有格室—后承壓板式鋼混結(jié)合段力學(xué)性能研究

周 陽，陳小平，邵俊虎，周佳雨，羅健輝

(成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

隨著工程技術(shù)的提高，將不同材料進(jìn)行組合形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)體系得到了快速發(fā)展.混合梁是通過預(yù)應(yīng)力鋼絞線、剪力連接件以及承壓板等構(gòu)件將鋼梁和混凝土梁在縱向連接在一起所形成的新型結(jié)構(gòu)，一般被用于大跨度橋梁的主梁[1].這種結(jié)構(gòu)不僅可以增加橋梁主跨跨度，提高通航能力，還可以增大結(jié)構(gòu)的整體剛度，提高其穩(wěn)定性，在大跨度橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用.1972年，德國建成世界上第一座混合梁斜拉橋，因其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越，受到了眾多橋梁設(shè)計者的喜愛，使這種橋型的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展.在我國，這種橋型主要被用于斜拉橋、懸索橋及梁橋等結(jié)構(gòu)體系中.近年來，混合梁斜拉橋被廣泛應(yīng)用于公路橋、鐵路橋或公路鐵路兩用橋梁建設(shè)中[2-4].

混合梁橋中鋼梁和混凝土梁連接部被稱為鋼混結(jié)合段，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，傳力途徑較多，是混合梁橋關(guān)鍵構(gòu)造之一，也是主梁在荷載傳遞中的薄弱點.鋼混結(jié)合段一般可以按承壓板位置和有無鋼格室進(jìn)行分類，具體可以分為有格室—前承壓板、有格室—后承壓板、有格室—前后承壓板及無格室—后承壓等結(jié)構(gòu)形式.根據(jù)統(tǒng)計分析，有格室—后承壓板形式在幾種結(jié)構(gòu)形式中使用較多，我國眾多大跨度混合梁橋鋼混結(jié)合段都采用了這種結(jié)構(gòu)形式，如九江長江公路大橋、南昌英雄大橋、重慶鵝公巖軌道專用橋、廈門馬新大橋及鄂東長江大橋等[5].

鋼混結(jié)合段設(shè)計的合理性關(guān)乎橋梁運營的安全性，眾多學(xué)者針對其力學(xué)性能開展了大量研究，包括傳力性能、鋼梁與混凝土梁之間的相對變形及抗疲勞能力等方面.本研究對已開展的有格室—后承壓板式鋼混結(jié)合段研究進(jìn)行了總結(jié)，并對我國首座典型鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段力學(xué)性能進(jìn)行分析，為今后工程設(shè)計提供參考.

1 承載能力及傳力性能

鋼混結(jié)合段一般截面尺寸較大，考慮到試驗場地和試驗儀器加載能力，對于其靜力行為研究一般結(jié)合有限元方法,采用相似理論設(shè)計縮尺模型進(jìn)行模型試驗.為反映結(jié)構(gòu)在橋梁中真實的受力情況，試驗?zāi)Ｐ退捎玫牟牧闲阅芎秃附庸に嚨榷寂c原橋結(jié)構(gòu)一致.

南昌英雄大橋為主跨188 m的傾斜獨塔混合梁斜拉橋，其鋼混結(jié)合段設(shè)置在從橋塔處向跨中方向10.5 m的位置，結(jié)合段長為1.5 m.張仲先等[6-7]通過應(yīng)力等效原則選取橫向7個箱室中的1個箱室，按照縮尺比為1∶2制作了該鋼混結(jié)合段試驗?zāi)Ｐ?試驗表明，該結(jié)合段在1.4倍設(shè)計極限荷載作用下，各構(gòu)件應(yīng)力水平仍較小，結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài).通過結(jié)合段有限元模型分析，經(jīng)承壓板傳遞到鋼格室和混凝土梁的軸力比約為1∶2.

鄂東長江大橋為公路混合梁斜拉橋，其主跨度為926 m，鋼混結(jié)合段長為2 m.經(jīng)對結(jié)合段設(shè)置在不同位置處鋼箱梁的應(yīng)力、應(yīng)力幅、撓度及轉(zhuǎn)角的計算，以及對大橋施工階段非線性穩(wěn)定性的分析，確定結(jié)合段位置布置最優(yōu)方案，即設(shè)置在中跨側(cè)距橋塔中心12.5 m處[8-9].劉榮等[10]建立鄂東長江大橋鋼混結(jié)合段局部格室有限元模型，對該結(jié)合段荷載傳遞情況進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明，沿鋼梁段至混凝土梁方向，該結(jié)合段底板的縱向應(yīng)力由-90 MPa平順降低，混凝土梁應(yīng)力逐漸增大至-20 MPa，結(jié)合段內(nèi)由承壓板將50%的軸力直接傳遞給混凝土梁.格室內(nèi)剪力釘剛度較小，主要起防止鋼梁和混凝土梁之間掀起分離作用，PBL剪力鍵起主要傳剪作用.

