董梅，趙燦暉，張永明，張育智，舒本安，劉志文

（1.佛山市交通投資集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528300；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610000；3.佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山 528300；4.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528300）

混合梁斜拉橋因具有受力明確、施工快捷等特點(diǎn)，近年來在國內(nèi)大跨徑斜拉橋中被廣泛應(yīng)用［1-3］。鋼混結(jié)合段作為混合梁斜拉橋主梁中鋼梁與混凝土梁的關(guān)鍵連接節(jié)段，因構(gòu)造復(fù)雜且傳遞荷載大，其力學(xué)行為受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。鋼混結(jié)合段的研究重點(diǎn)：①荷載分配或傳遞路徑（即鋼混結(jié)合段中承壓板與剪力連接件所傳遞荷載占總荷載的比例）；②鋼混結(jié)合段中剪力釘、PBL等連接件的剪切剛度、疲勞性能等力學(xué)性能。黃彩萍等人［4］以武漢二七長江大橋?yàn)檠芯繉ο螅治霰砻骱奢d分配與剪力釘剪切剛度密切相關(guān)。李小珍等人［5］通過廈門馬新大橋的縮尺試驗(yàn)，得到承壓板與PBL剪力件所傳遞荷載各占50%。姚亞東等人［6］以甬江特大橋?yàn)樵停谱髁丝s尺比為1∶5的全截面模型進(jìn)行試驗(yàn)研究和有限元分析，發(fā)現(xiàn)承壓板對結(jié)構(gòu)軸向力的傳遞有重分配作用。HE等人［7］以UHPC灌漿的鋼混結(jié)合段為研究對象，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，承壓板承受總荷載的65%，其余35%由剪力件承擔(dān)。針對剪力連接件的研究，黃翔等人［8］采用推出試驗(yàn)方法，得出了鋼混結(jié)合段中PBL剪力件的極限承載力和抗剪剛度計(jì)算公式。周陽等人［9］設(shè)計(jì)并制作了甬江特大橋結(jié)合段中典型鋼格室的足尺模型，對剪力釘和PBL剪力件群進(jìn)行了疲勞荷載試驗(yàn)，剪力栓釘與PBL剪力件的配合使用，提高了結(jié)構(gòu)的安全儲備與抗疲勞性能。

組合梁是近年來橋梁設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)［10-12］，其截面中的混凝土橋面板面積較大，對截面的軸向剛度及抗彎剛度均有較大貢獻(xiàn)，當(dāng)組合梁用于結(jié)合段時(shí)，由于混凝土橋面板的存在，導(dǎo)致軸向力在截面上的分布規(guī)律、結(jié)合段內(nèi)荷載傳遞機(jī)理與常規(guī)的鋼-混凝土結(jié)合段有較大差異。為研究組合-混合梁結(jié)合段的傳力機(jī)理，本研究擬以主跨為580 m富龍西江大橋?yàn)槔?，對中腹板區(qū)域進(jìn)行1∶2縮尺模型試驗(yàn)，并采用Abaqus軟件建立有限元模型，研究組合-混合梁截面各參數(shù)對結(jié)合段軸向傳力路徑的影響規(guī)律，以期為該類橋型結(jié)合段的設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型設(shè)計(jì)

富龍西江大橋主跨為580 m，主梁寬為41.4 m，主跨側(cè)采用組合鋼箱梁，邊跨側(cè)采用混凝土箱梁，結(jié)合段設(shè)置于輔助墩上，如圖1所示。以該橋組合梁-混凝土梁結(jié)合段為例，選取主梁橫斷面中受力最顯著的中腹板區(qū)域進(jìn)行1∶2縮尺模型試驗(yàn)，如圖2（a）所示。模型主體由組合梁、結(jié)合段和混凝土箱梁組成，對應(yīng)的長度分別為1.30、1.07和2.50 m。

