魏思斯, 耿 波, 尚軍年, 鄭 植,3
(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067; 2.橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學國家重點實驗室, 重慶 400067;3.重慶大學 土木工程學院, 重慶 400045)
近年來,隨著我國高速鐵路、城市軌道交通的快速發(fā)展,為了高效利用過江通道,修建了許多公鐵、公軌兩用橋梁[1-2]。在經(jīng)典連續(xù)鋼桁梁的基礎上,組合剛性懸索加勁弦形成的懸索加勁鋼桁梁橋,儼然已成為一種適用于公鐵、公軌兩用橋梁的新式結(jié)構(gòu)。懸索加勁鋼桁梁橋造型美觀,但結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜,受力行為不明確,其剛性懸索與上弦桿的連接處涉及眾多桿件,受力及構(gòu)造特點比起常規(guī)的整體節(jié)點更為復雜,本文對這一類連接簡稱為特殊節(jié)點[3]。
目前,該類型橋梁中,國內(nèi)建成了東莞市東江雙層公路特大橋[4]、石濟客專濟南黃河公鐵兩用大橋[5-6]、錢塘江公軌兩用大橋[7]。2009年建成的東莞市東江大橋在設計時針對特殊節(jié)點開展了試驗研究。彭振華[4]和譚明鶴等[8-9]開展了縮尺比例為1∶2的模型試驗,在加勁弦、左側(cè)斜腹桿和右側(cè)豎腹桿端部設置鉸約束,在上弦桿兩端、左側(cè)豎腹桿和右側(cè)斜腹桿端部分別采用千斤頂同步施加軸向荷載,試驗加載至設計荷載的70%,試驗結(jié)果驗證了東江大橋特殊節(jié)點的安全性。
主跨208 m的東江大橋和主跨180 m的石濟客專濟南黃河公鐵兩用大橋[10],主梁均采用3片主桁承載,其中東江大橋采用板桁分離橋面系,主桁受力較為明確,且加勁弦與上弦桿通過在一個主節(jié)點共用變高度的豎版即合并為一根桿件,特殊節(jié)點的規(guī)模較??;主跨270 m的曾家?guī)r嘉陵江大橋是城市公軌兩用橋梁中的首座懸索加勁鋼桁梁橋,主桁僅采用空間2片桁架結(jié)構(gòu)[3],上橋面采用縱橫梁體系的正交異性板整體橋面,橋面板、橫梁與主桁共同承載將引起次內(nèi)力[4],受力較為復雜,且加勁弦與上弦桿經(jīng)過一個節(jié)間的距離才逐漸合并為一根桿件,過渡范圍較大。
綜上分析,由于曾家?guī)r大橋特殊節(jié)點涉及的加勁弦、上弦桿、腹桿等眾多桿件,涵蓋上弦桿中2個節(jié)點,規(guī)模較大,且采用正交異性板整體橋面,特殊節(jié)點受力因橋面系的影響,其受力及構(gòu)造特點比起常規(guī)的整體節(jié)點更為復雜,其模型試驗邊界荷載的模擬也無法直接借鑒東江大橋節(jié)點試驗的經(jīng)驗。因此,需通過模型試驗對曾家?guī)r嘉陵江大橋特殊節(jié)點的靜力性能進行研究,而試驗設計的合理性是保障模型試驗順利進行的關(guān)鍵。由于受試驗條件的限制,難以實現(xiàn)空間三維加載,如何將多桿件節(jié)點三維受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)受力,合理處理模型幾何邊界條件,保證荷載的順利施加與傳遞,準確模擬特殊節(jié)點關(guān)鍵部位的應力狀態(tài)是本試驗設計的難點。為此,本文對多桿件節(jié)點模型邊界的模擬與實現(xiàn)、荷載施加方式的確定、反力臺座及縮尺試驗件的設計展開研究,以期為后續(xù)類似多桿件節(jié)點的試驗研究與設計提供參考。
重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋為懸索加勁連續(xù)鋼桁梁橋,跨徑布置為(135+270+135)m[11],橋型布置見圖1。主桁采用橫向中心距為26.7 m的空間2片桁架結(jié)構(gòu),鋼桁梁中心桁高12.483 m[3,11-13]。上層橋面為采用縱橫梁布置的梁格體系的正交異性橋面板,板厚16 mm[11]。
