黃 和 羅朝榮

(1.武漢城市公共設(shè)施運(yùn)營發(fā)展有限公司 武漢 430064; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 長沙 410200)

近年來我國公路橋梁拓寬工程日漸增多，采用新建混凝土梁拓寬既有混凝土梁的形式最常見?？紤]到鋼-混組合梁具有自重輕、強(qiáng)度大、吊裝安置靈活、便于快速施工等優(yōu)點(diǎn)，值得作為拓寬結(jié)構(gòu)中的一種比選方案。然而，對于采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)橫向拼寬既有混凝土橋梁，新舊結(jié)構(gòu)剛度差異明顯，界面受力也因拓寬影響具有特殊性，但目前對其研究的文獻(xiàn)較少[1-2]，需進(jìn)一步深化研究。

鋼-混組合梁上部混凝土板與鋼梁常通過栓釘連接件形成組合截面，栓釘力學(xué)特性直接影響結(jié)構(gòu)的整體受力[3-4]。橋梁拓寬工程中，組合結(jié)構(gòu)與舊橋橫向拼寬后(見圖1)，新舊結(jié)構(gòu)由于材料、截面形式等方面的差異，往往出現(xiàn)橫向受力不均勻現(xiàn)象，栓釘受力狀態(tài)復(fù)雜，需開展針對性研究。

圖1 采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)拓寬的既有簡支箱梁橋局部構(gòu)造

本文以江蘇某高速公路中一待拓寬的既有簡支箱梁橋為研究對象，采用同跨徑的鋼-混組合單箱梁作為橫向拼寬結(jié)構(gòu)。考慮界面栓釘受力-變形的非線性，分析采用組合梁拓寬舊橋后，車道荷載作用下組合梁界面栓釘?shù)氖芰σ?guī)律，并改變栓釘抗剪剛度，研究組合梁界面滑移狀態(tài)。

1 栓釘?shù)暮奢d-變形關(guān)系

組合梁的混凝土板與鋼翼緣交界面出現(xiàn)水平滑移和豎向掀起時連接件受力復(fù)雜，因此，作出以下簡化：①混凝土板與鋼翼緣之間的力僅通過連接件傳遞，忽略板和鋼翼緣間的摩擦及機(jī)械咬合等作用；②栓釘僅具有抗滑移、抗掀起2種功能，傳遞水平剪力和豎向力，所受彎矩為0；③栓釘承受的豎向掀起力為軸向拉力；④豎向掀起位移由栓釘?shù)妮S向變形引起。

由以上簡化，單個栓釘可由3個正交彈簧模擬，分別考慮彈簧X、Y、Z3個方向上的本構(gòu)關(guān)系。

彈簧單元的本構(gòu)關(guān)系考慮如下。

1)栓釘?shù)募袅?滑移本構(gòu)。根據(jù)Johnson的建議，栓釘?shù)募袅?滑移本構(gòu)關(guān)系按式(1)計算。

(1)

對變形量Δ求導(dǎo)，可得栓釘?shù)募羟袆偠取?/p>

(2)

栓釘?shù)目辜舫休d力Qu，參照美國AASHTO橋規(guī)按式(3)計算。

(3)

式中：Asc為栓釘?shù)慕孛婷娣e，mm2；fc為混凝土的棱柱體抗壓強(qiáng)度，MPa；Ec為混凝土的彈性模量，MPa；fs,u為栓釘?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa。

工程中一般采用直徑d=22 mm栓釘作為連接件，據(jù)文獻(xiàn)[5-7]中試驗數(shù)據(jù)，擬合滑移模型參數(shù):α=0.4，β=0.5和Qu=160 kN，代入式(1)，得到栓釘剪力-滑移曲線圖，見圖2。

圖2 栓釘?shù)募袅?滑移本構(gòu)關(guān)系

2)栓釘?shù)呢Q向荷載-變形本構(gòu)。當(dāng)鋼翼緣板與混凝土間出現(xiàn)拉力，由界面上設(shè)置的栓釘承擔(dān)，當(dāng)鋼翼緣板與混凝土間出現(xiàn)壓力，認(rèn)為鋼翼緣與混凝土板直接接觸。因此栓釘受拉時，拉力-變形曲線由栓釘本身材料及尺寸相關(guān)，受壓時，栓釘剛化。

栓釘材料取用Q345，鋼材彈性模量Es為206 GPa，泊松比0.3，栓釘釘桿直徑d=22 mm，l=160 mm。栓釘受拉時，通過式(4)得到栓釘剛度。

(4)

