王 迪，孟令佩，卜建清，龐志強

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院，河北 石家莊 051132；3.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100001)

0 引言

由于鋼-混凝土組合梁橋結(jié)構(gòu)形式合理且具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，組合結(jié)構(gòu)橋梁在橋梁建設(shè)當(dāng)中的應(yīng)用越來越廣泛。然而，在鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)域，混凝土開裂問題嚴(yán)重影響了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性，制約了鋼-混凝土組合橋梁的推廣和發(fā)展。近幾年，抗拔不抗剪連接件(URSP連接件)這種新型的連接構(gòu)造能夠有效減小橋梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土板拉應(yīng)力[1-5]，為解決混凝土開裂問題提供了一個新的思路。

然而這種新型連接件在實際工程運用中，考慮到現(xiàn)場施工方便，此布置均采用均勻布置的形式，此布置方案的合理性缺乏研究。對于鋼-混凝土組合橋梁連接件布置，均勻布置形式會造成連接件剛度和強度得不到充分利用，導(dǎo)致資源浪費[6-9]，有必要對組合連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)段連接件布置形式進行深入研究。本文以某實際鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋為工程背景，對采用URSP連接件的鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)段的力學(xué)行為進行分析，并基于力學(xué)行為分析結(jié)果對現(xiàn)有連接件布置設(shè)計方案進行優(yōu)化，旨在為后續(xù)此類橋型連接件布置設(shè)計提供一定的參考借鑒。

1 工程概況

本文以某鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋為工程背景，橋梁跨徑布置為(24+31+31+24) m，曲率半徑為120 m，橋面寬10.5 m。主梁高度為1.6 m，截面形式為雙箱單室截面，兩個鋼箱梁之間由橫梁橫隔板及橫向聯(lián)系梁連接。全橋橋面板選用C50的混凝土，混凝土頂板厚35 cm，翼緣板寬2.214 m，端部厚18 cm，橋面板截面尺寸沿順橋向方向不變。主梁中鋼箱梁截面形式為閉口截面，鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)選用Q345C級鋼材，其中梁高1.25 m，頂板寬2.68 m，底板寬1.89 m，兩個鋼箱梁相距1.4 m。

曲線組合連續(xù)箱梁橋正彎矩區(qū)采用φ22圓柱頭栓釘連接件，栓釘連接件沿橫橋向方向間距0.12 m，沿順橋向方向間距0.15 m。負(fù)彎矩區(qū)采用URSP連接件，該連接件沿橫橋向方向與順橋向方向間距均為0.25 m。為了減小鋼箱梁底板的壓應(yīng)力，防止其發(fā)生局部失穩(wěn)，在橋梁邊支座1 m的范圍及中支座10 m的范圍內(nèi)，在鋼箱梁底板內(nèi)灌注厚度為0.30 m的C50混凝土。該橋梁主梁橫斷面如圖1所示。

圖1 主梁橫斷面(單位：mm)

2 負(fù)彎矩區(qū)段受力分析

2.1 有限元模型

2.1.1負(fù)彎矩區(qū)段子模型建立

利用ABAQUS中子模型模擬分析技術(shù)，分別建立網(wǎng)格相對粗糙的整體全橋模型及負(fù)彎矩區(qū)節(jié)段局部精細(xì)化模型，局部模型切割部分的邊界條件由整體模型相應(yīng)位置的解插值而來。文中局部區(qū)域節(jié)段模型混凝土板兩側(cè)采用基于面的子模型模擬技術(shù)，即使用整體模型的應(yīng)力結(jié)果驅(qū)動子模型中混凝土板兩側(cè)區(qū)域；局部區(qū)域鋼箱梁兩側(cè)采用基于節(jié)點的子模型模擬技術(shù)，即使用整體模型的節(jié)點位移結(jié)果驅(qū)動子模型中鋼箱梁兩側(cè)區(qū)域。有限元模型如圖2所示。

