張　凱,劉永健,琚明杰,劉　江

(1.長安大學(xué)　公路學(xué)院，陜西　西安　710064；2.東莞市交通投資集團(tuán)有限公司，廣東　東莞　523010)

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無格室鋼-混結(jié)合段構(gòu)造形式與受力性能分析

張凱1,劉永健1,琚明杰2,劉江1

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064；2.東莞市交通投資集團(tuán)有限公司，廣東東莞523010)

摘要：為研究無格室鋼-混結(jié)合段不同構(gòu)造形式的受力性能，本文以梨川大橋無格室鋼-混結(jié)合段為研究背景，通過數(shù)值分析方法分別就兩種不同連接件構(gòu)造形式的鋼混結(jié)合段受力性能進(jìn)行了分析。計算分析結(jié)果表明：鋼-混結(jié)合段PBL和栓釘連接件順橋向應(yīng)力分布不均布，靠近承壓板位置受力較大；負(fù)彎矩區(qū)結(jié)合段混凝土部分頂板橫向應(yīng)力分布不均勻，預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置對其結(jié)合部位混凝土頂板應(yīng)力橫橋向分布有影響；鋼梁頂?shù)装宓膭偠冗^渡加勁肋和等高U肋的突變部分，具有較大局部應(yīng)力集中；栓釘連接件和PBL與栓釘組合的連接件形式對結(jié)合段部位混凝土和鋼頂板受力影響不大。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼-混結(jié)合段；數(shù)值模擬；受力性能；開孔鋼板連接件

0引言

混合梁通過對兩種材料的合理利用，在受力性能、跨越能力、經(jīng)濟(jì)性能等方面得到了很大改善，在橋梁建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用[1]。鋼-混結(jié)合段作為混合梁橋的一部分，其主要作用是將鋼與混凝土兩種材質(zhì)的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，使兩者之間剛度過渡平順、傳力合理，有效充分發(fā)揮混合梁橋中鋼與混凝土兩種材料各自的優(yōu)勢。混合梁橋鋼-混結(jié)合段主要有“有格室”和“無格室”兩種構(gòu)造形式[2]。實際應(yīng)用過程中，鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造形式因橋型與跨徑的不同而不同。結(jié)構(gòu)方案(有無格室)與構(gòu)造形式(主要是連接件形式)的選取是混合梁橋設(shè)計的關(guān)鍵。

近些年，國內(nèi)一些學(xué)者[3-9]結(jié)合工程實例分別對重慶石板坡大橋、鄂東長江大橋、九江長江大橋等有格室鋼-混結(jié)合段進(jìn)行了理論與試驗研究。國內(nèi)針對無格室鋼混結(jié)合段的研究相對較少，文武松等[10]以汕頭礐石大橋為研究對象，設(shè)計了1∶2 倒梯形縮尺模型試件，分析了連接部位的受力及鄰近區(qū)域的應(yīng)力分布；陳開利[7]等針對舟山桃夭門大橋采用1∶2 的縮尺模型試驗,研究了結(jié)合段在各種不利荷載作用下各部分共同工作的特點、力的傳遞途徑及力的分布規(guī)律；胡建華、蒲懷仁等[8,11]針對佛山平勝大橋進(jìn)行了1∶4縮尺模型試驗和數(shù)值模擬，將開孔鋼板連接件(PBL)應(yīng)用于混合梁橋中，并對連接件進(jìn)行了推出試驗以研究其力學(xué)性能；吳文明、劉高等[12-13]通過簡化節(jié)段局部模型對無格室鋼混結(jié)合段進(jìn)行了有限元參數(shù)分析和軸壓傳力分析，并推導(dǎo)出連接件剪力大小及分布的簡化理論計算公式；劉玉擎等[14]針對結(jié)合段鋼加勁過渡段進(jìn)行了試驗與解析分析。國外針對組合梁的研究較多，少部分單獨針對結(jié)合段的研究中，Dunai[15]針對軸壓及循環(huán)荷載作用下的鋼-混結(jié)合段力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值與試驗研究；Kim S.E.和Kim S.H.[16-18]等對工字型鋼板梁與混凝土梁的拼接結(jié)合段進(jìn)行了數(shù)值計算及大小兩種比例的模型試驗，對不同連接件形式與仿真計算等進(jìn)行了研究。

現(xiàn)有無格室鋼-混結(jié)合段的研究以縮尺模型試驗為主并輔以數(shù)值分析，上述試驗均以驗證設(shè)計的合理性為目的。此外，現(xiàn)有研究均是針對設(shè)置栓釘連接件或PBL連接件的結(jié)合段，栓釘與PBL組合的連接件形式近些年在組合梁橋中發(fā)展迅速，其在無格室鋼-混結(jié)合段中的研究還未見報道。