圖1 富龍西江大橋鋼混結(jié)合段布置（單位：cm）Fig.1 The layout of steel-concrete joint section of the Fulong Xijiang Bridge（unit：cm）

橫斷面尺寸為1.85 m×1.67 m，其中，組合梁截面內(nèi)橋面板厚度為0.125 m，如圖2（b）所示。板內(nèi)分兩層，共設(shè)置36根Φ12的HRB400縱向鋼筋，鋼梁頂、底板厚度為10 mm，腹板、頂板加勁與底板U肋為8 mm，底板加勁為12 mm，鋼材為Q345。結(jié)合段與組合梁交界面上設(shè)有厚30 mm的承壓鋼板，組合梁各板件經(jīng)承壓板伸入結(jié)合段內(nèi)，利用PBL剪力件和剪力栓釘與結(jié)合段混凝土相連，剪力件的布置如圖2（d）、（e）所示?；炷亮航孛鏋楣ぷ中?，其端部與加載錨座相連。

圖2 模型結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm）Fig.2 The layout diagram of model structure（unit：mm）

1.2 加載方案

模型采用兩組水平千斤頂進(jìn)行加載，如圖3所示。加載端截面上部布設(shè)2臺250 t千斤頂，下部布設(shè)2臺200 t千斤頂，利用錨座中預(yù)埋預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加荷載。各千斤頂同步加載，各級荷載值如圖4所示。最終結(jié)合段內(nèi)總軸力為4 800 kN，總彎矩為2 500 kN·m，該荷載對應(yīng)實(shí)橋中最不利軸力工況。

圖3 加載示意（單位：mm）Fig.3 Loading schematic（Unit：mm）

圖4 加載步驟Fig.4 Loading procedure

1.3 應(yīng)變測試方案

模型測點(diǎn)布置分為組合梁、結(jié)合段埋入?yún)^(qū)兩個(gè)部分，如圖5（a）所示。中腹板沿高度方向共設(shè)置9行軸向應(yīng)變測點(diǎn)。結(jié)合段埋入?yún)^(qū)1列，組合梁內(nèi)1列，編號分別為M1-1至M1-9、M2-1至M2-9。底鋼板沿截面寬度方向設(shè)置4行軸向應(yīng)變測點(diǎn)，組合梁內(nèi)1列，結(jié)合段埋入?yún)^(qū)1列，編號分別為D1-1至D1-4、D2-1至D2-4，如圖5（b）所示。頂鋼板與底鋼板測點(diǎn)布置相似，編號為T1-1至T1-4、T2-1至T2-4，如圖5（c）所示。結(jié)合段埋入?yún)^(qū)的頂、底隔艙板上分別布置了3行1列、3行1列的軸向應(yīng)變測點(diǎn)，對應(yīng)的編號為TC1-1至TC1-3以及BC1-1至BC1-3，如圖5（d）所示。橋面板內(nèi)對應(yīng)承壓板的位置設(shè)置3個(gè)鋼筋應(yīng)變測點(diǎn)，編號為R1至R3，如圖5（e）所示。

圖5 應(yīng)變測點(diǎn)布置Fig.5 The layout diagram of strain measuring points

2 試驗(yàn)結(jié)果

組合梁區(qū)域內(nèi)腹板不同高度處的軸向應(yīng)變?nèi)鐖D6（a）所示。從圖6（a）可以看出，各點(diǎn)應(yīng)變隨荷載增大呈線性增長，并且在軸壓力+正彎矩組合作用下壓應(yīng)變從上到下呈依次減小的分布形式，最大應(yīng)變值為-343με。組合梁內(nèi)頂板整體截面均勻受壓，平均壓應(yīng)變?yōu)?275με，組合梁內(nèi)底板受壓也較為均勻，但壓應(yīng)變較頂板小，平均壓應(yīng)變?yōu)?50με。