(a)全橋有限元模型

2.1.2單元類型

橋面板混凝土以及鋼箱梁底部填充混凝土采用實體單元(C3D8R)模擬；構(gòu)造鋼筋采用桁架單元(T3D2)模擬；鋼主梁、加勁肋、橫隔板及橫向聯(lián)系梁采用殼單元(S4R)模擬; URSP連接件及栓釘連接件采用連接單元(CONN3D2)模擬。

2.1.3連接件模擬

連接件采用連接單元(CONN3D2)進行模擬，并賦予連接單元三維非線性彈簧屬性。對于普通栓釘連接件荷載-滑移非線性關(guān)系采用文獻(xiàn)[10]所提出的二折線公式,對于URSP連接件荷載-相對位移關(guān)系依據(jù)有限元仿真結(jié)果而來。建模時,普通栓釘連接件橫向每2個連接件數(shù)量等效為一個連接件,縱向數(shù)量不變,URSP連接件數(shù)量與實際一致。

2.1.4相互作用屬性

橋面板與鋼箱梁頂板采用面面接觸(Surface-to-surface contact)的相互作用形式，接觸時傳遞法向作用力及切向作用力，法向行為設(shè)置為“硬(Hard Contact)”接觸,切向行為設(shè)置為“罰(Penalty)”接觸。箱梁底部填充混凝土與鋼箱梁采用綁定接觸(Tie)的作用形式，不考慮填充混凝土與鋼箱梁底板的相對滑移。不考慮鋼筋的黏結(jié)滑移，將鋼筋內(nèi)置于混凝土板中，選擇內(nèi)置區(qū)域(Embedded region)來模擬其相互作用關(guān)系。在鋼箱梁中，加勁肋與橫隔板部分在底部的混凝土中，建模時將混凝土中的加勁肋與橫隔板分隔出來作為一個集合，內(nèi)置于底部混凝土當(dāng)中。

2.1.5荷載組合工況

荷載設(shè)計組合考慮永久作用及可變作用對梁橋受力影響。橋梁上部結(jié)構(gòu)作用主要考慮恒載、汽車荷載、溫度作用以及基礎(chǔ)變位作用，荷載組合工況如表1所示。

表1 荷載組合工況

其中對于汽車荷載，將采用車輛荷載計算，車輛模型采用文獻(xiàn)[11]所建議的五軸車輛模型，通過DLOAD子程序?qū)崿F(xiàn)移動荷載的模擬。采用文獻(xiàn)[11]中所建議的豎向溫度梯度曲線考慮溫度梯度的變化，編寫UTEMP子程序進行全橋溫度場的施加。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板受力分析

為探究局部節(jié)段模型混凝土橋面板受力特性，本文選取支座截面為研究截面。分析不同荷載工況下局部節(jié)段模型支座截面平均拉應(yīng)力隨時間變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 支座截面拉應(yīng)力時程曲線

由圖3可知，在不同荷載工況作用下，支座截面平均拉應(yīng)力值大于0，支座截面混凝土受拉。4種荷載工況下，支座截面平均應(yīng)力最大值分別為1.43、2.18、0.35、1.01 MPa，工況2作用下，截面平均應(yīng)力值遠(yuǎn)高于其他3種荷載工況。當(dāng)車輛行駛至第二跨和第三跨跨中區(qū)域附近時，支座截面平均拉應(yīng)力值較高。當(dāng)車輛行駛至最不利位置時，負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板應(yīng)力結(jié)果見表2。

表2 負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板應(yīng)力結(jié)果

通過表2可知，不同荷載工況對混凝土板受力有較大影響，工況2為最不利荷載組合形式。曲線梁橋外側(cè)區(qū)域，彎扭耦合效應(yīng)加劇，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在外側(cè)區(qū)域，溫度作用對混凝土拉應(yīng)力值有較大的影響。

