蘇小波，肖 林

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 重慶 400067； 2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)是將鋼材和混凝土兩種不同特性的材料利用剪力連接件結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)形式，充分利用鋼材的高抗拉強(qiáng)度和混凝土的高抗壓強(qiáng)度，以達(dá)到發(fā)揮材料最大性能的目的。隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，如鄂東長江大橋[1-2]、嘉魚長江大橋[3]均采用了主跨鋼箱梁、邊跨混凝土箱梁的混合梁結(jié)構(gòu)形式；青山長江大橋[4]則采用主跨鋼箱梁、邊跨疊合梁的結(jié)構(gòu)形式；南京長江三橋[5]、長江五橋等均采用了組合式橋塔；菜園壩長江大橋、新光大橋在主拱圈和Y形剛構(gòu)連接處采用了組合式節(jié)點(diǎn)。此外，鋼管混凝土也是近年來在大跨度橋梁上常采用的一種組合結(jié)構(gòu)形式。

某空間剛架結(jié)構(gòu)橋，是高速鐵路中一座特大雙線橋梁，位于半徑4 000 m平曲線上，橋梁全長124.65 m，剛架結(jié)構(gòu)分為5片布置，每片跨度32 m。該結(jié)構(gòu)跨越既有5線鐵路，采用工字型鋼縱橫梁和混凝土側(cè)墻組成的組合結(jié)構(gòu)。其中，橫梁高3 m、縱梁高1.2 m，縱橫梁與混凝土板組成橋面系，采用栓釘連接；側(cè)墻寬2.5 m，沿條形承臺(tái)通長布置，在外側(cè)包裹鋼板，并開門式孔洞以減輕自重和便于采光；線路走向與橋梁軸向呈20°角斜交，樁長均為40 m。全橋布置見圖1。

圖1 空間剛架結(jié)構(gòu)全橋布置(單位：cm)

橫梁與側(cè)墻連接處形成鋼-混結(jié)合段，側(cè)墻內(nèi)填充C35混凝土，橫梁在結(jié)合段內(nèi)延伸至外側(cè)鋼板處并與之焊接，以增強(qiáng)連接的可靠性。結(jié)合段內(nèi)橫梁的上、下翼緣兼做承壓板傳遞荷載，鋼板內(nèi)側(cè)布置剪力釘和PBL剪力鍵。橫梁和側(cè)墻連接構(gòu)造見圖2。

該橋結(jié)構(gòu)新、跨度大、設(shè)計(jì)時(shí)速高，加之該鋼-混結(jié)合段的構(gòu)造較少見，受力特點(diǎn)和荷載傳遞規(guī)律不是很明確?；趯?duì)結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性的較高要求，筆者通過靜載試驗(yàn)和有限元分析，對(duì)鋼-混結(jié)合段的傳力機(jī)理進(jìn)行研究，并探討了其合理構(gòu)造形式，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究提供參考。

圖2 鋼-混結(jié)合段布置

1 鋼-混結(jié)合段受力特點(diǎn)研究

1.1 模型試驗(yàn)

根據(jù)“應(yīng)力等效”原則，選取實(shí)橋中橫梁與側(cè)墻連接的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)了1∶2 大比例節(jié)段模型，開展了靜載試驗(yàn)。模型制作采用了與實(shí)橋相同的材料，并委托實(shí)橋鋼結(jié)構(gòu)制作單位加工模型，保證模型與實(shí)橋的加工工藝相同。結(jié)合場(chǎng)地布置條件，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膫?cè)墻底端固結(jié)、橫梁支撐端簡支，力學(xué)模型可簡化為一次超靜定梁,如圖3。

圖3 簡化的力學(xué)模型

圖3中:x為根據(jù)場(chǎng)地錨固及加載條件確定的加載點(diǎn)距離梁端距離,x=1.625 m；L為選取的橫梁長度，L=4.75 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法可得到錨固端彎矩和剪力的表達(dá)式，如式(1)：

(1)

提取全橋整體分析模型中對(duì)應(yīng)截面在主力+附加力組合的最大梁端截面正應(yīng)力σ=49.5 MPa和最大剪應(yīng)力τ=13.8 MPa，由公式σ=M/W和τ=VS/twIz可分別計(jì)算得到錨固端截面在等效彎曲應(yīng)力作用下的模型加載荷載P1=881 kN、等效剪切應(yīng)力作用下的載荷載P2=548 kN。為安全起見，取試驗(yàn)加載荷載P=881 kN。圖4是鋼-混結(jié)合段試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖4 鋼-混結(jié)合段試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型測(cè)點(diǎn)布置示意見圖5。圖5中：GA～GD為鋼筋應(yīng)力測(cè)點(diǎn)；PA～PD為鋼板應(yīng)力測(cè)點(diǎn)；VA～VD為混凝土應(yīng)力測(cè)點(diǎn)；RSA～RSD為相對(duì)滑移測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)在豎向分層布置，鋼板和PBL剪力鍵貫穿鋼筋的測(cè)點(diǎn)按剪力鍵的位置從上至下依次布置23層?；炷翜y(cè)點(diǎn)每3層布置一個(gè)，共8層。