本文通過工程實例對無格室鋼-混結(jié)合段各部分構(gòu)造的受力性能進(jìn)行了分析，并就兩種不同連接件形式(栓釘連接件和栓釘與PBL組合連接件)的受力性能進(jìn)行了對比，所得分析結(jié)論旨在為工程設(shè)計提供有益參考。

1工程背景

梨川大橋為無背索混合梁斜拉橋，跨徑布置為(51.5+138+55)m，邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土梁，中跨部分梁段為預(yù)制拼裝鋼梁，近塔側(cè)鋼混結(jié)合段設(shè)置在距離塔根部24.5 m處，遠(yuǎn)塔側(cè)鋼-混結(jié)合段設(shè)置在距離邊墩20.5 m處，總體布置如圖1所示。結(jié)合段部位橋?qū)?3 m，近塔和遠(yuǎn)塔側(cè)鋼-混結(jié)合段構(gòu)造類似。梨川大橋鋼-混結(jié)合段采用無格室承壓傳剪式構(gòu)造，混凝土梁中的預(yù)應(yīng)力鋼束錨固在承壓板上，并在承壓板布置栓釘，方案一采用在頂?shù)装宀贾盟ㄡ斉cPBL的組合連接件的構(gòu)造形式，如圖2所示。本橋結(jié)合段承壓板厚60 mm。栓釘直徑為22 mm,長150 mm。PBL靠近承壓板處高550 mm,端頭處高400 mm,孔徑為60 mm，內(nèi)穿φ22鋼筋。頂?shù)装搴穸染鶠?0 mm。

圖1　梨川大橋總體布置圖(單位：cm)Fig.1　General layout of Lichuan bridge(unit:cm)

圖2　梨川大橋鋼-混結(jié)合段構(gòu)造(單位：cm)Fig.2　Structures of steel-concrete connections in Lichuan bridge(unit:cm)

2模型建立

本文采用大型有限元軟件ABAQUS對結(jié)合段進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1材料屬性與單元的選取

結(jié)合段鋼梁、開孔鋼板連接件(PBL)、栓釘?shù)蠕摬木捎脧椥员緲?gòu)模型。鋼梁頂?shù)装?、承壓板和PBL均采用實體單元C3D8R進(jìn)行模擬。鋼梁其他部分采用殼單元S4R模擬?？紤]到栓釘數(shù)量較多，采用實體建模將使得模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量難以保證，且嚴(yán)重影響計算效率，因此這里采用梁單元B32進(jìn)行模擬。結(jié)合段混凝土采用彈性本構(gòu)關(guān)系并采用實體單元C3D8R進(jìn)行模擬。預(yù)應(yīng)力筋采用桁架單元T3D2模擬。模型參數(shù)選取如表2所示。考慮到計算效率，普通鋼筋與PBL孔內(nèi)鋼筋均未在模型中反映。

表2　模型材料參數(shù)表

2.2約束與接觸的模擬

鋼梁頂?shù)装搴统袎喊迮c混凝土之間的界面接觸屬性，切向為摩擦關(guān)系(摩擦系數(shù)為0.25)，界面法向為“硬”接觸。栓釘、PBL及預(yù)應(yīng)力筋均采用“埋入”功能處理，即將栓釘、PBL及預(yù)應(yīng)力單元的節(jié)點自由度與埋入?yún)^(qū)域混凝土在合適位置自動建立約束關(guān)系。

2.3邊界條件的模擬

根據(jù)圣維南原理，距結(jié)合部位較遠(yuǎn)區(qū)域的應(yīng)力分布對結(jié)合段應(yīng)力影響較小。在建模過程中，為了真實地反映實橋受力狀態(tài)，各部件尺寸均按照實橋尺寸建模，并在原過渡段結(jié)束處再向兩側(cè)適當(dāng)延伸以消除端部固結(jié)和耦合約束對結(jié)合段受力的影響。