2.2.2連接件受力分析

當(dāng)車輛行駛至最不利位置時，提取并繪制節(jié)段模型連接件內(nèi)力云圖，如圖4所示。

(a)工況1作用下連接件內(nèi)力云圖

通過圖4可知，不同荷載工況對連接件受力影響較為顯著。工況2為最不利荷載工況，此工況下連接單元合力最大值為56.44 kN，即栓釘連接件所受合力最大值為28.22 kN，均大于其余荷載工況連接件內(nèi)力合力最大值。在URSP連接件與普通栓釘連接件交界處，內(nèi)力水平有明顯分界，在交界處區(qū)域外側(cè)，普通連接件有很大的剪力集中現(xiàn)象，表明此處對栓釘連接件的抗剪承載能力有著更高的要求。

3 負(fù)彎矩區(qū)連接件布置方案優(yōu)化

3.1 連接件布置方案設(shè)計

通過負(fù)彎矩區(qū)段受力分析結(jié)果可知，在URSP連接件與普通栓釘連接件交界處區(qū)域外側(cè)，普通栓釘連接件有很大的剪力集中現(xiàn)象。對此，本文對現(xiàn)有連接件布置方案進行優(yōu)化，在不同連接件交界處區(qū)域設(shè)置長度1 m的過渡段區(qū)域，通過改進過渡段區(qū)域內(nèi)連接件的布置形式，來解決部分普通栓釘連接件剪力集中問題。

論文提出了3種過渡段連接件布置方案，在過渡段區(qū)域內(nèi)，連接件順橋向間距為250 mm，連接件橫橋向間距與原方案一致。在1 m的過渡區(qū)域內(nèi)，URSP連接件經(jīng)過6排，每排數(shù)量減少4個，逐步過渡到0個。①方案一：兩鋼箱梁頂板URSP連接件過渡形式一致，均從內(nèi)側(cè)逐步減少其數(shù)量，最終使得URSP連接件在過渡區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)“雙斜杠”型分布。②方案二：內(nèi)側(cè)鋼箱梁頂板URSP連接件從曲線橋梁外側(cè)逐步減少其數(shù)量，外側(cè)鋼箱梁頂板URSP連接件從曲線橋梁內(nèi)側(cè)逐步減少其數(shù)量，最終使得URSP連接件在過渡區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)“V”型分布。③方案三：兩鋼箱梁頂板URSP連接件過渡形式一致，均從中間向兩側(cè)逐步減少其數(shù)量，最終使得URSP連接件在過渡區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)“W”型分布。連接件布置方案如圖5所示。

(a)過渡段連接件布置方案一

3.2 連接件不同布置方案對比分析

工況2為最不利荷載組合形式?？紤]在最不利荷載組合形式作用下，分析不同布置方案對負(fù)彎矩區(qū)段中連接件和混凝土板受力特性的影響。

3.2.1連接件內(nèi)力分析

當(dāng)車輛行駛至最不利位置時，提取并繪制不同布置方案下節(jié)段模型連接件內(nèi)力云圖，如圖6所示。

(a)方案一布置下連接件內(nèi)力云圖

通過圖6可知，各個布置方案下，不同連接件交界處均有不同程度的受力集中現(xiàn)象。方案一到方案三，連接件所受內(nèi)力最大值分別為25.93、25.63、23.31 kN。對比原始布置方案，3種布置方案下，連接件所受內(nèi)力最大值分別降低8.13%、9.18%、17.40%。方案三的布置形式能夠有效地改善曲線外側(cè)箱室不同連接件交界區(qū)域上普通栓釘連接件受力集中現(xiàn)象。

當(dāng)車輛行駛至最不利位置時,提取連接件順橋向方向及橫橋向方向剪力云圖,如圖7～圖10所示。

(a) 順橋向方向剪力云圖

(a) 順橋向方向剪力云圖

(a) 順橋向方向剪力云圖

(a) 順橋向方向剪力云圖

分析圖7～圖10,發(fā)現(xiàn)3種連接件布置方案下,連接件順橋向方向及橫橋向方向的剪力最大值相比原始布置方案,均有不同程度的降低。3種不同布置方案在順橋向方向剪力最大值分別為23.29、23.06、21.10 kN,相比原始布置方案,剪力最大值分別降低6.01%、6.94%、14.85%。而連接件橫橋向方向剪力最大值分11.38、11.19、11.45 kN,相比原始布置方案,剪力最大值分別降低10.32%、11.86%、9.77%,下降程度均在10%左右。