圖5 模型測(cè)點(diǎn)布置示意

1.2 有限元分析

采用大型通用有限元軟件，建立了考慮接觸非線性和剪切剛度的精細(xì)有限元模型。其中，鋼板采用殼單元，混凝土采用實(shí)體單元建立，在鋼板和混凝土之間覆蓋接觸單元[6]模擬二者的相互關(guān)系；模型內(nèi)PBL貫穿鋼筋采用梁單元模擬，與混凝土之間采用彈簧連接[7-8]，彈簧剛度K取900 kN/mm，依據(jù)相關(guān)推出試驗(yàn)結(jié)果[9-11]得出；由于數(shù)量有限，栓釘剪力鍵作為一種安全儲(chǔ)備，未在模型中加以考慮。采用映射網(wǎng)格劃分有限元模型，未見單元畸變產(chǎn)生。有限元模型的邊界條件與假定相同，即側(cè)墻底部固結(jié)、橫梁端部鉸接。荷載的加載點(diǎn)與試驗(yàn)方案一致，加載荷載取881 kN。圖6是有限元模型。

圖6 鋼-混結(jié)合段有限元模型

1.3 受力特點(diǎn)研究

圖7是各主要測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比情況。筆者僅列出各構(gòu)件中應(yīng)力水平最高的結(jié)合段內(nèi)側(cè)C列測(cè)點(diǎn)結(jié)果。由圖7可以看出：鋼板和剪力鍵的理論值和實(shí)測(cè)值吻合情況較好，混凝土測(cè)點(diǎn)存在較大誤差但規(guī)律一致。其主要原因是其自身應(yīng)力水平較低，受振弦傳感器自身誤差的影響導(dǎo)致相對(duì)誤差較大。圖8是結(jié)合段范圍內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)位置混凝土豎向應(yīng)力積分值的增量，代表該處構(gòu)件自身傳遞的豎向荷載大小。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得到鋼-混結(jié)合段的主要受力特點(diǎn)如下：

1)鋼板、混凝土和剪力鍵的應(yīng)力在結(jié)合段(距頂部0～1.5 m)范圍內(nèi)大致呈線性分布，在側(cè)墻范圍(距頂部1.5～3 m)內(nèi)趨于均勻，應(yīng)力水平不再增加，說明鋼混結(jié)合段部分的主要荷載已在結(jié)合段內(nèi)部傳遞完成，結(jié)合段下部(側(cè)墻范圍內(nèi))剪力連接件的作用已經(jīng)不明顯。

2)內(nèi)側(cè)鋼板和PBL剪力鍵的最大應(yīng)力發(fā)生在上翼緣(上承壓板)處，主要原因是受壓-彎作用，內(nèi)側(cè)鋼板和混凝土的剝離作用最為顯著，因此剪力鍵應(yīng)力值也最大。隨著距頂部距離的增加，鋼板和剪力鍵應(yīng)力呈線性遞減，說明結(jié)合段受力在彈性階段。

3)結(jié)合段范圍內(nèi)累計(jì)傳遞豎向荷載為403 kN，占梁端剪力Q[Q=744 kN，按2.1節(jié)式(1)計(jì)算]的54.2%，剩余部分直接由側(cè)墻鋼板傳遞。其中，上承壓板傳遞豎向荷載87 kN，占梁端剪力的11.7%；下承壓板傳遞豎向荷載117 kN，占梁端剪力的15.7%，下承壓板的作用略高于上承壓板。

圖7 主要構(gòu)件測(cè)點(diǎn)理論值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖8 傳力構(gòu)件承擔(dān)的豎向荷載

4)承壓板累計(jì)傳遞豎向荷載204 kN，PBL剪力鍵累積傳遞豎向荷載199 kN，分別占梁端剪力的50.6%和49.4%，說明承壓板和PBL剪力鍵的匹配設(shè)計(jì)合理，各自傳剪約占一半。除了頂層和底層外，其余各層剪力鍵傳遞豎向荷載值均為15 kN左右，剪力鍵在結(jié)合段內(nèi)可按均勻受力考慮。