圖6 應(yīng)變測試結(jié)果Fig.6 Test results of strain

結(jié)合段內(nèi)各鋼板件在各荷載級下的中腹板上各測點(diǎn)的應(yīng)變測試結(jié)果如圖6（b）所示，其應(yīng)變分布規(guī)律與組合梁區(qū)域測點(diǎn)相似，但同一荷載下的應(yīng)變值較組合梁區(qū)域測點(diǎn)小，最大壓應(yīng)變?yōu)?141με。結(jié)合段內(nèi)頂板與底板中測點(diǎn)測試結(jié)果如圖6（d）和圖6（e）所示，頂板與底板中各測點(diǎn)與承壓板的距離一致，因此應(yīng)變值相近。與頂鋼板相連的頂隔艙板受壓，如圖6（f）所示。壓應(yīng)變達(dá)到-108με。底隔艙板全截面受壓，壓應(yīng)變從上至下呈遞減趨勢，與底鋼板相連處壓應(yīng)變最小為-16με，如圖6（g）所示。橋面板內(nèi)鋼筋測點(diǎn)的應(yīng)變結(jié)果如圖6（h）所示，最大壓應(yīng)變達(dá)到-220με，測點(diǎn)TC1-3與R3受到破壞，無讀數(shù)。

從圖6還可以看出，承壓板兩側(cè)的結(jié)合段截面和組合梁截面上同名板件具有相同的應(yīng)變分布規(guī)律和不同應(yīng)變大小，因此截面內(nèi)力發(fā)生了重分布。承壓板截面的受力構(gòu)件包括：橋面板、承壓板、各類鋼板（中腹板、頂鋼板、底鋼板、頂隔艙板及底隔艙板）和結(jié)合段混凝土，該截面軸力傳遞的途徑有3種：①橋面板自身傳遞；②承壓板面壓傳遞給結(jié)合段混凝土；③結(jié)合段內(nèi)各縱向鋼板通過剪力件群傳遞至結(jié)合段混凝土。

3 有限元計(jì)算及驗(yàn)證

為分析結(jié)合段的傳力機(jī)理，采用Abaqus軟件建立結(jié)合段全截面有限元模型，如圖7所示。橋面板與混凝土箱梁均采用C3D8R實(shí)體單元，鋼箱梁則采用S4R殼單元進(jìn)行模擬。結(jié)合段中設(shè)置剪切彈簧，模擬剪力釘與PBL剪力件；橋面板內(nèi)埋入Truss單元，模擬縱向鋼筋?？紤]承壓板與結(jié)合段內(nèi)結(jié)合段混凝土的接觸效應(yīng)，混凝土取規(guī)范［13］中C60混凝土的本構(gòu)曲線，彈性模量為36.0 GPa，鋼材料彈性模量取200 GPa，剪力釘與PBL剪力件的剪切剛度分別為575 kN/mm［14］與682 kN/mm［15］。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測值的對比如圖8所示。從圖8可以看出，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測應(yīng)變吻合良好，表明可以利用有限元計(jì)算結(jié)果對結(jié)合段的受力特征及傳力路徑進(jìn)行分析。

圖8 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.8 Results comparison of finite element and test

根據(jù)試驗(yàn)中的三種軸力傳遞方式，為計(jì)算結(jié)合段各部分所傳軸向力準(zhǔn)確數(shù)值，利用有限元模型取多個(gè)截面如圖9（a）所示。通過節(jié)點(diǎn)力積分的方式得到各部分傳遞的軸力及其占比，計(jì)算結(jié)果如圖9（b）所示。從圖9可以看出，C0截面處承壓板所傳遞的軸力荷載占總軸力的32.2%，橋面板傳遞的軸力占總軸力的45.0%，剪力連接件傳遞給混凝土梁的軸力占比為22.8%。隨著截面與承壓板距離的增大，混凝土中的軸力持續(xù)增大，這是因?yàn)橛杉袅B接件傳遞給混凝土的軸向力持續(xù)增大，在C4截面處，混凝土承受的軸力占比達(dá)到56.2%，橋面板的軸力占比為38.5%，由于組合梁鋼頂板在C3截面與C4截面間結(jié)束，C4截面上剪力連接件的合計(jì)軸力占比僅為5.3%。在整個(gè)傳力過程中，各類鋼板承受的軸力及橋面板中的部分軸力通過剪力件群逐漸傳給結(jié)合段混凝土，橋面板中剩余軸力則由橋面板與混凝土箱梁的結(jié)合面直接傳遞給混凝土箱梁。

