胡健琛
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)
鋼混組合結(jié)構(gòu)因能夠極大地發(fā)揮材料優(yōu)勢而備受青睞,本文研究的對象就是一種由鋼結(jié)構(gòu)拱肋以及混凝土基座結(jié)合形成的混合結(jié)構(gòu)拱腳。鋼結(jié)構(gòu)拱肋是大跨拱橋首選形式,混凝土基座則充分利用拱腳存在的預(yù)壓力,兩者通過剪力連接件相連形成整體。
混合結(jié)構(gòu)拱腳是上下部傳力的關(guān)鍵,鋼混兩種材料的連接、剛度漸變、傳力途徑順暢都需要通過合理的構(gòu)造、計(jì)算原則予以保證。基于上述目的,本文提供了一種混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計(jì)方法,以一座五跨組合結(jié)構(gòu)拱橋——漳州東環(huán)馬洲大橋(主跨150 m)為背景,采用有限元軟件Abaqus建立拱腳節(jié)段空間模型,通過分析計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證該拱腳設(shè)計(jì)方法的可靠性。
混合結(jié)構(gòu)拱腳包含鋼拱肋、混凝土基座、剪力連接件以及預(yù)應(yīng)力載體等多種構(gòu)件,設(shè)計(jì)方法主要從連接形式、構(gòu)造形式及計(jì)算原則方面對上述構(gòu)件進(jìn)行研究。
本文提出的混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計(jì)方法屬于全截面連接完全承壓傳剪形式,即拱腳混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需同時(shí)考慮彎矩、軸力及剪力的傳遞。通過合理布置構(gòu)件連接形式,將拱腳埋入混凝土基座一定深度,從而使前后承壓板、構(gòu)件側(cè)壁以及剪力連接件承受彎矩、軸向及切向拉壓作用。
剪力連接件可采用圓柱頭焊釘及開孔板連接件,優(yōu)勢各異。焊釘屬于柔性連接件,通過變形使受力重分布,且滿足構(gòu)件各向受力要求。開孔板又稱PBL連接件,由德國建筑師Leonhardt首先運(yùn)用[1]。相較于前者,其抗剪承載能力更高,不易疲勞破壞,為剛性連接件。
剪力連接件是混合結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同受力的關(guān)鍵,本文提出的混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用開孔板及圓柱頭焊釘連接件,可以歸結(jié)如下:
(1)在鋼拱肋埋置段主要受力板件上開孔并穿入鋼筋實(shí)現(xiàn)鋼混結(jié)構(gòu)傳力。
(2)在鋼拱肋埋置段板件加勁板上布置圓柱頭焊釘實(shí)現(xiàn)鋼混結(jié)合及剛度漸變。
當(dāng)使用材料強(qiáng)度不變,影響開孔板連接件抗剪性能的主要因素為開孔以及貫穿鋼筋直徑[2-3]。為了保證圓孔內(nèi)鋼筋發(fā)揮消栓作用,開孔大小需要同時(shí)保證骨料及鋼筋通過,一般而言孔徑可取60~80 mm。剪力連接件間距過小會影響其抗剪性能,同時(shí)給施工帶來難度;圓柱頭焊釘縱橫向間距宜為其直徑的10~15倍,開孔間距以不發(fā)生破壞為基準(zhǔn),可取 220~250 mm。
混合結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件受力分析可以分為鋼、混凝土兩部分,通過下文混合結(jié)構(gòu)拱腳空間模型計(jì)算結(jié)果可知,考慮剪力連接件剛度是否直接影響鋼結(jié)構(gòu)拱腳以及混凝土基座受力情況,因此需要確定開孔板及圓柱頭焊釘剛度以及驗(yàn)算其抗剪承載力。圓柱頭焊釘及開孔板連接件抗剪承載力以及剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性較大[2-3],一般而言,抗剪極限承載能力設(shè)計(jì)值可取其極限承載力的0.8倍,正常使用階段承載力為其極限承載力的0.5倍。同時(shí)取鋼混0.2 mm相對位移為其彈性階段抗剪剛度,在此基礎(chǔ)上考慮一定的結(jié)構(gòu)安全度可依據(jù)表1進(jìn)行取值。