九江長江公路大橋主跨跨徑為818 m，鋼混結(jié)合段總長為8.15 m，其中鋼梁加勁過渡段和混凝土加強(qiáng)段分別長4.15 m和2 m，鋼混結(jié)合部長為2 m.張奇志等[11-12]依據(jù)相似理論設(shè)計并制作了該結(jié)合段相似比為1∶2的縮尺模型，對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了靜力加載，并結(jié)合有限元模型對其受力性能進(jìn)行分析.在承壓板附近，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力存在一定的突變，但整體過渡較為平順.在超載工況下，即1.8倍最大正彎矩工況(最不利荷載)或1.0倍最大正彎矩工況加4.0倍設(shè)計荷載作用下，在鋼梁加勁肋U肋處出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，為198.7 MPa，混凝土梁最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為1.3 MPa和17.0 MPa，鋼混結(jié)合段仍處于彈性受力狀態(tài).試驗完成后也并未觀察到混凝土開裂及鋼結(jié)構(gòu)屈服等破壞極限現(xiàn)象，說明該結(jié)合段具有足夠的靜力承載能力和較大的安全儲備.

廈門馬新大橋為主跨209.15 m的斜獨塔混合梁斜拉橋，其鋼混結(jié)合段設(shè)置在橋塔向跨中方向為9.75 m處，長為2.0 m.李小珍等[13]按照應(yīng)力等效原則，設(shè)計并制作了在長度和高度方向縮尺比為1∶2，寬度方向縮尺比為1∶10的該橋結(jié)合段縮尺模型，并結(jié)合有限元方法對結(jié)合段傳力機(jī)理進(jìn)行了研究，試驗分析表明，在1.7倍設(shè)計荷載作用下(最大軸力組合和最大負(fù)彎矩組合)，該鋼混結(jié)合段各構(gòu)件應(yīng)力水平均較低，仍處于彈性受力狀態(tài)，具有足夠的安全儲備.經(jīng)有限元分析，約50%的軸向力作用由承壓板傳遞，其余軸向力通過鋼格室各板件及PBL剪力鍵傳遞至混凝土梁.

重慶永川長江大橋主橋為主跨608 m雙塔混合梁斜拉橋，其鋼混結(jié)合段設(shè)置在主塔根部附近.霍學(xué)晉等[14]考慮材料非線性、接觸非線性以及混凝土的開裂和壓碎情況，建立了4種單個格室的非線性有限元模型，對結(jié)合段中承壓板、PBL剪力鍵和剪力釘3種構(gòu)件的傳力比和工作性能進(jìn)行研究.有限元分析結(jié)果表明，對于原橋結(jié)合段構(gòu)件，隨著荷載的增大，腹板的屈服區(qū)并沒有較大擴(kuò)展；4種不同傳力形式模型的受力過程和破壞形態(tài)各不相同，其中承壓板的傳力作用可以有效地提高結(jié)合段的極限承載能力，只有在PBL剪力鍵情況下各構(gòu)件受力均勻，剪力釘起到了有效分擔(dān)荷載傳遞的作用.

重慶鵝公巖軌道專用橋為自錨式懸索橋，主跨為600 m，鋼混結(jié)合段長為3.5 m.秦鳳江等[15]根據(jù)應(yīng)力等效原則和圣維南原理，確定了縮尺比為1∶3的橫向半結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ?，并建立了該結(jié)合段有限元分析模型.試驗研究表明，在2.0倍最大軸向力工況下，結(jié)構(gòu)整體仍處于彈性受力狀態(tài)，結(jié)合段中鋼梁與混凝土梁協(xié)同工作狀態(tài)良好.有限元模型分析表明，承壓板面外承壓直接傳遞到混凝土梁的軸力占比為61.1%，剪力釘和PBL連接件傳遞軸力比分別為4.9%和12.1%，其余21.9%的軸力通過開孔板端部承壓作用傳遞.由于剪力釘剛度較小，PBL剪力鍵起到了主要傳剪作用.

