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        大跨徑組合梁斜拉橋鋼混界面連接研究

        2019-12-19 02:39:46邵長(zhǎng)宇
        城市道橋與防洪 2019年12期
        關(guān)鍵詞:連接件斜拉橋鋼梁

        陳 亮,邵長(zhǎng)宇

        (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)

        0 引 言

        在鋼與混凝土組合梁中,鋼梁和混凝土板之間由于剪力連接件產(chǎn)生變形,導(dǎo)致混凝土板和鋼梁的變形不協(xié)調(diào),從而產(chǎn)生相對(duì)滑移?;频漠a(chǎn)生將導(dǎo)致組合梁的剛度減小,而現(xiàn)有的換算截面法沒(méi)有考慮這一不利影響。文獻(xiàn)[1]采用實(shí)體單元精細(xì)化建模對(duì)浙江省椒江二橋剪力釘剪力分布進(jìn)行了研究,用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]對(duì)主跨420 m組合梁斜拉橋承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行分析,得出了剪力釘滑移通常不會(huì)影響正常使用狀態(tài)主梁的變形及內(nèi)力分配,對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響也較小的結(jié)論。鑒于組合梁斜拉橋的良好力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性能,其最大跨徑有望實(shí)現(xiàn)大幅提高[3-4]。一般情況下,組合梁斜拉橋設(shè)計(jì)通常忽略剪力釘?shù)娜嵝?,但?duì)近千米級(jí)組合梁斜拉橋而言,該界面滑移影響程度如何,能否在設(shè)計(jì)中忽略,是斜拉橋跨徑加大到一定范圍后需要明確回答的問(wèn)題。本文基于考慮滑移的組合梁?jiǎn)卧?,結(jié)合主跨800m組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì),在組合梁斜拉橋連接件設(shè)計(jì)方法及連接件滑移影響兩個(gè)方面,開(kāi)展鋼混界面連接相關(guān)研究。

        本文組合梁?jiǎn)卧袖摿汉蜆蛎姘灞灰暈橥粏卧牟煌瑢樱俣ɑ炷翗蛎姘宸植考颁摿悍植烤哂懈髯晕灰?,滑移量則由協(xié)調(diào)性自動(dòng)得到。筆者在文獻(xiàn)[5]中,基于Newmark模型,通過(guò)形函數(shù)表達(dá)梁體位移的有限單元法[6-10],推導(dǎo)了考慮縱向滑移效應(yīng)的10自由度鋼混組合梁?jiǎn)卧捌鋷缀畏蔷€性、收縮徐變、偏心結(jié)點(diǎn)等有限元列式,并編寫(xiě)了用于計(jì)算組合梁及組合梁斜拉橋的相關(guān)程序。根據(jù)組合梁縱向任意鋼混界面抗剪剛度定義,可以得到各工況下界面連接剪力;對(duì)考慮滑移的組合梁?jiǎn)卧x結(jié)點(diǎn)偏心,可以模擬實(shí)際存在的各種索梁錨固。

        在大跨徑組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì)方面,擬定的主跨800m組合梁斜拉橋基本方案概略如圖1所示。按雙向6車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),主梁寬度為36 m(不含風(fēng)嘴),梁高3 m,標(biāo)準(zhǔn)索距13.5 m,具體參數(shù)及相關(guān)驗(yàn)算參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

        圖1 主跨800 m 組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì)概略[4](單位:m)

        目前鋼與混凝土之間常用焊釘連接,對(duì)鋼混界面連接進(jìn)行研究,離不開(kāi)連接件抗剪剛度及容許承載力相關(guān)取值[11-12]。本文結(jié)合文獻(xiàn)[12]及上海長(zhǎng)江大橋剪力釘相關(guān)試驗(yàn)[13],對(duì)單個(gè)直徑22mm剪力釘抗剪剛度按400 kN/mm取值,對(duì)應(yīng)滑移量為0.2mm,抗剪容許承載力偏保守按50 kN取值。部分已建組合梁斜拉橋連接件設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)資料見(jiàn)表1。剪力釘常規(guī)為均勻布置,縱橋向剪力釘下限值約75個(gè)/m,對(duì)應(yīng)連接剛度為3×107kN/m2,本文將以此為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)界面連接研究。

        1 連接件設(shè)計(jì)方法

        1.1 簡(jiǎn)單荷載作用下界面剪力分布

        首先取試設(shè)計(jì)斜拉橋中跨跨中段組合梁截面,分別進(jìn)行組合梁在豎向荷載及水平荷載作用下界面剪力分布研究。

        表1 已建組合梁斜拉橋鋼混界面連接件統(tǒng)計(jì)

