朱福春, 崔明珠, 任偉新, 章 征

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230088; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

國(guó)內(nèi)外混合梁的設(shè)計(jì)多應(yīng)用于混合梁斜拉橋和混合梁連續(xù)梁橋中,如德國(guó)的舒馬赫橋、中國(guó)上海徐浦大橋、中國(guó)舟山桃夭門橋、中國(guó)重慶石板坡長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋等[1-4]。近年來(lái),混合梁懸索橋的出現(xiàn)拓寬了混合梁的應(yīng)用范圍,如2007年建成的佛山平勝大橋[5-6]和2014年開(kāi)建的重慶鵝公巖軌道交通專用橋[7]。雖然目前混合梁應(yīng)用已較為廣泛,但是不同橋型和位置的鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)各有不同,因此針對(duì)鋼-混結(jié)合段的研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用有限元分析和模型試驗(yàn)的方法進(jìn)行力學(xué)性能和傳力機(jī)理分析。

文獻(xiàn)[8]對(duì)混合梁結(jié)合段的構(gòu)造形式進(jìn)行了分類,并指出有格室構(gòu)造的結(jié)合段應(yīng)用前景更好;文獻(xiàn)[9]對(duì)南昌英雄大橋的斜拉橋鋼混結(jié)合段進(jìn)行了1∶2縮尺試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明鋼-混結(jié)合段有足夠的強(qiáng)度,構(gòu)造措施設(shè)計(jì)合理;文獻(xiàn)[10]針對(duì)結(jié)合段內(nèi)混凝土和鋼板之間的連接方式,建立了2種有限元模型,研究2種模型的傳力機(jī)理和適用情況;文獻(xiàn)[11]針對(duì)有格室后承壓板構(gòu)造形式采用有限元建模分析進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)系統(tǒng)研究,指出抗剪連接件剛度和格室高度對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能影響很大,需重點(diǎn)考慮;文獻(xiàn)[7]對(duì)重慶鵝公巖軌道交通專用橋進(jìn)行了縮尺試驗(yàn)和有限元建模分析,得到軸力作用下鋼-混結(jié)合段的傳力機(jī)理,并指出承壓板為主要傳力構(gòu)件。國(guó)內(nèi)外還有不少學(xué)者針對(duì)結(jié)合段內(nèi)開(kāi)孔板剪力連接件進(jìn)行推出試驗(yàn),進(jìn)行承載力公式的推導(dǎo)[12-17]。

連續(xù)梁與懸索組合橋梁結(jié)構(gòu)體系是一種新型組合協(xié)作體系橋梁,邊跨采用混凝土外伸梁,可充分利用混凝土梁的重量和剛度,中跨懸索段采用鋼箱梁,重量輕,跨越能力大。2種材料和橋型的結(jié)合,有效地發(fā)揮了鋼梁和混凝土梁各自的優(yōu)點(diǎn),改善了結(jié)構(gòu)體系的受力,優(yōu)化了工程經(jīng)濟(jì)。連續(xù)梁與懸索組合橋梁結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼-混結(jié)合段來(lái)連接2種體系,2種體系的交界處幾何構(gòu)造和應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜,其受力特性直接關(guān)系到整個(gè)橋梁的安全[18-19]。因此，鋼-混結(jié)合段的受力和傳力問(wèn)題需進(jìn)行專門的研究。

1 鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式

某大橋的設(shè)計(jì)方案為連續(xù)梁與懸索組合橋梁結(jié)構(gòu)體系，橋型布置如圖1所示,圖1中的單位為m。方案中鋼-混結(jié)合段采用部分填充后承壓板式構(gòu)造,鋼-混結(jié)合段構(gòu)造圖如圖2所示。

圖1 連續(xù)梁與懸索組合橋梁結(jié)構(gòu)體系示意圖

圖2 鋼混結(jié)合段構(gòu)造示意圖

圖1中組合橋梁主梁全長(zhǎng)325 m,跨徑布置為70 m+185 m+70 m。其中，主跨跨中等截面鋼箱梁78 m，邊跨及其余部分主跨采用變截面混凝土梁,跨中鋼箱梁梁高3 m,變截面混凝土梁根部高6 m。因?yàn)殇摿号c混凝土梁截面剛度不同,兩者直接相連容易產(chǎn)生剛度突變,局部應(yīng)力集中過(guò)大,所以通過(guò)鋼-混結(jié)合段將2種梁體連接起來(lái),利用2種不同材料梁段截面的幾何特性差別來(lái)平衡其彈模差別,以逐級(jí)、有效地把鋼箱梁高應(yīng)力狀態(tài)向混凝土梁低應(yīng)力狀態(tài)傳遞、分散[12]。