圖9 組合梁-混合梁結(jié)合段軸力傳遞機(jī)理Fig.9 Axial force transmission mechanism of composite beam-concrete joint section

4 參數(shù)分析

為分析各種設(shè)計(jì)參數(shù)對組合-混合梁結(jié)合段軸力傳遞路徑的影響規(guī)律，針對組合梁-混凝土梁結(jié)合段的橋面板厚度、承壓板厚度、鋼板（中腹板、頂?shù)装濉㈨數(shù)赘襞摪澹┖穸燃凹袅B接件剛度對結(jié)合段軸向力傳遞路徑的影響進(jìn)行了研究，各參數(shù)變化見表1。其中，Z1為原型，Z8的剪力鍵總剛度為Z1的一半。

表1 參數(shù)分析表Table 1 Parameters of the finite element model mm

各參數(shù)模型計(jì)算結(jié)果如圖10所示。當(dāng)增大橋面板厚度時(shí)，Z2模型在C0截面處的橋面板軸力占比從45.0%提升至50.4%，承壓板傳遞給結(jié)合段混凝土軸力占比有所減少，由32.2%變?yōu)?8.1%，而剪力件的軸力占比有輕微減少，由22.8%降為21.5%。這是因?yàn)闃蛎姘搴穸仍黾訒r(shí)，加大了橋面板軸向剛度在組合梁截面軸向剛度中的比例，從而使橋面板傳遞的軸力比例增大。同時(shí)，由組合梁的鋼結(jié)構(gòu)部分傳遞的軸力比例減小，由承壓板直接通過面壓傳遞給結(jié)合段混凝土的軸力為組合梁的鋼結(jié)構(gòu)傳遞的軸力中的一部分，因此，由承壓板直接傳遞給結(jié)合段混凝土的軸力占比隨之減少。

圖10 各模型計(jì)算結(jié)果對比Fig.10 Comparison of calculation results of each model

增大組合梁鋼頂板厚度時(shí)，Z6模型中C0截面處剪力連接件的軸向力占比有明顯提升，從22.8%提升至32.5%，同時(shí)橋面板所傳遞的軸力明顯減少，由45%降低至39.3%，承壓板傳遞給結(jié)合段混凝土的軸力也從32.2%降低至28.2%。這是因?yàn)榻M合梁鋼頂板厚度增大時(shí)，減小了橋面板軸向剛度在組合梁全截面軸向剛度中的比例，因此，橋面板承擔(dān)的軸向力比例減小。組合梁鋼頂板厚度增大時(shí)，減小了組合梁截面中除鋼頂板外的鋼結(jié)構(gòu)軸向剛度在組合梁全截面軸向剛度中的占比，也會減小由承壓板傳遞給結(jié)合段混凝土的軸向力。組合梁鋼頂板厚度增大時(shí)，增加了鋼頂板軸向剛度在組合梁截面縱軸向剛度中的占比，增加了鋼頂板傳遞的軸向力，而這部分軸向力會通過鋼頂板上的剪力鍵傳遞給結(jié)合段混凝土，增大了剪力連接件傳遞軸力的占比。