2 參數(shù)分析

在模型試驗(yàn)和數(shù)值分析的基礎(chǔ)之上，為了進(jìn)一步研究PBL剪力鍵剪切剛度和構(gòu)造細(xì)節(jié)對(duì)傳力性能的影響，作者對(duì)比了不同條件下鋼-混結(jié)合段的應(yīng)力分布規(guī)律和受力特點(diǎn)。

2.1 剪力鍵剪切剛度的影響

圖9是在不同剪切剛度下，結(jié)合段內(nèi)側(cè)C列測(cè)點(diǎn)鋼板和混凝土的豎向正應(yīng)力σz隨高度變化的曲線。由圖9可以看出：鋼板的應(yīng)力大小隨剪切剛度的增加交替變化，沒有特別顯著的規(guī)律；混凝土的應(yīng)力水平則隨剛度的增加略有增大，當(dāng)剛度增加至5K以上時(shí)，曲線間的差異已非常微小?？傮w而言，剪切剛度的變化對(duì)鋼板和混凝土應(yīng)力的分布規(guī)律和應(yīng)力大小的影響均很有限。

圖9 不同剪切剛度下主要構(gòu)件的測(cè)點(diǎn)正應(yīng)力σz分布曲線

圖10是不同剪切剛度下由應(yīng)力積分得到的不同截面處混凝土的壓力值曲線，該曲線描述了豎向荷載的傳遞值過程。圖10表明：剪切剛度越大、曲線斜率越大，即每根PBL剪力鋼筋承擔(dān)的豎向荷載也越大；截面壓力曲線在第7層剪力鍵(即結(jié)合段中部)首次交匯，在該截面由承壓板和剪力鍵傳遞的豎向荷載總量相等；曲線的第二個(gè)交匯點(diǎn)在下承壓板處，說明雖然剪力鍵的剛度有所改變，但結(jié)合段內(nèi)剪力鍵和承壓板承擔(dān)的荷載總量基本保持不變。

圖10 不同剪切剛度下各層剪力鍵處的混凝土截面壓力

圖11是各層構(gòu)件自身承擔(dān)的荷載大小。由圖11 可見，剪力鍵承擔(dān)的荷載與剪切剛度正相關(guān)，剛度越大，剪力鍵承載的荷載也越大，翼緣板分擔(dān)的荷載比例也相應(yīng)減小。

圖11 不同剪切剛度下各層剪力鍵承擔(dān)的豎向荷載

圖12給出了不同剪切剛度下，各類構(gòu)件承擔(dān)的荷載總量對(duì)比情況。由圖12可知：PBL剪力鍵承擔(dān)的荷載比例隨剪切剛度的增大顯著增加，當(dāng)剛度增加至5K以上時(shí)，變化才不明顯；承壓板承擔(dān)的荷載比例則隨剪切剛度的增加相應(yīng)減少，側(cè)墻部分承擔(dān)的荷載比例隨剛度的增大略有降低，但不顯著，表明剪切剛度的變化僅對(duì)結(jié)合段內(nèi)的荷載分布有較大影響；在原設(shè)計(jì)下，承壓板、剪力鍵和側(cè)墻3部分分擔(dān)的荷載比例大致相當(dāng)，結(jié)合段剛度過渡較為平順。

圖12 不同剪切剛度下構(gòu)件承擔(dān)的豎向荷載

2.2 構(gòu)造細(xì)節(jié)的影響

為了進(jìn)一步量化結(jié)合段內(nèi)上、下承壓板的作用，研究了不同構(gòu)造細(xì)節(jié)下的結(jié)合段受力特點(diǎn)。圖13是不同構(gòu)造細(xì)節(jié)下主要構(gòu)件測(cè)點(diǎn)的豎向正應(yīng)力分布曲線。對(duì)比圖9可知：在結(jié)合段內(nèi)，板件設(shè)置的越多，內(nèi)側(cè)鋼板和混凝土測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平越高，且上承壓板對(duì)結(jié)合段內(nèi)側(cè)鋼板的應(yīng)力影響明顯大于下承壓板；在側(cè)墻范圍內(nèi)，取消承壓板將導(dǎo)致鋼板應(yīng)力水平提高、混凝土應(yīng)力下降，原因在于上翼緣和側(cè)墻鋼板能有效形成剛性框架，若取消翼緣板，則消減框架剛度，結(jié)合段內(nèi)單個(gè)PBL剪力鍵承擔(dān)的荷載將增加，但總荷載小于原方案承壓板和剪力承擔(dān)的豎向荷載總和，剩余荷載交由側(cè)墻承擔(dān)。