        1.1.1 豎向荷載作用下界面剪力分布

        在豎向荷載作用下,主梁受力類(lèi)似于多跨連續(xù)梁,本文取3根拉索支撐下2跨結(jié)構(gòu)(跨徑為標(biāo)準(zhǔn)索距)進(jìn)行研究,假定豎向荷載集度為500 kN/m(近似模擬組合梁斜拉橋恒活載),界面抗剪剛度Ks分別取3×108、3×107、8×106kN/m2。豎向荷載作用下計(jì)算工況示意及界面剪力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),組合梁在豎向荷載作用下的界面剪力與界面抗剪剛度有關(guān),界面抗剪剛度越大,界面剪力分布形狀與豎向剪力分布形狀越一致。

        圖2 豎向荷載作用下計(jì)算工況示意及不同界面抗剪剛度下的界面剪力

        1.1.2 水平荷載作用下界面剪力分布

        水平荷載作用下,取1跨結(jié)構(gòu)(跨徑為2倍標(biāo)準(zhǔn)索距)進(jìn)行研究,假定水平集中荷載為5 000 kN(模擬典型拉索水平分力)。

        1.1.2.1 組合梁邊界條件影響

        水平荷載作用于組合梁形心軸高度處,分別進(jìn)行3種工況界面剪力分布計(jì)算。工況A:一端自由、一端固定,集中力作用于梁端;工況B:一端自由、一端固定,集中力作用于跨中;工況C:兩端固定,集中力作用于跨中。界面抗剪剛度取3×107kN/m2。各工況計(jì)算示意及界面剪力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

        圖3 水平荷載作用下不同工況示意及界面剪力分布

        比較圖3(a)、圖3(b)可知,當(dāng)荷載作用于梁長(zhǎng)一半位置時(shí),界面最大剪力恰好為作用于梁端時(shí)界面最大剪力的一半。比較圖3(b)、圖3(c)可以看出,當(dāng)水平荷載作用于組合梁形心高度時(shí),不同邊界條件下,組合梁中鋼梁和混凝土橋面板的軸力各有不同,但界面剪力的分布完全一致,即界面剪力與邊界條件無(wú)關(guān)。

        1.1.2.2 水平荷載作用高度影響

        當(dāng)水平荷載作用于鋼梁頂、組合梁形心、鋼梁形心、鋼梁底時(shí),2種極端邊界條件下的界面剪力分布見(jiàn)圖4。由圖4可知,水平荷載作用于組合梁不同高度時(shí),界面滑移力有較大區(qū)別。作用點(diǎn)距橋面板越近,界面滑移力越大。另外,除作用于組合梁形心時(shí)的界面滑移力與邊界條件無(wú)關(guān)外,水平荷載偏心作用時(shí),不同邊界條件下的界面滑移力有所不同。

        1.1.2.3 組合梁界面抗剪剛度影響

        對(duì)應(yīng)于兩端固定邊界條件,水平集中荷載作用于組合梁形心高度計(jì)算工況,分別計(jì)算界面抗剪剛度Ks取3×108、3×107、8×106kN/m2時(shí)的界面剪力分布,結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),組合梁在軸向荷載作用下的界面剪力在荷載施加位置處最大,然后迅速衰減,一定長(zhǎng)度之后,界面剪力接近于零。界面連接件抗剪剛度越大,軸向荷載作用點(diǎn)處剪力越大,衰減速度也越快。

        圖4 水平荷載作用于不同高度時(shí)的界面剪力分布

        圖5 水平荷載作用下不同界面抗剪剛度時(shí)的界面剪力

        實(shí)際上,界面剪力分布影響因素較多,與組合梁截面特性、材料特性、界面連接件布置、水平荷載作用高度均有關(guān)系。豎向荷載引起的剪力可根據(jù)文獻(xiàn)[14],忽略界面滑移影響進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。文獻(xiàn)[15]則基于解析方法,得出考慮梁體剪切變形、水平集中荷載作用于組合梁形心高度時(shí)引起的最大剪力及剪力傳遞長(zhǎng)度。

        1.2 組合梁斜拉橋連接件設(shè)計(jì)優(yōu)化

        本文組合梁斜拉橋有限元模型中,主梁采用考慮滑移的組合梁?jiǎn)卧M?,F(xiàn)提出組合梁斜拉橋連接件設(shè)計(jì)的循環(huán)迭代方法,基本步驟為:

        (1)對(duì)組合梁全長(zhǎng)鋼混界面抗剪剛度賦初值3×108kN/m2,進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,得到各工況下界面剪力分布,并對(duì)不同工況下界面剪力進(jìn)行組合。

        (2)按單個(gè)焊釘容許承載力為50 kN,確定主梁縱向焊釘布置數(shù)量。

        (3)按單個(gè)焊釘?shù)目辜魟偠葹?00 kN/mm,重新確定主梁縱向連接剛度。

        多次循環(huán)步驟(1)~(3),可得考慮滑移后,滿足連接件承載力的焊釘縱向布置。一般循環(huán)3次左右,即可得到滿意結(jié)果。

        對(duì)主跨800m組合梁斜拉橋,剪力釘優(yōu)化后布置與常規(guī)布置對(duì)比如圖6所示。對(duì)比可見(jiàn),采用本文連接件設(shè)計(jì)方法,全橋剪力釘數(shù)量可從常規(guī)均勻布置的114 000個(gè)減少為30 455個(gè),剪力釘布置個(gè)數(shù)可減少約70%。