圖2中鋼-混結(jié)合段由混凝土過(guò)渡段、結(jié)合段和鋼梁過(guò)渡段3個(gè)部分組成?；炷吝^(guò)渡段采用增大普通混凝土梁段頂、底、腹板的厚度進(jìn)行剛度過(guò)渡;結(jié)合段為多格室結(jié)構(gòu),格室內(nèi)填充混凝土,在格室開(kāi)孔鋼板上設(shè)置栓釘和PBL剪力鍵,并將預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固于承壓板,使格室鋼板、承壓板以及內(nèi)填混凝土緊密結(jié)合;鋼箱梁過(guò)渡段加厚了普通鋼箱梁段頂、底板厚度,并在U肋上設(shè)置變高度T型肋進(jìn)行剛度過(guò)渡。

2 鋼-混結(jié)合段有限元分析

鋼-混結(jié)合段因處于2種橋型的連接處,受力復(fù)雜,且重要性突出。選用有限元軟件Midas FEA建立了鋼-混結(jié)合段局部有限元模型,分析其在荷載組合工況下的應(yīng)力狀態(tài),驗(yàn)證其安全性。

2.1 模型建立

根據(jù)圣維南原理,為減小邊界條件對(duì)研究段的影響,選取包括鋼-混結(jié)合段在內(nèi)的分析段長(zhǎng)度共17.85 m。其中：混凝土箱梁段長(zhǎng)5.35 m,混凝土過(guò)渡段長(zhǎng)1.39 m,鋼-混結(jié)合段長(zhǎng)2.11 m,鋼箱梁過(guò)渡段長(zhǎng)5.2 m,普通鋼箱梁段長(zhǎng)3.8 m?？紤]到模型的復(fù)雜性和對(duì)稱性,模型寬度方向取主梁的1/2。

鋼箱梁段以及鋼格室板采用板單元模擬,材料選用Q345;混凝土箱梁和內(nèi)填混凝土采用3D實(shí)體單元模擬,材料選用C50;預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用鋼筋單元模擬,預(yù)應(yīng)力筋為φ15.2 mm鋼絞線,標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。承壓板與填充混凝土黏接較好,采用節(jié)點(diǎn)耦合方式進(jìn)行模擬,其他位置處鋼格室板與內(nèi)填混凝土之間采用彈簧單元連接

來(lái)模擬抗剪連接件,彈簧單元剪切剛度根據(jù)相關(guān)研究[11]確定為2.34×105N/mm。

采用懸臂加載方式,將混凝土箱梁端部截面固結(jié),約束6個(gè)方向的自由度,鋼箱梁端部截面以截面形心為主節(jié)點(diǎn),形成剛性域,在該形心節(jié)點(diǎn)處施加荷載。由于選取了1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,在縱橋向?qū)ΨQ面上施加對(duì)稱約束。

有限元模型如圖3所示。模型整體坐標(biāo)系如下：縱橋向?yàn)閅軸,指向鋼梁段的方向?yàn)檎?橫橋向?yàn)閄軸;豎向?yàn)閆軸。

圖3 鋼-混結(jié)合段有限元模型

為獲得結(jié)合段真實(shí)的應(yīng)力狀況,對(duì)全橋進(jìn)行整體計(jì)算分析,計(jì)算承載能力極限狀態(tài)下鋼箱梁端部截面的最不利軸力組合和最不利正彎矩組合內(nèi)力,以及該組合下相應(yīng)的結(jié)合段內(nèi)吊桿力,結(jié)果見(jiàn)表1所列。將鋼箱梁端部截面最不利荷載組合內(nèi)力施加于端部形心點(diǎn),吊桿力以豎向集中力方式直接作用于相應(yīng)的錨固位置。