單位:cm圖1 曾家?guī)r嘉陵江大橋總體布置Fig.1 General layout of Zengjiayan Jialing River Bridge
根據(jù)全橋分析結(jié)果[14]可知,渝中區(qū)側(cè)邊跨特殊節(jié)點內(nèi)力最大,故選該部位為本文研究對象。在該側(cè)邊跨內(nèi),S37S38加勁弦與A37A38上弦桿交匯于A38節(jié)點,并合成一根變高度的A38A39上弦桿[3]。加勁弦與上弦桿的連接始于A38節(jié)點,并經(jīng)過整個節(jié)間,結(jié)束于A39節(jié)點,見圖2。
圖2 特殊節(jié)點構(gòu)造Fig.2 Configuration of special joint
由于受到試驗條件的限制,難以實現(xiàn)空間三維加載,本試驗僅選取特殊節(jié)點在主桁平面內(nèi)的桿件,并簡化為平面內(nèi)加載。先根據(jù)全橋多尺度有限元模型[15]分析結(jié)果對特殊節(jié)點邊界荷載進行分析,并結(jié)合節(jié)段模型試算結(jié)果,確定試驗模型的幾何與荷載邊界,使得節(jié)段模型能較為準確地模擬特殊節(jié)點關(guān)鍵部位的應力分布規(guī)律。由此確定的邊界模擬形式為:S38S37加勁弦桿端固結(jié),A39B39豎腹桿端部設置固定鉸支座,并在其余桿端均施加軸向荷載,見圖3。為了使特殊節(jié)點節(jié)段模型在面內(nèi)受力平衡,并盡量準確模擬S37S38的加勁弦和A38節(jié)點板的應力分布情況,將橋面板承擔的水平向力附加在上弦桿上,而上層橋面系橫梁承擔的豎向力則附加在豎腹桿上。該邊界模擬形式對應節(jié)段模型的應力分布見圖4。
圖3 縮尺模型加載示意Fig.3 Loading diagram of scaled model
單位:MPa圖4 特殊節(jié)點節(jié)段模型Von-Mises應力分布Fig.4 Von-Mises stress distribution of Special-joint segmental model
將圖4中特殊節(jié)點節(jié)段模型各主要受力構(gòu)件的應力分布情況與全橋模型分析結(jié)果進行對比:1) 特殊節(jié)點加勁弦的Von-Mises應力分布規(guī)律與全橋多尺度模型分析結(jié)果接近,相同部位存在應力集中,最大Von Mises應力為359.4 MPa,總體應力水平在196.1 MPa以內(nèi),特殊節(jié)點的Von-Mises應力水平接近實際情況;2) 采用該邊界形式進行模擬時,特殊節(jié)點節(jié)段模型中上弦桿和A39B39豎腹桿的應力水平高于全橋多尺度模型的計算結(jié)果,這是由于由橋面系傳遞的部分荷載分別附加在了上弦桿和A39B39豎腹桿中;3) 節(jié)段模型能較為準確地模擬特殊節(jié)點關(guān)鍵部位的應力分布規(guī)律,因此,該邊界形式可作為特殊節(jié)點縮尺模型設計的依據(jù)。
綜合考慮現(xiàn)有加載能力及試驗場地、測試內(nèi)容、鋼材種類、模型加工等因素,對試驗縮尺模型的縮尺方案進行比選,最終確定試驗模型的縮尺比例為1∶2.5。據(jù)相似理論,按照1∶2.5縮尺后得出的各桿端在1.0倍設計荷載工況和超載工況[16](1.4倍設計工況,對應圖3中括號內(nèi)數(shù)值)下需施加的荷載值見圖3。