圖13 不同構(gòu)造細(xì)節(jié)下主要構(gòu)件的測(cè)點(diǎn)正應(yīng)力σz分布曲線

圖14是結(jié)合段內(nèi)側(cè)鋼板的豎向正應(yīng)力分布云圖。由圖14可知：上翼緣的設(shè)置與否對(duì)鋼板應(yīng)力分布影響顯著，若只取消上翼緣，鋼板的應(yīng)力分布則變得均勻；若只取消下翼緣，則鋼板應(yīng)力分布變化不明顯。其原因在于上翼緣與側(cè)墻鋼板形成的框架效應(yīng)明顯，若取消上翼緣，原本由上翼緣承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)由剪力鍵承擔(dān)，由于剪力鍵相對(duì)側(cè)墻鋼板的剛度發(fā)生變化，應(yīng)力分布也隨之變化；而下翼緣板通過方孔穿出，與側(cè)墻內(nèi)側(cè)鋼板并無連接，下翼緣取消與否只影響剪力鍵的荷載，對(duì)鋼板無影響。另外一個(gè)原因是上翼緣和側(cè)墻連接的地方存在較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，若取消上翼緣，應(yīng)力集中現(xiàn)象亦能得到大幅改善。在結(jié)合段底部孔洞周邊也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。但相比材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度而言，應(yīng)力集中值較小，不影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖15是結(jié)合段內(nèi)不同構(gòu)件各自承擔(dān)的豎向荷載。由圖15可見，承壓板的設(shè)置僅對(duì)自身傳遞豎向荷載產(chǎn)生影響，對(duì)各層PBL剪力鍵自身承擔(dān)的荷載值影響有限。在不設(shè)承壓板的位置，原本由承壓板承擔(dān)的豎向荷載為零，此部分荷載將轉(zhuǎn)換到側(cè)墻之上。

圖14 不同構(gòu)造細(xì)節(jié)下內(nèi)側(cè)鋼板豎向正應(yīng)力σz云圖(單位：MPa)

圖15 不同構(gòu)造細(xì)節(jié)下構(gòu)件自身傳遞的豎向荷載

圖16是承壓板、剪力鍵和側(cè)墻各自累計(jì)承擔(dān)的豎向荷載。由圖16可見，不同構(gòu)造細(xì)節(jié)下，PBL剪力鍵累計(jì)承擔(dān)的荷載總量較原方案變化不大。原來由翼緣板承擔(dān)的部分荷載主要轉(zhuǎn)由側(cè)墻承擔(dān)，在無承壓板構(gòu)造下，剪力鍵承擔(dān)的荷載才略有增加。說明承壓板能降低PBL剪力鍵的荷載水平，但程度有限；其主要作用是分擔(dān)側(cè)墻部分承擔(dān)的豎向荷載，此與剪力鍵的作用不同。

圖16 不同構(gòu)造細(xì)節(jié)下構(gòu)件自身承擔(dān)的豎向荷載

3 結(jié) 論

通過大比例節(jié)段模型試驗(yàn)，研究了某空間剛架結(jié)構(gòu)鋼-混結(jié)合段的主要受力特點(diǎn)，探討了不同構(gòu)造細(xì)節(jié)和PBL剪力鍵不同剪切剛度對(duì)結(jié)合段受力性能的影響，主要結(jié)論如下：

1)在結(jié)合段內(nèi)部，鋼板、剪力鍵和混凝土的豎向應(yīng)力基本呈線性分布。頂部剪力鍵承擔(dān)的豎向荷載最大，在結(jié)合段中間區(qū)域較為均勻，底部剪力鍵的作用相對(duì)最小。

2)上、下翼緣板(承壓板)承擔(dān)的豎向荷載占比分別為11.7%和15.7%，下承壓板的作用略高于上板。結(jié)合段內(nèi)承壓板和PBL剪力鍵累計(jì)承擔(dān)的豎向荷載約各占一半。

3)剪切剛度的大小只影響結(jié)合段內(nèi)部的荷載分配，對(duì)側(cè)墻的影響有限。結(jié)合段內(nèi)PBL剪力鍵承擔(dān)的豎向荷載大小和剪切剛度正相關(guān)，但剪力鍵剛度的變化基本不改變結(jié)合段傳遞的豎向荷載總值。

4)承壓板的設(shè)置可在一定程度上降低PBL剪力鍵的荷載水平，但作用有限。與剪力鍵的作用不同，承壓板的主要作用是分擔(dān)側(cè)墻部分承擔(dān)的豎向荷載。

5)原設(shè)計(jì)方案基本實(shí)現(xiàn)了承壓板、PBL剪力鍵和側(cè)墻均勻分擔(dān)豎向荷載。剪力鍵的剛度和承壓板的設(shè)置較合理，但作用各有不同。將承壓板和一定數(shù)量的剪力鍵配合使用方可達(dá)到較好的效果。