表1 最不利荷載組合工況下內(nèi)力

2.2 鋼-混結(jié)合段內(nèi)力分析

最大軸力與最大正彎矩組合工況下模型的內(nèi)力接近,以最大正彎矩組合工況為例,說(shuō)明最不利荷載組合工況下鋼-混結(jié)合段的受力機(jī)理。

最大正彎矩工況下,鋼結(jié)構(gòu)部分的Mises應(yīng)力如圖4a所示。除部分應(yīng)力集中的區(qū)域,98.8%鋼結(jié)構(gòu)區(qū)域Mises應(yīng)力均小于123.5 MPa,應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生在橫隔板與頂?shù)装褰唤缣帯加勁肋與U肋交界處以及吊桿力作用位置。普通鋼箱梁段應(yīng)力普遍大于鋼箱梁過(guò)渡段,鋼箱梁過(guò)渡段通過(guò)增設(shè)變高度T加勁肋,鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐步擴(kuò)散,通過(guò)承壓板后結(jié)合段內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小明顯,大部分低于40 MPa。

承壓板的軸向應(yīng)力分布如圖4b所示。由圖4b可知,除極小部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力,99%以上區(qū)域均處于受壓狀態(tài)。截面上部T加勁肋對(duì)應(yīng)位置以及預(yù)應(yīng)力鋼絞線附近壓應(yīng)力較大。

混凝土部分軸向應(yīng)力分布如圖4c所示。由圖4c可知，除下格室底部小范圍填充混凝土及橫梁中部存在拉應(yīng)力外,截面基本全部處于受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力為18.2 MPa。

圖4 鋼-混結(jié)合段應(yīng)力分布

結(jié)合段內(nèi)填充混凝土應(yīng)力分布規(guī)律與承壓板應(yīng)力分布規(guī)律相似,混凝土過(guò)渡段截面上部壓應(yīng)力大于截面下部區(qū)域,隨著預(yù)應(yīng)力筋的下彎,普通混凝土段截面壓應(yīng)力分布逐漸均勻。

3 鋼-混結(jié)合段傳力機(jī)理

鋼-混結(jié)合段主要承受較大的軸力和彎矩,彎矩可以分解成受壓側(cè)壓力和受拉側(cè)拉力,因此對(duì)結(jié)合段僅作用軸向力,分析其結(jié)合段內(nèi)軸力傳遞規(guī)律以及傳力過(guò)程的主要影響因素。

3.1 傳力過(guò)程分析

鋼-混結(jié)合段鋼格室和內(nèi)填混凝土承擔(dān)軸力比例的變化曲線如圖5所示。由圖5可知,經(jīng)過(guò)承壓板后,58.63%的軸力傳遞給內(nèi)填混凝土,之后通過(guò)剪力連接件及鋼-混之間作用力,軸力逐步由鋼結(jié)構(gòu)傳遞至混凝土。在端部軸力傳遞速度較快,分析原因是由于群釘效應(yīng),端部抗剪連接件作用更加明顯,傳力較快[11]。 143.5～160.0 cm段由于混凝土截面的增大,導(dǎo)致鋼混接觸區(qū)域增大,傳力速度也明顯增加。經(jīng)過(guò)結(jié)合段后,鋼格室內(nèi)剩余軸力通過(guò)端部截面全部傳遞給混凝土。

圖5 結(jié)合段軸力傳遞過(guò)程

3.2 承壓板厚度影響分析

取承壓板厚度為30、40、50、60、70、80 mm,分析承壓板厚度對(duì)鋼-混結(jié)合段內(nèi)各構(gòu)件傳力的影響。不同承壓板厚度下,混凝土軸力傳遞曲線和各構(gòu)件傳力比例如圖6所示,見(jiàn)表2所列。從表2可以看出：隨著承壓板厚度的增加,承壓板傳遞軸力的比例在逐漸增加,但總體增大幅度較小;剪力連接件傳遞軸力比例有所下降,鋼格室端部傳遞軸力比例基本不變。由圖6可知,承壓板厚度變化主要影響靠近承壓板100 cm內(nèi)結(jié)合段的軸力傳遞,此范圍內(nèi)承壓板厚度越小,軸力傳遞速度越快,隨著距承壓板距離增大,此影響逐漸消失。說(shuō)明承壓板厚度越小,前幾排剪力連接件承受的荷載會(huì)越大,不利于剪力連接件的受力。