2 疲勞性能

鋼混結(jié)合段的疲勞性能與其組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)及剪力鍵等結(jié)構(gòu).通過對結(jié)合段進(jìn)行靜力性能分析表明，結(jié)合段在各工況下基本處于受壓狀態(tài)，但該壓應(yīng)力不大；同時，結(jié)合段的設(shè)計不易出現(xiàn)拉應(yīng)力或者拉應(yīng)力極小，在活載作用下，疲勞應(yīng)力幅也不大，所以，鋼結(jié)構(gòu)部分不會普遍存在疲勞問題.在對九江長江大橋結(jié)合段模型進(jìn)行200萬次疲勞循環(huán)加載后，其結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)和混凝土梁測點應(yīng)力沒有發(fā)生明顯的變化，考慮其上行駛車輛超載40%的情況進(jìn)行疲勞加載，發(fā)現(xiàn)其結(jié)合段仍然具有良好的抗疲勞性能[16].

鋼混結(jié)合段的剪力釘需傳遞巨大的剪力，且剪力釘群釘效應(yīng)會明顯導(dǎo)致結(jié)合段剪力釘群受力不均勻，其中，靠近承壓板端部的剪力釘受力較大，中部剪力釘受力較小.如發(fā)生局部剪力釘失效情況，將如“多米諾骨牌”效應(yīng)一般導(dǎo)致更多剪力釘失效，故剪力釘?shù)钠趩栴}是鋼混結(jié)合段主要存在的問題.

3 實橋鋼混結(jié)合段受力性能

寧波鐵路樞紐北環(huán)線甬江特大橋主跨為468 m，是我國首座典型鐵路混合梁斜拉橋，其結(jié)合段采用有格室—后承壓板式構(gòu)造，與傳統(tǒng)結(jié)合段相比，其通過加長過渡段，將鋼格室頂板傾斜布置，在各格室內(nèi)梯形填充混凝土的方式，有效地減少了結(jié)合段各截面形心的變化幅度和截面附加彎矩.圖1為甬江大橋鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖.為研究該鋼混結(jié)合段的力學(xué)性能，根據(jù)應(yīng)力等效原則，對其進(jìn)行了全截面縮尺模型試驗和局部最不利的典型格室足尺模型試驗研究[17-19]，試驗?zāi)Ｐ筒捎玫牟牧虾秃附庸に嚺c原橋結(jié)構(gòu)一致，鋼結(jié)構(gòu)采用Q345qD鋼，混凝土為C60膨脹型混凝土，具體如圖2所示.

圖1 鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖

圖2 甬江大橋鋼混結(jié)合段試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

3.1 鋼混結(jié)合段靜力性能分析

3.1.1 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)受力分析

對全截面模型和局部足尺模型進(jìn)行典型工況(即最大負(fù)彎矩工況)的加載.試驗研究表明，鋼混結(jié)合段整體應(yīng)力水平較低，底板應(yīng)力較頂板稍大，在承壓板位置存在一定的應(yīng)力突變;鋼混結(jié)合段底板受壓，在承壓板附近受力最大，此處最大壓應(yīng)力為20 MPa～30 MPa，隨著距承壓板距離增大，底板應(yīng)力平緩下降，直至降低為零.

根據(jù)模型試驗結(jié)果以及對全截面和受力最大的典型格室進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，格室內(nèi)填混凝土梁正應(yīng)力水平較低，最大壓應(yīng)力約為10 MPa.與承壓板接觸的混凝土梁的邊緣受力極不均勻，有一定應(yīng)力集中現(xiàn)象.隨著與承壓板距離增大，混凝土梁受力趨于均勻，至結(jié)合段與標(biāo)準(zhǔn)混凝土梁段連接處，此處混凝土梁正應(yīng)力約為-5 MPa.

3.1.2 承壓板與剪力鍵傳力分析

甬江大橋結(jié)合段采用“承壓+傳剪”的復(fù)合傳力方式進(jìn)行荷載傳遞，具體在結(jié)合段與鋼箱梁截面間設(shè)置一道承壓板對荷載起分散作用.建立鋼混結(jié)合段全截面及典型格室有限元模型，對截面正應(yīng)力進(jìn)行積分可以獲得結(jié)合段軸力傳遞情況.經(jīng)計算分析，全截面模型中由承壓板直接分配到混凝土梁的軸向力為54%，典型格室模型中由承壓板直接分配到混凝土梁的軸向力為46%，承壓板在該結(jié)合段中起到了重要的傳力作用，約50%的荷載由承壓板直接傳遞到混凝土梁，其余荷載經(jīng)承壓板傳遞至鋼格室各板件，再由鋼格室各板件上設(shè)置的剪力鍵將荷載傳遞到混凝土梁.