當加載至100%設計荷載時,需施加的最大荷載為282.7 t;1.4倍超載時,需施加的最大荷載為395.8 t,可采用400 t千斤頂進行加載。A38節(jié)點豎腹桿1.4倍超載時需施加的最大荷載為45.6 t,采用300 t千斤頂進行加載。試驗加載設備利用高穩(wěn)定性液壓加載控制器和5個高精度液壓千斤頂進行,荷載大小采用振弦式錨索測力計測量,使用之前須標定。
施加的最大荷載達到395.8 t,且為了模擬固結(jié)的邊界條件,需將加勁弦的一段預埋在鋼筋混凝土的反力墻中,該固結(jié)部位受到軸向拉力11 701.0 kN、剪力221.4 kN及彎矩575.2 kN·m的作用,加載噸位和加勁弦端部反力較大,并需在5處同時加載,為保證試驗的實施,設計了強大的混凝土反力墻及底座。試驗臺座的基本構(gòu)造及節(jié)點加載方案見圖5。
單位:mm圖5 特殊節(jié)點加載方案平面Fig.5 Plan view of loading of special joint
由圖5可知,試驗臺座由1 m厚的底座和3道高1.5 m的反力墻組成。試件平躺安裝在試驗臺座上,加勁弦嵌入反力墻1中固結(jié),A39節(jié)點豎腹桿端部設置鉸支座,主耳板嵌入反力墻3中固定,其余桿件端部均采用千斤頂施加軸向荷載。為了在A38節(jié)點豎腹桿和右側(cè)斜腹桿以及A39節(jié)點側(cè)上弦桿桿端施加軸向拉力,將預應力鋼束一端錨固在縮尺模型桿件內(nèi),穿過反力墻中的預留孔在另一端通過千斤頂張拉。千斤頂與反力墻接觸處均設置預埋鋼板,以擴大反力墻受力面積,防止混凝土局部被壓潰。
錨固加勁弦的反力墻1厚2.6 m,反力墻2厚1.2 m,L形反力墻3在固定鉸支座處厚1.2 m、在對上弦桿施加軸向拉力處厚1.4 m。底座和反力墻均采用C50混凝土,反力墻的縱向受力鋼筋和箍筋均采用HRB400,縱向受力鋼筋采用單肢Φ28,間距120 mm,抗剪鋼筋采用Φ16的鉤筋。通過計算分析,反力墻正截面抗彎和斜截面抗剪均滿足要求,且有較高的安全儲備。
考慮到通過千斤頂來施加荷載,反力墻加載處設置了方格網(wǎng)作為間接鋼筋來抵抗局部受壓,根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)[17]5.7.2條,經(jīng)驗算其局部受壓區(qū)的截面尺寸滿足要求。
本試驗特殊節(jié)點涉及加勁弦、上弦桿、斜腹桿、豎腹桿共計7根桿件,需在S38S37加勁弦桿端固結(jié),在A39B39豎腹桿桿端設置鉸接,并在其余5根桿件端部施加軸向壓力或者拉力,如何實現(xiàn)邊界的模擬,并保障荷載的順利施加與傳遞是本試驗試驗模型設計的難點,也是確保試驗成功實施的關(guān)鍵。本節(jié)對多桿件節(jié)點試驗模型的細部構(gòu)造進行設計。
在試驗段模型的幾何尺寸嚴格按照1∶2.5的比例縮尺,A38節(jié)點板按照比例縮小后厚度為22.5 mm,無該板厚規(guī)格的鋼板,故將其板厚微調(diào)到了24 mm。同時綜合考慮反力臺座的設計及加載設備所需的空間,對部分桿件的長度進行了調(diào)整。特殊節(jié)點1∶2.5縮尺模型整體構(gòu)造和各桿件的截面見圖5。
加勁弦的翼板、頂板、底板、橫隔板板厚均為20 mm。上弦桿頂板板厚8 mm,底板和豎板板厚16 mm,頂板加勁弦肋厚6 mm。斜腹桿和豎腹桿翼板板厚分別為20 mm和16 mm。A38、A39節(jié)點板板厚分別為24 mm和20 mm。
試驗件全長13.587 m,寬5.055 m。加勁弦嵌固在反力墻內(nèi),并在嵌入范圍內(nèi)的外表面均勻布置剪力釘,以保證其與反力墻的有效固結(jié)。固定鉸支座耳板嵌固于反力墻內(nèi),與A39B39豎腹桿桿端布置的2塊耳板經(jīng)由銷軸連接以實現(xiàn)鉸接。