圖6 不同厚度承壓板軸力傳遞曲線

鋼格室厚度/mm承壓板剪力連接件鋼格室端部3057.0213.7429.244057.5013.3129.195058.1312.7029.176058.6312.2429.127058.6812.2029.128059.3911.5229.09

3.3 鋼格室厚度影響分析

鋼格室進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),外側(cè)面板一般與鋼箱梁過(guò)渡段的頂?shù)装搴穸缺３忠恢?內(nèi)側(cè)面板及腹板厚度一般取16～25 mm[12]。內(nèi)側(cè)面板和腹板厚度取15、20、25、30、35 mm,分析鋼格室厚度對(duì)各構(gòu)件傳力性能的影響。不同鋼格室厚度下,混凝土軸力傳遞曲線和各構(gòu)件傳力比例如圖7所示,見(jiàn)表3所列。由表3可知,隨著鋼格室面板和腹板厚度的增加,承壓板承擔(dān)軸力比例逐漸減小,厚度從15 mm增至35 mm,降幅為8.56%,鋼格室端部承擔(dān)軸力比例逐漸增加,增幅為8.65%,剪力連接件傳遞軸力比例變化幅度很小。由圖7可知,不同厚度鋼格室板軸力傳遞曲線基本平行,說(shuō)明改變鋼格室板厚度對(duì)剪力連接件傳力影響很小。

圖7 不同厚度鋼格室板軸力傳遞曲線

表3 不同厚度鋼格室各構(gòu)件傳力比例 單位:%

綜上可知,增大承壓板厚度會(huì)增大承壓板的傳力比例,增大鋼格室厚度會(huì)減小承壓板傳力比例,但承壓板傳遞軸力比例均在54%以上,且增大幅度不超過(guò)9%,說(shuō)明承壓板為結(jié)合段內(nèi)主要傳力構(gòu)件,且傳力比例受參數(shù)變化影響不大[7]。

4 鋼-混結(jié)合段剛度匹配

鋼-混結(jié)合段兩側(cè)鋼箱梁和混凝土梁彈性模量相差約6倍,通過(guò)設(shè)置鋼箱梁和混凝土梁過(guò)渡段,平衡2種材料的彈性模量差別,逐步把鋼箱梁應(yīng)力平順過(guò)渡到混凝土梁。為研究剛度匹配問(wèn)題對(duì)整個(gè)鋼-混結(jié)合段的受力影響,建立鋼箱梁過(guò)渡段和混凝土梁過(guò)渡段的不同剛度配置模型,分析不同剛度配置下結(jié)合段內(nèi)力。

4.1 不同剛度鋼箱梁過(guò)渡段

鋼箱梁過(guò)渡段通過(guò)設(shè)置變高度的加勁肋來(lái)進(jìn)行剛度過(guò)渡[12]。修改T肋高度變化分別為400 mm、400～600 mm、400～800 mm(原模型T肋高度變化為400～800 mm)以及不設(shè)置T肋的4種模型,其中T肋高度變化為400 mm簡(jiǎn)稱為T-400,同理400～600 mm和400～800 mm簡(jiǎn)稱為T-600、T-800,不設(shè)置T肋稱為無(wú)加勁肋。

最大正彎矩工況下,混凝土段最大和最小軸向應(yīng)力及鋼結(jié)構(gòu)最大Mises應(yīng)力見(jiàn)表4所列。由表4可知,無(wú)加勁肋模型與有加勁肋模型相比,混凝土段和鋼結(jié)構(gòu)段最大應(yīng)力相差不明顯,僅U肋最大應(yīng)力明顯小于有加勁肋模型,分析原因是無(wú)加勁肋模型無(wú)T肋與U肋交界處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。雖然無(wú)加勁肋模型最大應(yīng)力與有加勁肋模型相差不大,甚至小于有加勁肋模型,但無(wú)加勁肋模型的整體應(yīng)力水平較高。如鋼結(jié)構(gòu)頂板Mises應(yīng)力,無(wú)加勁肋模型頂板100%區(qū)域應(yīng)力大于50 MPa,有加勁肋模型約85%區(qū)域應(yīng)力大于50 MPa;頂板U肋M(jìn)ises應(yīng)力,無(wú)加勁肋模型90.2%區(qū)域應(yīng)力大于70 MPa,有加勁肋模型約60%區(qū)域應(yīng)力大于70 MPa。T肋高度變化不同的3個(gè)模型,最大應(yīng)力和應(yīng)力分布水平均相差不多。