除承壓板直接傳遞的軸力外，其余荷載通過鋼格室各隔板上設(shè)置的開孔板連接件(PBL剪力鍵)和格室內(nèi)頂、底板上設(shè)置的剪力釘傳遞至混凝土梁段.經(jīng)有限元分析表明，該結(jié)合段中剪力釘較PBL剪力鍵傳遞的剪力多，起到了主要傳剪作用.兩種剪力鍵都表現(xiàn)出明顯的群釘效應(yīng)，在結(jié)合段兩端部的剪力鍵的受力明顯較中部剪力鍵受力大.

3.2 鋼混結(jié)合段疲勞性能分析

結(jié)構(gòu)的焊接工藝、殘余應(yīng)力及材料的初始缺陷都會對結(jié)構(gòu)的疲勞性能產(chǎn)生一定影響.為準(zhǔn)確獲取甬江大橋鋼混結(jié)合段的疲勞特性，根據(jù)Miner線性疲勞損傷積累理論，在靜載后對局部足尺模型進(jìn)行疲勞試驗，包括200萬次橋梁設(shè)計使用年限內(nèi)的疲勞驗證加載和將疲勞加載應(yīng)力幅提高到1.5倍的100萬次疲勞破壞加載，每隔20萬次疲勞加載后停機(jī)進(jìn)行靜載試驗，觀察結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布的變化.

在200萬次疲勞試驗后，足尺模型各構(gòu)件應(yīng)力水平基本沒有變化，結(jié)構(gòu)表面也未出現(xiàn)裂縫和剝落現(xiàn)象，展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)良好的疲勞性能.經(jīng)過100萬次疲勞驗證試驗后，在靠近承壓板的鋼格室頂板及該頂板上焊接的剪力釘?shù)膽?yīng)力水平明顯增大，局部剪力釘已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形.雖然鋼混結(jié)合段一般設(shè)置在剪力較小處，但仍會承受巨大的軸力和較大的彎矩，在彎矩作用下，鋼格室頂、底板與內(nèi)填混凝土梁之間會產(chǎn)生翹曲；在疲勞荷載作用下，鋼板與混凝土表面容易產(chǎn)生分離，不利于此處剪力鍵的受力.同時，PBL剪力鍵在疲勞試驗中表現(xiàn)出良好的抗疲勞性能，在剪力釘趨于失效的情況下，PBL剪力鍵的荷載傳力比不斷提高，保證了結(jié)合段良好的傳力體系.

4 結(jié) 語

本研究對有格室—后承壓板結(jié)合段的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合典型鐵路混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段靜力和疲勞模型試驗結(jié)果，得到以下結(jié)論.

1)鋼混結(jié)合段是混合梁斜拉橋關(guān)鍵構(gòu)造之一，荷載通過鋼梁加勁段傳至鋼混結(jié)合段，在兩者連接處承壓板部位存在一定的應(yīng)力突變.根據(jù)已建混合梁橋研究表明，承壓板在荷載傳遞和分配過程中起重要的作用，50%及以上的軸向荷載可以通過承壓板面外承壓的作用直接傳遞至混凝土梁；鋼混結(jié)合段整體應(yīng)力水平較低，具有足夠的靜力承載能力和安全系數(shù).

2)由于鋼混結(jié)合段的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)主要處于受壓狀態(tài)，且應(yīng)力水平和應(yīng)力幅均較小，不易出現(xiàn)疲勞問題；而結(jié)合段中的剪力鍵處于一種高應(yīng)力狀態(tài)，容易出現(xiàn)疲勞問題，所以，應(yīng)特別注意結(jié)合段中剪力鍵的疲勞問題.

3)對甬江大橋鋼混結(jié)合段進(jìn)行了靜載和疲勞試驗，研究表明，該橋鋼混結(jié)合段具有足夠的靜力承載能力，在設(shè)計年限內(nèi)具有足夠的抗疲勞性能，考慮到超載等情況提高應(yīng)力幅加載后，發(fā)現(xiàn)靠近承壓板處的剪力釘出現(xiàn)了一定程度的疲勞問題.