馬洲大橋?yàn)?5 m+100 m+150 m+100 m+35 m=420 m的五跨連續(xù)拱橋,采用拱梁固結(jié)體系。主跨拱肋矢高33.3 m,矢跨比0.222;次中跨拱肋矢高20 m,矢跨比0.2。左右側(cè)兩片拱肋采用平行方式布置,且出于行車景觀考慮,在保證拱肋受力安全和側(cè)向穩(wěn)定前提下,全橋不設(shè)平聯(lián)及橫撐;拱肋截面寬度均為2.5 m,高度由各拱拱頂高度2 m按弧長線性變化至拱腳處4 m,且分別在中墩(次中墩)處與墩柱固結(jié)。吊桿拉索采用平行鋼絲索,索距8 m。主梁由矩形雙邊箱鋼梁與混凝土橋面板結(jié)合而成,結(jié)構(gòu)全寬56.6 m,拱肋處主梁高4.14 m,雙邊箱寬2.5 m。為了平衡拱腳水平力,主梁系桿采用平行鋼絞線。其立面布置形式如圖1所示。
圖1 馬洲大橋總體布置圖(單位:mm)
拱腳鋼構(gòu)件主要由拱肋腹板及豎、橫向隔板組成。其中,邊腹板為主要傳力板件,中腹板通過凹形邊界形式實(shí)現(xiàn)鋼混交界面剛度漸變,橫隔板則可視為前后承壓板件?;旌辖Y(jié)構(gòu)拱腳通過拱座與承臺連接,分批澆筑內(nèi)填混凝土,露出層間粗骨料,增加交界面結(jié)合力。連接件主要通過在板件開孔、貫穿鋼筋的形式予以實(shí)現(xiàn)?;旌辖Y(jié)構(gòu)拱腳具體布置形式如圖2所示。
圖2 馬洲大橋中跨拱腳結(jié)構(gòu)布置示意圖(單位:mm)
運(yùn)用空間有限元軟件Abaqus對混合結(jié)構(gòu)拱腳按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模,鋼結(jié)構(gòu)拱腳采用板單元模擬,混凝土基座則采用塊單元模擬。限于篇幅,本文僅以彎矩最大工況為例進(jìn)行說明。為了體現(xiàn)剪力連接件剛度對于結(jié)構(gòu)受力的影響,分別建立鋼混構(gòu)件共節(jié)點(diǎn)模型一及采用彈簧單元為連接件的模型二(見圖3),通過比較主要板件受力差異分析影響程度。
圖3 彈簧單元鋼混連接模型二(局部)
表1 剪力連接件抗剪承載力及剛度
混合結(jié)構(gòu)拱腳受力分析通過拱腳鋼構(gòu)件、混凝土基座、剪力連接件三部分進(jìn)行。由于建立彈簧連接單元工作煩瑣,初步設(shè)計(jì)階段可利用簡化計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)剪力連接件。
混合結(jié)構(gòu)拱腳鋼結(jié)構(gòu)包含拱肋及埋置段兩部分,由于橋面寬度較大,拱肋在運(yùn)營時(shí)呈內(nèi)傾狀態(tài),內(nèi)側(cè)腹板較不利。其受力情況如圖4所示??紤]剪力連接件剛度影響后,模型二較模型一埋置段附近板件受力均有不同程度的增加,尤其是內(nèi)腹板局部倒圓角處應(yīng)力超過275 MPa,因范圍較小,同時(shí)基于鋼材塑性特點(diǎn),依然能夠滿足要求。同時(shí)可以看出,鋼結(jié)構(gòu)埋置段底緣應(yīng)力較小,說明其埋置深度能夠滿足傳力要求。
圖4 混合結(jié)構(gòu)拱腳鋼結(jié)構(gòu)主要傳力板件受力情況(單位:MPa)
在最不利荷載作用下,基座局部最大會產(chǎn)生4 MPa拉應(yīng)力,如圖5所示。為簡化拱腳構(gòu)造,該設(shè)計(jì)不考慮設(shè)置預(yù)應(yīng)力束,通過布置普通鋼筋能夠使基座滿足承載能力及使用狀態(tài)抗壓及裂縫控制要求。
圖5 混合結(jié)構(gòu)拱腳混凝土基座受力情況(單位:MPa)
混合結(jié)構(gòu)拱腳如何實(shí)現(xiàn)傳力順暢也是設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。由圖4可以看出,鋼結(jié)構(gòu)埋置段應(yīng)力變化平順,說明剪力連接件能夠有效傳遞拱肋荷載,使混合結(jié)構(gòu)共同受力。
按照PBL實(shí)際位置提取剪力(見圖6),現(xiàn)只列出最不利剪力位置V1~V4、H1~H4數(shù)值,具體結(jié)果如圖7所示。其中,偏保守僅考慮穿鋼筋開孔板連接件剛度影響。
混凝土基座為偏壓構(gòu)件,由圖7可以看出,根據(jù)彈簧單元計(jì)算結(jié)果,開孔板最大剪力出現(xiàn)在拱腳跨中側(cè)內(nèi)緣,其最大剪力設(shè)計(jì)值為520 kN,小于規(guī)范抗剪設(shè)計(jì)限值524 kN,因此可以認(rèn)為剪力連接件設(shè)計(jì)安全可靠。
圖6 彈簧單元內(nèi)力提取位置(俯視平面圖)
圖7 彈簧單元剪力隨深度分布情況
(1)研究結(jié)果表明,混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計(jì)需綜合考慮拱腳各構(gòu)件,鋼拱肋、混凝土拱座及剪力鍵受力情況。
(2)在建立有限元模型分析時(shí),考慮剪力連接件是否將對拱腳構(gòu)件受力結(jié)果有較大影響。
(3)本文提供的一種混合結(jié)構(gòu)拱腳能夠較好地傳遞拱肋內(nèi)力。