試驗中拉力施加方式的設計,對試驗的順利開展十分重要。通過查閱文獻及借鑒有關(guān)工程經(jīng)驗[18],采用在構(gòu)件端部穿入鋼束,并通過千斤頂張拉可靠錨固的鋼束,來實現(xiàn)荷載的施加。即將預應力鋼束錨固在A39A40上弦桿、A38B39斜腹桿以及A38B38豎腹桿內(nèi),鋼束穿過反力墻的預留孔在另一側(cè)由穿心式千斤頂牽引施加拉力[1]。為了便于預應力鋼束及固定端錨具的安裝,上弦桿A38A40開有橢圓形手孔,并加焊寬70 mm厚30 mm的補強板。A38A37上弦桿、A38B37斜腹桿桿端則由千斤頂直接施加壓力。
考慮試驗件制作加工、運輸及安裝的的可行性,A38節(jié)點與加勁弦、上弦桿以及A39節(jié)點與上弦桿由栓接改為焊接,采用融透的對接焊縫,腹桿與A38、A39節(jié)點的連接仍為高強螺栓連接。試驗件坡口尺寸和焊腳高度與實橋相似。
本靜力試驗件A38、A39節(jié)點與腹桿之間的連接采用M24高強螺栓,根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(TB 10002.2—2017)[19]按照連接桿件的強度進行螺栓數(shù)量的設計計算,即螺栓連接的強度不應低于被連接桿件的強度。
1) 構(gòu)造設計
為了保證荷載安全可靠地傳遞,各桿端施加荷載部位需進行局部加強。其中,A39A40上弦桿、A38B39斜腹桿以及A38B38豎腹桿桿端施加軸向拉力處,由于需要預留預應力鋼束通過的空間,采用井字形加勁;其余桿件端部施加軸向壓力,則采用十字加勁。桿端局部加強部位的翼板、端板及加勁板板厚增大為30 mm[3]。局部加強部位構(gòu)造見圖6、圖7。
(a) 平面
(b) A-A斷面單位:mm圖6 井字形加強構(gòu)造Fig.6 Configuration of well-shape reinforcement
(a) 平面
(b) A-A斷面單位:mm圖7 十字形加強構(gòu)造Fig.7 Configuration of cross-shape reinforcement
各桿件按1∶2.5縮尺后,桿件內(nèi)邊緣尺寸低于500 mm,操作空間較小,在桿件內(nèi)部施焊難以操作。為了便于操作,桿件局部加強區(qū)域內(nèi),桿件翼板在加勁板的位置開槽,加勁板先焊接成為整體(十字形或者井字形),然后插入桿件翼緣槽口,并在翼緣外側(cè)進行焊接。
2) 設計驗證
局部加強部位的安全性和可靠性通過局部有限元分析得到驗證。A39A40上弦桿在超載工況需要施加的軸向拉力最大,為395.8 t,且該處翼板開有手孔,截面被削弱,故取該部位進行井字形加強部位的局部分析,取端板到端部手孔以下1倍邊長范圍內(nèi)的桿件為研究對象,利用Midas FEA建立三維板殼單元模型,壓力荷載通過面壓力進行模擬,桿件底部固結(jié),見圖8。加勁板伸出桿件翼板是為了方便施焊,不影響力的傳遞,因此本模型中僅建出桿件內(nèi)部的加勁板。
(a) 桿件翼板
(b) 加勁板、端板、承壓板圖8 井字形加強部位局部有限元模型Fig.8 Local finite element model of the well-shape reinforcement
千斤頂施加的壓力通過應力鋼束及固定端錨具傳遞到承壓板,再傳到井字形加勁板,然后通過焊縫傳給桿件翼板,計算結(jié)果見圖9。從圖9可以看出,加勁板與桿件翼板焊縫在承壓板位置處Von-Mises應力最大,為143.4 MPa。桿件翼板開孔處在短軸頂點附近存在應力集中,最大Von-Mises應力達到了334.7 MPa,但應力集中范圍較小,且最大Von-Mises應力小于鋼材的屈服應力,認為翼板受力是安全的,能夠有效傳遞荷載。加勁板在與承壓板接觸位置Von-Mises應力最大,為276.2 MPa,盡管大于鋼板的容許應力(247 MPa),但仍小于屈服強度,仍然是安全的。該位置不是重點關(guān)注范圍,僅需要保證荷載的安全傳遞,因此認為井字形加強部位的設計是合理的。
(a) 桿件翼板