預(yù)應(yīng)力鋼束按照實橋布置并張拉(計入預(yù)應(yīng)力損失)，預(yù)應(yīng)力的施加通過“初始應(yīng)力”命令實現(xiàn)。計算模型中，在混凝土梁端采用固定約束，在鋼梁端部施加內(nèi)力組合。鋼梁加載端部采用集中力加載，使用ABAQUS中的“耦合”功能將鋼梁端面各節(jié)點的自由度耦合于端面中性軸上一點。加載內(nèi)力通過整體桿系模型提取，選取桿系模型計算中最不利的正常使用極限狀態(tài)短期荷載組合(1.0恒荷載+0.7汽車荷載+1.0人群荷載+1.0整體降溫+0.8梯度升溫)作為加載工況。梨川大橋遠(yuǎn)塔和近塔結(jié)合段構(gòu)造類似但受力有所不同，這主要是由于斜拉索中巨大的索力對結(jié)合段受力有較大影響。限于篇幅，這里僅給出受力較為不利的遠(yuǎn)塔結(jié)合段的仿真計算過程。

2.4數(shù)值模型建立

針對梨川大橋鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造特點，建立半寬橫向?qū)ΨQ模型，模型共531 820個單元，如圖3所示。

圖3　結(jié)合段模型Fig.3　Model of steel-concrete connection

3受力性能分析

3.1連接件受力性能

梨川大橋鋼-混結(jié)合段頂?shù)装寮俺袎喊逅ㄡ敒榈乳g距布置，頂?shù)装逅ㄡ旐槝蛳驊?yīng)力分布不均勻。通過有限元計算，提取軸力作用下的無格室頂板在順橋向的各排栓釘根部剪力，將其傳力情況繪于圖4中，可以看出靠近承壓板及遠(yuǎn)離承壓板部位栓釘受力較大，中間部位受力較小。

圖4　順橋向栓釘傳力分配Fig.4　Longitudinal force distribution of studs

梨川大橋頂?shù)装寰贾庙槝蛳騊BL連接件。頂?shù)装錚BL連接件受力有所不同，負(fù)彎矩作用下承壓板頂部受拉，受拉傳力主要靠預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)，頂板PBL對受拉傳力有一定貢獻(xiàn)；靠近承壓板部位受力較大，遠(yuǎn)離承壓板受力減小。對于底板PBL連接件，承壓板底部傳來的壓力靠底板混凝土與PBL分擔(dān)，底板PBL受力較大；順橋向應(yīng)力分布與頂板類似，遠(yuǎn)離承壓板應(yīng)力有所減小。頂?shù)装鍁on Mises應(yīng)力與順橋向應(yīng)力變化曲線見圖5和圖6。

圖5　結(jié)合段PBL連接件von Mises應(yīng)力(單位：MPa)Fig.5　Von Mises stresses of PBL connectors in connection(unit:MPa)

圖6　頂?shù)装錚BL von Mises受力順橋向分布Fig.6　Longitudinal distributions of von Mises stresses of PBLs in top and bottom flanges

3.2混凝土梁段受力性能

鋼-混結(jié)合段部位混凝土順橋向應(yīng)力如圖7所示，由于懸臂部位未配置預(yù)應(yīng)力束，頂板懸臂部分區(qū)域與頂板靠近承壓板部位一定范圍內(nèi)有拉應(yīng)力，其余部分均為壓應(yīng)力；模型計算中未考慮錨墊板的作用，預(yù)應(yīng)力錨固部位壓應(yīng)力較大。

圖7　鋼-混結(jié)合段部位混凝土順橋向應(yīng)力(單位：MPa)Fig.7　Longitudinal stresses of concrete part in concrete-steel connection(unit:MPa)

選取具有代表性的兩個截面，如圖8所示，分別為鋼混結(jié)合中間部位的A-A截面以及鋼混結(jié)合結(jié)束部位的B-B截面，考察鋼混結(jié)合部混凝土頂板正應(yīng)力的橫向分布規(guī)律。

圖8　截面選取Fig.8　Selection of cross-sections

本橋鋼-混結(jié)合段為單箱四室構(gòu)造。以橋?qū)挋M向為橫坐標(biāo)(橋梁中線位置為零點)，截面頂部單元正應(yīng)力為豎坐標(biāo)，所選取的截面應(yīng)力分布如圖9所示。3個腹板中心的位置已在圖中用豎線標(biāo)記。通過分析，A-A與B-B截面應(yīng)力分布比較類似，應(yīng)力橫向分布不均勻，腹板位置應(yīng)力較其他部位低；兩個截面的應(yīng)力分布形式與普通箱梁橫向分布規(guī)律類似，但負(fù)剪力滯效應(yīng)明顯。本橋懸臂部分未設(shè)預(yù)應(yīng)力筋，懸臂部分區(qū)域具有拉應(yīng)力。

圖9　截面頂板正應(yīng)力橫橋向分布Fig.9　Transverse distributions of normal stresses in top flange

