此中腹板處的頂?shù)装搴羔敿袅ν蝗蛔兇?

(a) 頂板焊釘

(b) 底板焊釘圖12 上格室焊釘連接件剪力分布

下格室焊釘連接件剪力分布如圖13所示，可以看出：下格室頂板、底板焊釘連接件沿橫橋向剪力最大剪力分別為37、20 kN；承壓板附近的焊釘剪力小，遠(yuǎn)離承壓板的焊釘剪力大；橫橋向設(shè)開(kāi)孔鋼板處焊釘剪力明顯減小，鋼格室中部焊釘剪力明顯增大；而在橫橋向中部設(shè)有通長(zhǎng)的中腹板，存在明顯的剪力滯效應(yīng)，因此中腹板處的頂?shù)装搴羔敿袅ν蝗蛔兇?，下格室焊釘剪力比上格室焊釘剪力略?

(a) 頂板焊釘

(b) 底板焊釘圖13 下格室焊釘連接件剪力分布

鋼梁段終將通過(guò)各部件把內(nèi)力傳遞至混凝土段，對(duì)結(jié)合部混凝土進(jìn)行受力分析，結(jié)合部各部件內(nèi)力傳遞分布如圖14所示.焊釘連接件和開(kāi)孔鋼板連接件作用力平穩(wěn)地向混凝土傳遞，結(jié)合部混凝土應(yīng)力集中得到緩解.

圖14 結(jié)合部各部件傳力曲線

鋼梁過(guò)渡段通過(guò)后承壓板傳遞至結(jié)合部混凝土67.2%的軸力，其后頂?shù)装逋ㄟ^(guò)焊釘連接件和開(kāi)孔鋼板連接件將軸力平緩地傳遞至混凝土中，直至結(jié)合部軸力全部傳遞至混凝土中.焊釘連接件承擔(dān)了16.9%的軸力，開(kāi)孔鋼板連接件承擔(dān)了15.9%的軸力.

5 結(jié)論

1) 通過(guò)驗(yàn)證ANSYS 軟件建立三維有限元模型的計(jì)算值，與成橋后橋梁靜載試驗(yàn)的應(yīng)力實(shí)測(cè)值吻合較好，判定可采用該模型用于結(jié)合部的局部受力分析.

2) 結(jié)合段鋼梁經(jīng)過(guò)鋼梁加勁過(guò)渡段應(yīng)力擴(kuò)散，經(jīng)結(jié)合部承壓板、焊釘連接件及開(kāi)孔鋼板連接件傳遞，將鋼梁作用力較為平順地傳遞至混凝土梁段.

3) 鋼格室內(nèi)填混凝土在預(yù)應(yīng)力錨固處存在較大的應(yīng)力集中，縱橋向應(yīng)力在后承壓板、焊釘和開(kāi)孔鋼板連接件的共同作用下，傳力效果較好.

4) 焊釘最大剪力約為37 kN，中心腹板及縱隔板處剪力略大.

5) 由結(jié)合部軸力傳力比例顯示，焊釘連接件承擔(dān)約16.9%作用力，開(kāi)孔鋼板連接件承擔(dān)了15.9%作用力，后承壓板承擔(dān)了67.2%作用力.