由式(4)得到豎向力作用下單個栓釘荷載-變形關(guān)系圖，見圖3(拉力為正，壓力為負(fù))，極限拉力按GB/T 10433-2002《圓柱頭栓釘》規(guī)范取160 kN。

圖3 栓釘?shù)呢Q向荷載-變形本構(gòu)關(guān)系

利用有限元軟件ABAQUS對拓寬結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。混凝土為實體單元，材料為C50；鋼箱梁、內(nèi)橫撐及肋板用板殼單元模擬，材料為Q345，鋼-混凝土結(jié)合面上栓釘按實際位置布設(shè)，用彈簧單元模擬并輸入相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系。栓釘模擬情況見圖4。

圖4 采用彈簧單元模擬栓釘

2 拓寬后的結(jié)構(gòu)計算分析模型

2.1 計算模型參數(shù)

以江蘇沿江高速公路中某待拓寬舊橋為研究對象。該項工程中由于橋面排水及橋下凈空需求，新橋梁高略小于舊橋。舊橋梁高1.7 m，新建鋼-混組合梁梁高為1.55 m，拓寬后形成寬20.5 m，可5車道布載的30 m跨簡支并聯(lián)雙箱梁橋。具體參數(shù)見表1，構(gòu)造圖見圖5，坐標(biāo)軸X、Y、Z方向如圖。

表1 新橋箱梁基本設(shè)計參數(shù) mm

圖5 拓寬后結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.2 栓釘布置

栓釘為ML15AL的直徑22 mm×長180 mm圓柱頭焊釘，組合梁每側(cè)翼緣橫向設(shè)置4列釘，縱向均勻布設(shè)，每排間距300 mm，栓釘布置見圖6。

圖6 鋼梁翼緣栓釘布置(單位：mm)

2.3 活載工況

原橋拓寬后，車道荷載只作用在新橋上時，新橋受力不利，須對該情況下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行研究。新建鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面較窄，可不考慮新橋上的車道偏載效應(yīng)，荷載布置圖見圖7，按公路-I級荷載標(biāo)準(zhǔn)作用在新橋橋面上，縱向滿布線荷載(5.25 kN/m)，跨中加載集中荷載160 kN，共計2車道活載作用。根據(jù)分析需要，將栓釘從靠近舊橋側(cè)開始至另一側(cè)按照序列1～8編號，其中1～4號釘稱為內(nèi)側(cè)栓釘，5～8稱為外側(cè)栓釘。

圖7 拓寬后新橋兩車道布載(單位:mm)

3 活載作用下組合梁栓釘受力分析

鋼-混組合結(jié)構(gòu)中栓釘除傳遞鋼梁與混凝土翼板之間的縱向剪力外，還起到防止混凝土翼板與鋼梁之間豎向分離的作用，是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。橋梁拓寬后，分析栓釘受力可以明確混凝土板與鋼梁界面的受力特點(diǎn)，優(yōu)化栓釘?shù)牟贾梅绞?。因此這里研究兩車道活載作用下栓釘?shù)氖芰σ?guī)律。

加載后，提取栓釘X、Y、Z個方向的力得到栓釘縱向剪力、橫向剪力及豎向力沿順橋向分布圖見圖8。其中，靠近舊橋側(cè)栓釘稱為內(nèi)側(cè)翼緣釘，遠(yuǎn)離舊橋側(cè)栓釘稱為外側(cè)翼緣釘。

圖8 栓釘受力沿橋梁縱向分布

圖中曲線與軸線Y=0 kN、X=0 mm、X=15 000 mm圍成的面積，表示每列栓釘承擔(dān)的總力，列出每列釘3個方向上受力見表2(根據(jù)結(jié)構(gòu)、荷載對稱性，縱向剪力只計算半跨范圍內(nèi)的剪力值)。

表2 各列釘受力 kN

分別計算內(nèi)、外釘在同一方向上的受力總和，見表3。根據(jù)組合梁界面栓釘?shù)氖芰顟B(tài)，由表3可見，鋼-混組合結(jié)構(gòu)拓寬舊混凝土箱梁橋后，活載作用下內(nèi)外側(cè)翼緣界面栓釘受力大小及分布情況有顯著差異。

表3 內(nèi)、外側(cè)釘不同方向上受力 kN

由表3還可見,組合梁內(nèi)側(cè)翼緣栓釘受較大的橫向(-460 kN)、縱向剪力(-503 kN)，而豎向拉力(79 kN)較小，且因跨中存在集中力作用，主要出現(xiàn)在跨中區(qū)域；外側(cè)翼緣栓釘縱向剪力(-2 292 kN)及豎向壓力(-784 kN)表現(xiàn)明顯，對于豎向壓力，認(rèn)為栓釘受壓時，鋼梁與翼緣接觸壓緊，栓釘受力安全，在此可不做討論?？v向剪力從梁端向跨中呈減小趨勢，橫向剪力(219 kN)相對較小，主要集中在梁端區(qū)域。