在箱梁剪力滯效應(yīng)分析中，剪力滯效應(yīng)的大小通常引入剪力滯系數(shù)λ反映[19]：

(1)

式中，σ(x,y,z)為考慮剪力滯效應(yīng)的截面一點(x,y,z)的縱向彎曲應(yīng)力；σ0為按照材料力學(xué)初等梁理論計算獲得的該點縱向彎曲應(yīng)力。

針對A-A與B-B截面的負(fù)剪力滯情況，通過對比模型研究預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對其的影響，對比結(jié)果如圖10所示。

圖10　A-A截面和B-B截面混凝土頂板剪力滯系數(shù)比較Fig.10　Comparison of shear lag coefficients of A-A and B-B sections in concrete top flange

對比分析可知，鋼混結(jié)合部位混凝土頂板順橋向應(yīng)力橫向分布不均勻，設(shè)置縱向預(yù)應(yīng)力筋對其分布規(guī)律有影響。未設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋的橫向分布剪力滯系數(shù)相對較為均勻，設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋后剪力滯系數(shù)變化較大。從圖10可以看出，頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力筋橫向布置不均勻，腹板束布置較多，橫橋向剪切變形不均勻再加上腹板較大的預(yù)壓應(yīng)力，使得遠(yuǎn)離腹板位置壓應(yīng)力分配相對較少，頂板正剪力滯效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)剪力滯效應(yīng)。預(yù)應(yīng)力筋的布置對結(jié)合部頂板應(yīng)力橫向分布有影響。

值得注意的是，邊腹板以外的翼緣部分由于未設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，其所受拉力較大，部分區(qū)域在使用過程中可能開裂。設(shè)計中針對該情況可在翼緣部分增設(shè)預(yù)應(yīng)力筋或采用鋼纖維混凝土等抗拉強(qiáng)度較大的混凝土填充。

3.3鋼梁段受力性能

鋼梁段von Mises應(yīng)力分布如圖11所示，鋼-混結(jié)合段部位頂?shù)装鍛?yīng)力較鋼梁部分小，這是由于結(jié)合段部位頂?shù)装逋ㄟ^剪力連接件與混凝土協(xié)同受力的緣故。

鋼梁段最大應(yīng)力分布在頂?shù)装宓膭偠冗^渡加勁肋和等高U肋的突變部分，即剛度突變處，本部分具有較大局部應(yīng)力集中。

圖11　鋼梁段von Mises應(yīng)力(單位：MPa)Fig.11　von Mises stresses of steel beam(unit:MPa)

4不同連接件構(gòu)造形式對比分析

連接件的構(gòu)造形式對結(jié)合段受力及傳力性能均有影響。本部分針對圖2中的兩種不同連接件構(gòu)造方案，對其受力性能進(jìn)行對比分析。結(jié)合段連接件一般采用栓釘、PBL或栓釘與PBL組合的連接件形式，如圖12所示。

圖12　結(jié)合段連接件構(gòu)造形式示意Fig.12　Structural types of connector in steel-concrete connection

栓釘作為一種施工方便、質(zhì)量容易保證的連接件，其應(yīng)用較多，其力學(xué)性能不具方向性。栓釘連接件在無格室鋼-混結(jié)合段中應(yīng)用較多。PBL連接件在無格室鋼-混結(jié)合段中的應(yīng)用較栓釘少。與栓釘連接件不同，PBL的抗剪剛度具有方向性。PBL的優(yōu)勢在于較大的抗剪剛度與承載力，并可作為加勁肋來使用。

根據(jù)前文，靠近承壓板部位連接件受力較大，因此選取如圖8所示的A-A和B-B截面，分別對這兩個截面的混凝土頂板正應(yīng)力進(jìn)行對比，如圖13所示。分析可得：兩種設(shè)計方案中，結(jié)合部位混凝土頂板正應(yīng)力橫橋向變化規(guī)律相一致；PBL與栓釘組合的連接件形式方案正應(yīng)力稍??；兩種設(shè)計方案所對應(yīng)的連接件形式的不同對鋼-混結(jié)合段頂板混凝土正應(yīng)力影響不大。

圖13　A-A截面和B-B截面混凝土頂板正應(yīng)力比較Fig.13　Comparison of normal stresses of A-A and B-B sections in concrete top flange

為進(jìn)一步分析連接件構(gòu)造形式對結(jié)合部位鋼頂板受力的影響，分別選取距離承壓板順橋向距離300 mm和600 mm的1-1截面和2-2截面，如圖14所示。