通過表3可知,過渡段設(shè)計方案使得連接件剪力集中問題得到明顯改善,綜合對比3種方案,方案三布置更為合理,不同連接件交界處普通栓釘連接件受力更為均勻。

表3 不同布置方案下連接件受力特性對比

3.2.2混凝土板受力分析

過渡段設(shè)計會大幅改善不同連接件交界處區(qū)域外側(cè)普通栓釘連接件剪力集中現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)受力更加合理。然而過渡段設(shè)置會少量增加普通栓釘連接件數(shù)量，繼而增加界面的抗剪剛度、增強混凝土板與鋼箱梁間的組合作用。在多種荷載組合作用下，混凝土板與鋼箱梁間的組合作用增強將會對負(fù)彎矩區(qū)混凝土產(chǎn)生一些不利影響。為探究過渡段連接件不同布置方案設(shè)計對混凝土板受力影響，將對比分析不同布置方案下負(fù)彎矩區(qū)混凝土板最大拉應(yīng)力與截面平均應(yīng)力變化。

圖11為車輛行駛至最不利位置時，各個布置方案下混凝土橋面板最大主應(yīng)力分布云圖。由圖11可知，在各個布置方案下，混凝土橋面板拉應(yīng)力最大值分別為6.279、6.292、6.298 MPa，相比原始布置方案下混凝土板拉應(yīng)力最大值僅提高1.08%、1.29%、1.38%。過渡段設(shè)計方案對混凝土橋面板拉應(yīng)力最大值影響程度較小，僅在1%左右。

(a)方案一布置下橋面板應(yīng)力云圖

分析不同布置方案下支座截面應(yīng)力平均值隨時間變化，支座截面應(yīng)力時程曲線如圖12所示。不同布置方案下混凝土受力特性對比如表4所示。在各個布置方案下，混凝土橋面板支座截面平均應(yīng)力最大值分別為2.230、2.229、2.232 MPa，平均應(yīng)力最大值較為接近。相比原始布置方案下混凝土橋面板支座截面平均應(yīng)力最大值僅提高2.11%、2.06%、2.20%。過渡段設(shè)計方案對混凝土橋面板支座截面平均應(yīng)力影響較小。

表4 不同布置方案下混凝土受力特性對比

圖12 支座截面應(yīng)力時程曲線

分析表4，采用過渡段設(shè)計方案對混凝土板受力影響很小，綜合連接件受力考慮，過渡段設(shè)計具有必要性和可行性。

4 結(jié)論

論文通過建立負(fù)彎矩區(qū)節(jié)段精細(xì)化有限元模型，對采用URSP連接件的鋼-混凝土組合曲線連續(xù)梁橋負(fù)彎矩區(qū)段的力學(xué)行為進行研究，基于力學(xué)行為分析結(jié)果提出3種過渡段連接件布置方案，并對比分析不同連接件布置方案對連接件和混凝土板受力特性的影響，得到以下結(jié)論：

a.多種設(shè)計荷載工況下，連接件整體內(nèi)力較低。在URSP連接件與普通栓釘連接件交界處區(qū)域外側(cè)，普通連接件有很大的剪力集中現(xiàn)象，建議在橋梁設(shè)計時應(yīng)格外注意。

b.論文中提出的過渡段設(shè)計方案能夠有效改善連接件剪力集中問題。過渡段URSP連接件呈“W”型布置更為合理，在此布置形式下，連接件所受內(nèi)力最大值降低17.40%，連接件順橋向方向以及橫橋向方向的剪力最大值分別降低14.85%和9.77%。

c.采用過渡段設(shè)計方案對混凝土板受力影響很小，綜合連接件受力考慮，過渡段設(shè)計具有必要性和可行性。