(b) 加勁板單位:MPa圖9 井字形加強部位Von-Mises應力分布Fig.9 Von-Mises stress distribution of the well-shape reinforcement
A38A37上弦桿在超載工況需要施加的軸向壓力最大,為346.0 t,故取該部位進行局部分析,取端部3倍邊長范圍內(nèi)的桿件為研究對象,利用Midas FEA建立三維板殼單元模型,壓力荷載通過面壓力進行模擬,桿件底部固結(jié)。十字形加強部位有限元模型見圖10,本模型也僅建出桿件內(nèi)部的加勁板。
(a) 桿件翼板
(b) 加勁板、端板圖10 十字形加強部位局部有限元模型Fig.10 Local finite element model of the cross-shape reinforcement
千斤頂施加的壓力通過端板傳到十字形加勁板,再通過焊縫傳給桿件翼板,計算結(jié)果見圖11。從圖11可以看出,加勁板與桿件翼板焊縫在承壓板位置處Von-Mises應力最大,為122.4 MPa;承壓板最大Von-Mises應力為184.7 MPa;加勁板在與端板接觸位置Von-Mises應力最大,為185.4 MPa,低于鋼板的容許應力247 MPa,表明十字形加強部位的設計是合理的。
(a) 桿件翼板
(b) 加勁板單位:MPa圖11 十字形加強部位Von-Mises應力云圖Fig.11 Von-Mises stress distribution of the cross-shape reinforcement
1) 構(gòu)造設計
為了在S38S37加勁弦桿端施加固定約束,加勁弦在試驗區(qū)域范圍外延伸2.4 m嵌入反力墻1內(nèi),并在加勁弦四面翼板外側(cè)布置剪力釘,以保證加勁弦與反力墻的有效連接。為了使混凝土能夠進入加勁弦內(nèi)部并盡量密實,在加勁弦灌漿側(cè)頂板開孔,且頂板在端部縮短200 mm,見圖12。
單位:mm圖12 加勁弦固結(jié)端構(gòu)造Fig.12 Configuration of the embedded end of stiffening chord
2) 設計驗證
根據(jù)計算求得的嵌固端的反力,并考慮1.4倍超載可知,S38S37加勁弦桿端受到軸向拉力11 701.0 kN、剪力221.4 kN及彎矩575.2 kN·m的作用。為了保證加勁弦嵌固端與反力墻1有效連接,根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設計與施工規(guī)范》(JTG/T D64-01—2015)[20]對剪力釘連接件的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設計計算。
本靜載試驗選用d=22 mm的圓柱頭焊釘為剪力連接件,材料為ML15。在錨入反力墻的加勁弦4個外表面上共布置260個剪力釘,單個剪力釘受到的剪力為45.0 kN,單個剪力的抗剪承載力為85.14 kN,安全系數(shù)為1.90,強度滿足規(guī)范要求。剪力釘結(jié)合面的最大滑移為0.148 mm,小于規(guī)范中的限值0.2 mm,表明結(jié)合面滑移也滿足規(guī)范要求。
1) 構(gòu)造設計
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》(GB 50017—2017)[21]11.6節(jié)的規(guī)定擬定了鉸支座的結(jié)構(gòu)尺寸,鉸支座耳板、銷軸構(gòu)造分別見圖13和圖14。主耳板板厚60 mm,次耳板板厚40 mm,銷軸直徑150 mm。鉸支座耳板采用Q420qE鋼材,銷軸采用40 Cr。
(a) 次耳板
(b) 主耳板單位:mm圖13 鉸支座耳板構(gòu)造Fig.13 Configuration of the hinged support
(a) 銷軸立面