表4 不同剛度鋼箱梁過(guò)渡段結(jié)構(gòu)內(nèi)力 單位:MPa

綜上可知,在鋼箱梁過(guò)渡段設(shè)置加勁肋可以緩解鋼箱梁部分的高應(yīng)力狀態(tài),但T肋的高度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力水平影響較小,可以在適當(dāng)范圍內(nèi)減小T肋的高度變化。

4.2 不同剛度混凝土過(guò)渡段

混凝土過(guò)渡段通常采用加大混凝土填充量的方式,使結(jié)合段處2種不同材料梁段的剛度過(guò)渡比較平緩,傳力比較順暢[1]。為了研究混凝土填充量變化對(duì)結(jié)合段受力的影響,修改混凝土過(guò)渡段長(zhǎng)度為460、920、1 390 mm和不設(shè)置過(guò)渡段,對(duì)模型作用最大正彎矩組合工況下的內(nèi)力,分析鋼-混結(jié)合段內(nèi)力的變化。

最大正彎矩工況作用下,混凝土梁段及內(nèi)填混凝土最大和最小軸向應(yīng)力以及鋼結(jié)構(gòu)段最大Mises應(yīng)力見(jiàn)表5所列。由表5可知：無(wú)過(guò)渡段模型混凝土梁段及內(nèi)填混凝土軸向壓應(yīng)力值最大,有過(guò)渡段模型的軸向壓應(yīng)力值相差不多,但過(guò)渡段長(zhǎng)度較大時(shí),會(huì)增大混凝土最大軸向拉應(yīng)力值(出現(xiàn)在橫隔梁中部);無(wú)過(guò)渡段模型的承壓板和鋼箱梁Mises應(yīng)力值也比有過(guò)渡段模型大,有過(guò)渡段模型中,過(guò)渡段1 390 mm鋼箱梁內(nèi)力值最大。

表5 不同剛度混凝土過(guò)渡段結(jié)構(gòu)內(nèi)力 單位:MPa

綜上可知,設(shè)置混凝土過(guò)渡段可以減小結(jié)合段的內(nèi)力值,但混凝土過(guò)渡段長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng),較長(zhǎng)的過(guò)渡段反而會(huì)增大混凝土梁的拉應(yīng)力和鋼箱梁的應(yīng)力。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)連續(xù)梁與懸索組合橋梁的鋼-混結(jié)合段進(jìn)行有限元建模,分析其受力特點(diǎn)、傳力機(jī)理和剛度匹配,得到以下結(jié)論:

(1) 在最大正彎矩工況作用下,鋼-混結(jié)合段各構(gòu)件內(nèi)力均小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,結(jié)合段設(shè)計(jì)有一定的安全儲(chǔ)備,應(yīng)力過(guò)渡平順。

(2) 鋼-混結(jié)合段的傳力過(guò)程承壓板先傳遞大部分軸力給內(nèi)填混凝土,隨后軸力通過(guò)剪力連接件及鋼混之間作用力逐步傳遞給內(nèi)填混凝土,剩余軸力通過(guò)鋼格室端部截面?zhèn)鬟f給混凝土梁。

(3) 承壓板厚度越大,承壓板傳力比例越大,當(dāng)承壓板厚度較小時(shí),靠近承壓板100 cm以內(nèi)的剪力連接件受力較大,不利于剪力連接件的受力。鋼格室厚度越大,承壓板傳力比例越小,鋼格室板厚度對(duì)剪力連接件傳力影響很小。

(4) 設(shè)置變高T加勁肋,可以緩解鋼箱梁高應(yīng)力狀態(tài),但T肋高度變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響很小,可適當(dāng)減小T肋高度變化值。

(5) 設(shè)置混凝土過(guò)渡段可以減小結(jié)合段內(nèi)力值,但過(guò)長(zhǎng)的混凝土過(guò)渡段反而會(huì)對(duì)結(jié)合段受力不利。