由Z2～Z4號模型的計(jì)算結(jié)果可知，將承壓板從30 mm增大到60 mm，不會明顯改變各部分所傳遞軸力大小，但承壓板厚度從30 mm減小到16 mm時(shí)，將使C0截面承壓板傳遞的軸力占比從32.2%降低至28.0%，剪力連接件傳遞的軸力占比由22.8%提升至25.5%，橋面板由45.0%提升至46.5%。這是因?yàn)樵诔袎喊遢^薄情況下，增大承壓板厚度，能夠提高承壓板的面外剛度，從而提高由承壓板與結(jié)合段混凝土間的接觸剛度，進(jìn)而提高由承壓板傳遞給結(jié)合段混凝土的軸力占比。當(dāng)承壓板達(dá)到一定厚度（30 mm）后，再加大承壓板厚度不會顯著提高承壓板與結(jié)合段混凝土間的接觸剛度，因此不會顯著影響各部分傳遞軸力的占比。

組合-混合梁結(jié)合段影響軸力傳遞機(jī)理的關(guān)鍵參數(shù)是橋面板厚度、組合梁頂板厚度及承壓板的厚度，改變其中任一參數(shù)都將使結(jié)合段內(nèi)軸力分布發(fā)生一定程度的變化。當(dāng)提升橋面板厚度時(shí)，橋面板自身軸力增大，組合梁截面中鋼梁軸力減小，導(dǎo)致承壓板與剪力件軸力占比減小。當(dāng)提升鋼頂板厚度時(shí)，組合梁截面內(nèi)鋼梁軸力占比增大，橋面板軸力占比減小，剪力件軸力占比增大，相應(yīng)的承壓板軸力占比減小。當(dāng)承壓板厚度較薄時(shí)，增大承壓板厚度能夠提高承壓板直接傳遞給結(jié)合段混凝土的軸力占比，但承壓板厚度達(dá)到一定厚度時(shí)，再增大承壓板厚度則不會顯著改變各部分傳遞軸力的占比。

傳統(tǒng)的鋼箱梁-混凝土梁結(jié)合段中，軸力傳遞路徑的控制因素是鋼箱梁板件的厚度與承壓板的厚度。組合-混合梁結(jié)合段中控制軸向力分配的因素中多了橋面板的厚度，根本原因是組合梁將橋面板作為傳遞軸力的重要部件，大幅減少了組合梁鋼板傳遞的軸力。因此，軸力通過結(jié)合段時(shí)，剪力連接件與承壓板傳遞的軸力占比明顯比傳統(tǒng)鋼-混結(jié)合段中的小。組合-混合梁結(jié)合段較傳統(tǒng)鋼箱梁-混凝土梁結(jié)合段的優(yōu)勢是可以通過調(diào)整橋面板的厚度使結(jié)合段內(nèi)的軸力分布達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)狀態(tài)，同時(shí)橋面板的存在減小了對承壓板與剪力連接件的設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)論

1）組合梁-混凝土梁結(jié)合段的軸向傳力部件為橋面板、埋入?yún)^(qū)的各類鋼板上的剪力連接件及結(jié)合段混凝土。在承壓板界面處，結(jié)合段混凝土承擔(dān)的軸力為承壓板所傳遞的軸力。軸力在結(jié)合段傳遞的過程中，埋入?yún)^(qū)各類鋼板的軸力通過剪力連接件傳遞至結(jié)合段混凝土，結(jié)合段混凝土中的軸力不斷增大，橋面板中的軸力通過組合梁鋼頂板上的剪力連接件及橋面板與混凝土箱梁的接觸面?zhèn)鬟f給結(jié)合段混凝土。

2）組合-混合梁結(jié)合段中，影響其軸向力傳遞路徑的參數(shù)是橋面板厚度、組合梁頂鋼板厚度及承壓板厚度。增大橋面板厚度，能顯著減小承壓板所傳遞的軸力，提高橋面板傳遞軸力的占比。增大組合梁鋼頂板的厚度，能減小橋面板所傳遞軸向荷載，提高剪力連接件傳遞的軸力占比。在某一范圍內(nèi)增大承壓板厚度能增大承壓板傳遞的軸向力占比，但承壓板厚度達(dá)到某一值后，再增大承壓板厚度對軸向力的傳遞路徑影響不大。