(b) A-A斷面單位:mm圖14 銷軸構(gòu)造Fig.14 Configuration of the axis pin
2) 設計驗證
根據(jù)計算求得的鉸支座的反力,1.4倍超載加載時,B39A39豎腹桿鉸支座的軸向反力為1 617.7 kN(受拉),剪力為139.1 kN。作用在鉸支座上的合力為1 623.7 kN。
鉸支座耳板的安全性和可靠性通過局部有限元分析進行了驗證,有限元模型見圖15。反力墻3、臺座及主耳板均采用三維實體單元進行模擬,預埋耳板一部分嵌入反力墻3中,將作用在鉸支座的荷載以集中力的形式進行施加,主耳板最大Von-Mises應力為151.8 MPa,小于Q420qE鋼材的容許應力241 MPa,表明主耳板強度滿足要求。
(a) 有限元分析模型
(b) Von-Mises應力云圖單位:MPa圖15 主耳板有限元分析驗證Fig.15 Verification of the main ear plate by finite element analysis
為了保證鉸支座主耳板與反力墻3有效連接,根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設計與施工規(guī)范》(JTG/T D64-01—2015)[20]對耳板剪力釘連接件的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設計計算。在嵌入反力墻的主耳板頂?shù)酌嫔瞎膊贾?0個剪力釘,選用d=22 mm的圓柱頭焊釘為剪力連接件,材料為ML15。單個剪力釘受到的剪力為27.1 kN,單個剪力的抗剪承載力為85.14 kN,安全系數(shù)為3.15,強度滿足規(guī)范要求。剪力釘結(jié)合面的最大滑移為0.091 mm,小于規(guī)范中的限值0.2 mm,表明結(jié)合面滑移也滿足規(guī)范要求。
本文基于特殊節(jié)點的邊界荷載分析,確定了試驗模型的邊界模擬形式,并制定了試驗加載方案,在此基礎上設計了多桿件特殊節(jié)點縮尺試驗模型及反力臺座,得到以下結(jié)論:
1) 加勁弦S38S37桿端固結(jié),豎腹桿A39B39端部設置鉸支座,并在其余桿端采用施加軸向荷載的方式來模擬特殊節(jié)點的邊界荷載,將空間受力簡化為面內(nèi)受力,節(jié)段模型能較為準確地模擬特殊節(jié)點關(guān)鍵部位(加勁弦、加勁弦與上弦桿交界處以及A38節(jié)點板)的應力分布規(guī)律。
2) 根據(jù)縮尺試驗件施加的荷載及反力,設計了由1 m厚的底座和3道高1.5 m的反力墻組成的反力臺座,試件平躺安裝在試驗臺座上,加勁弦嵌入反力墻1中固結(jié),A39節(jié)點豎腹桿端部設置鉸支座,主耳板嵌入反力墻3中固定,其余桿件端部均采用千斤頂施加軸向荷載,由此實現(xiàn)多桿件特殊點幾何與荷載邊界的模擬。
3) 根據(jù)縮尺比例確定試驗模型各組件的尺寸,根據(jù)相關(guān)規(guī)范對桿件間的連接、加勁弦嵌固端及鉸支座進行設計計算,并通過局部有限元分析驗證了桿端十字形及井字形加強部位、鉸支座的安全性,最終確定了特殊節(jié)點縮尺模型的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。
4) 本模型試驗目前已完成,最大加載至設計荷載的1.4倍,測試模型各桿件端部位移以及關(guān)鍵部位的應力分布,結(jié)果顯示,縮尺模型在受荷載過程中處于彈性工作階段,試件受力均衡,各剖面測點處實測應力分布規(guī)律與理論計算結(jié)果基本吻合,在1.4倍設計荷載(超載工況)作用下,所有測點應力仍然小于鋼材的容許應力,結(jié)構(gòu)的靜力安全儲備足夠。試驗臺座及縮尺模型各連接部位、局部加強部位、加勁弦嵌固端以及鉸支座均正常工作,能夠安全可靠地傳遞試驗荷載,試驗設計安全可靠。