對比內(nèi)外側(cè)翼緣栓釘受力可知，兩者在剪力和豎向受力上均有差異，外側(cè)翼緣以縱向剪力為主，受力約為內(nèi)側(cè)翼緣栓釘?shù)?.6倍。

4 栓釘抗剪剛度對界面滑移影響分析

栓釘?shù)目辜魟偠仍叫?，荷載作用下，鋼梁與混凝土橋面板相對滑移越大，新舊橋間的荷載分布變化，可能對結(jié)構(gòu)的受力不利。這里研究栓釘抗剪剛度變化而豎向剛度不變時，結(jié)構(gòu)的不同受力狀態(tài)。

4.1 栓釘?shù)牟煌辜魟偠?/h3>

栓釘?shù)募袅?滑移曲線在式(1)基礎(chǔ)上，分別乘以0.5，0.1的折減系數(shù)得到新的剪力-滑移曲線，栓釘?shù)目辜魟偠纫卜謩e折減為原來的0.5，0.1，得到不同的剪力-滑移曲線和抗剪剛度-變形曲線圖見圖9(假定按式(2)初始計算得到的栓釘抗剪剛度為κ，折減之后的剛度則為0.5κ，0.1κ)，豎向剛度按初始設(shè)置不變。

圖9 栓釘剪力-變形曲線

4.2 連接界面滑移

鋼-混組合梁交界面上相對滑移，可作為栓釘應(yīng)力分布的表征，組合結(jié)構(gòu)鋼梁與混凝土板間的界面各向滑移代表了界面的各向受力狀態(tài)，通過界面滑移分析可以深入了解并掌握栓釘?shù)氖芰Ψ植继攸c(diǎn)。

開展分析計算，根據(jù)組合梁內(nèi)外側(cè)翼緣不同方向上的滑移數(shù)據(jù)繪制出沿橋跨的縱向滑移、橫向滑移、豎向相對位移曲線圖見圖10，分析其分布特點(diǎn)。

圖10 界面相對滑移

由圖10可見：

1)栓釘?shù)目辜魟偠戎苯佑绊懡M合梁界面的橫向與縱向相對滑移，對于結(jié)構(gòu)豎向相對位移影響較小。

2)組合梁內(nèi)外側(cè)翼緣滑移分布形式存在差異，內(nèi)側(cè)翼緣在梁端出現(xiàn)較大的橫向滑移，靠近跨中區(qū)域縱向及橫向滑移都較大，外側(cè)翼緣主要以縱向滑移為主，在梁端局部區(qū)域有較顯著橫向滑移。

3)栓釘抗剪剛度變化時，組合梁混凝土板與鋼梁豎向相對位移基本不產(chǎn)生變化。

5 結(jié)論

舊混凝土橋梁拓寬工程中，因技術(shù)、施工環(huán)境限制，當(dāng)采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)作為拓寬新建結(jié)構(gòu)時具有其優(yōu)勢，可作為一種待選方案納入考慮，而鋼-混組合梁應(yīng)用于拓寬工程中有其特殊力學(xué)特點(diǎn)，本文對拓寬后組合梁栓釘?shù)氖芰徒缑婊七M(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下。

1)組合梁內(nèi)外側(cè)翼緣栓釘受力大小及分布狀態(tài)有顯著差異，而內(nèi)外側(cè)栓釘縱向剪力差異最值得關(guān)注，外側(cè)栓釘受到的縱向剪力約為內(nèi)側(cè)栓釘?shù)?.6倍，抗剪需求比內(nèi)側(cè)界面上的栓釘強(qiáng)烈。

2)同樣活載作用下，栓釘抗剪剛度直接影響界面滑移，抗剪剛度越小，界面滑移量越大，反之越小。

3)組合梁內(nèi)外側(cè)翼緣界面相對滑移分布形式不一致。內(nèi)側(cè)界面縱向滑移從梁端開始向跨中先增加后迅速減小，在靠近跨中區(qū)域橫向和縱向均出現(xiàn)較大界面滑移；外側(cè)界面主要出現(xiàn)縱向滑移，滑移分布從梁端位置開始向跨中呈減小趨勢，滑移量比內(nèi)側(cè)界面大。

4)栓釘抗剪剛度的變化對界面豎向受力影響較小。