圖14　選取截面示意Fig.14　Selection of cross-section

應(yīng)力計算結(jié)果如圖15所示，分析可得：靠近承壓板的1-1截面和2-2截面，鋼頂板von Mises應(yīng)力橫橋向分布規(guī)律一致，靠近腹板位置應(yīng)力較大，正剪力滯效應(yīng)明顯；對比1-1截面和2-2截面，鋼頂板von Mises應(yīng)力隨到承壓板的距離增加而迅速減小，且應(yīng)力橫向變化幅度減弱；對比兩個截面中不同連接件構(gòu)造形式下鋼頂板的受力可以看出，加設(shè)PBL的方案一所對應(yīng)的鋼頂板von Mises應(yīng)力較方案二波動較大，靠近PBL與頂板連接處的部位應(yīng)力較大，兩個PBL之間的部位應(yīng)力相對較小。方案一中，鋼頂板應(yīng)力的橫橋向波動主要是由于PBL的影響。取方案一中的部分鋼頂板von Mises應(yīng)力橫橋向分布繪于圖16中，可以看出，其受力與箱梁的翼緣剪力滯效應(yīng)類似，PBL的存在使得頂板橫橋向剪切應(yīng)變分布不均勻，靠近PBL與頂板相連接的部位應(yīng)力較大。實際受力過程中，鋼頂板應(yīng)力橫橋向分布較數(shù)值分析均勻，這主要是由于數(shù)值分析難以準(zhǔn)確模擬PBL連接件中的混凝土榫和貫穿鋼筋等。

圖15　1-1截面和2-2截面鋼頂板應(yīng)力比較Fig.15　Comparison of normal stresses of 1-1 and 2-2 sections in steel top flange

圖16　鋼頂板應(yīng)力橫橋向分布Fig.16　Transverse distribution of stresses of steel top flange

5結(jié)論

本文以梨川大橋為工程背景，對無格室鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造形式及受力性能進(jìn)行了分析。研究結(jié)論如下：

(1)無格室鋼-混結(jié)合段PBL和栓釘連接件順橋向應(yīng)力分布不均布，靠近承壓板位置應(yīng)力較大，建議設(shè)計過程中優(yōu)化連接件端部的設(shè)計。

(2)負(fù)彎矩區(qū)結(jié)合段混凝土部分頂板橫橋向應(yīng)力分布不均勻，預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置對結(jié)合部位混凝土頂板應(yīng)力橫橋向分布有影響。針對懸臂部分拉應(yīng)力，建議在該部分設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋或采用鋼纖維混凝土等抗拉強(qiáng)度較大的混凝土填充。

(3)鋼梁頂?shù)装宓膭偠冗^渡加勁肋和等高U肋的突變部分，具有較大局部應(yīng)力集中。

(4)栓釘連接件和PBL與栓釘組合的連接件形式對結(jié)合段部位混凝土和鋼頂板受力影響不大。限于數(shù)值模擬的局限性，建議通過橋位實測對于無格室鋼-混結(jié)合段兩種構(gòu)造形式的實際受力狀況做進(jìn)一步研究。

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Analysis of Structural Types and Mechanical Performance in Steel-concrete Connections without Cell

ZHANG Kai1, LIU Yong-jian1, JU Ming-jie2, LIU Jiang1

(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064, China; 2.Dongguan Communications Investment Group Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523010, China)

Abstract：In order to research the mechanical performance of different types of steel-concrete connection without cell, based on the steel-concrete connections without cell in Lichuan bridge, we analyzed the mechanical performance of 2 types of such connection through numerical analysis method. The analysis result shows that (1) the PBLs and the studs in the steel-concrete connections have non-uniform mechanical behaviors in the bridge direction, the PBLs and the studs near the bearing plate have a larger inner force; (2) the transverse stress distribution of top flange in the steel-concrete connections under hogging moment is non-uniform distributed, while the arrangement of prestressed tendons has an impact on the distribution of stress of top flange of the connections in transverse direction; (3) the mutation parts of stiffening ribs and constant U-ribs on top and bottom flanges of steel beam possess greater partial stress concentration; (4) there is little influence of the connection types of the PBLs and the studs on the stress of concrete and steel flange of the connection.

Key words：bridge engineering; steel-concrete connection; numerical simulation; mechanical performance; perfobond connector

中圖分類號：U448.38

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)04-0073-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.012

作者簡介：張凱(1990-)，男，安徽五河人，碩士研究生.(ismaelz@163.com)

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51178051)；交通運輸部西部交通建設(shè)科技項目(2013318812410)；東江梨川大橋科研課題研究項目(R-[2014]26-624)

收稿日期：2015-05-25