        圖6 剪力釘優(yōu)化布置與常規(guī)布置比較(單位:個(gè)/m)

        組合梁斜拉橋界面連接件設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮豎向荷載、拉索索力、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變等荷載的作用及組合,尤其應(yīng)注意輔助墩處、拉索錨固點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力束端部等位置的剪力釘合理布置。本文剪力釘優(yōu)化設(shè)計(jì)后,可將剪力釘布置于關(guān)鍵受力部位,如梁端(收縮徐變引起)、輔助墩附近(活載引起)、索梁錨固各區(qū)域(恒載下中跨跨中及梁端拉索水平分力較大)等。本文采用考慮滑移的組合梁?jiǎn)卧?,在確定連接件布置上無(wú)疑具有明顯優(yōu)勢(shì),可大大減少連接件施工工作量,并有利于鋼主梁頂板等的進(jìn)一步優(yōu)化。

        2 界面滑移影響分析

        現(xiàn)結(jié)合主跨800m組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì),考察不同鋼混界面抗剪剛度下,滑移對(duì)斜拉橋整體受力性能的影響。表2為4種連接件布置形式,典型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7~圖9。

        表2 4 種連接件布置形式

        2.1 對(duì)界面滑移位移的影響

        典型荷載作用下界面滑移位移見(jiàn)圖7。

        圖7 典型荷載作用下界面滑移位移(單位:m)

        圖8 恒+活+收縮徐變組合下單釘剪力分布(單位:kN)

        圖9 典型荷載作用下主梁應(yīng)力分布(單位:MPa)

        由圖7可見(jiàn):在恒載作用下,由于拉索集中錨固于鋼梁,在索梁錨固點(diǎn)處產(chǎn)生了較大的滑移位移,且隨著拉索水平力的增大,滑移位移逐漸增大,主塔處由于拉索間距較大,也會(huì)有較大的滑移響應(yīng);收縮徐變會(huì)在梁端產(chǎn)生較大的滑移位移;在中跨滿布活載作用下,輔助墩附近拉索索力有較大變化,引起該處產(chǎn)生較大滑移。注意到收縮徐變引起的滑移位移方向與恒載下滑移位移方向相反,A、B、C這3種剪力釘布置形式下,在荷載組合后能滿足0.2mm的滑移允許值要求,而剪力釘布置形式D不能滿足。

        2.2 對(duì)界面剪力的影響

        恒+活+收縮徐變組合下單釘剪力分布見(jiàn)圖8。

        由圖8可見(jiàn):剪力釘布置形式A條件下,各處單釘承載力均有較大余量;布置形式B時(shí),輔助墩頂區(qū)域、主塔兩側(cè)局部區(qū)域承載力略微不足,而其他區(qū)域則有一定余量;布置形式C時(shí),單釘剪力分布較為均勻,最大值為53.4 kN,可認(rèn)為能滿足單釘抗剪承載力要求;布置形式D則大多區(qū)域無(wú)法滿足剪力釘承載力要求。

        2.3 對(duì)結(jié)構(gòu)其他部件靜力響應(yīng)的影響

        典型荷載作用下對(duì)應(yīng)于不同剪力釘布置形式的主梁應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖9。

        由圖9可見(jiàn),在不同剪力釘布置形式下,主梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致。弱連接布置形式D與完美連接布置形式A相比,各工況橋面板上緣應(yīng)力最大差值為0.33MPa,鋼梁下緣應(yīng)力最大差值為1.35MPa。常規(guī)布置形式B及優(yōu)化布置形式C與完美連接布置形式A相比,橋面板和鋼梁的應(yīng)力差值更小。因此,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí),關(guān)于剪力釘滑移,主要是要考慮其對(duì)剪力釘自身受力的影響,而基本不需考慮對(duì)主梁鋼結(jié)構(gòu)及混凝土橋面板等其他結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的影響。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        (1)當(dāng)水平荷載作用于組合梁形心高度時(shí),界面剪力分布與邊界條件無(wú)關(guān);水平荷載偏心作用時(shí),界面剪力分布與邊界條件相關(guān);拉索水平荷載作用點(diǎn)距橋面板越近,界面剪力越大。

        (2)界面剪力在拉索水平荷載作用位置處最大,然后迅速衰減,一定長(zhǎng)度之后,界面剪力接近于零;界面抗剪剛度越大,軸向荷載作用點(diǎn)處剪力越大,衰減速度也越快。

        (3)基于考慮滑移的組合梁?jiǎn)卧?,采用本文組合梁斜拉橋主梁剪力釘優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,可將剪力釘布置于關(guān)鍵受力部位,大大減少連接件數(shù)量。

        (4)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí),關(guān)于剪力釘滑移,主要是要考慮其對(duì)剪力釘自身受力的影響,而基本不需考慮對(duì)主梁鋼結(jié)構(gòu)及混凝土橋面板等其他結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的影響。

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