大跨鋼—混凝土結(jié)合梁斜拉橋傳力機(jī)理

第48卷第3期2013年6月西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITYVol.48No.3Jun. 2013

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50808150）

作者簡介： 衛(wèi)星（1976-），男，副教授，博士，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)橋梁受力行為，E-mail：we_star@home.swjtu.edu.cn

文章編號(hào)： 0258-2724（2013）03-0402-07DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.002

摘要： 為探討大跨結(jié)合梁斜拉橋中鋼主梁與混凝土板的傳力機(jī)理，采用梁段模型試驗(yàn)與有限元數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對觀音巖長江大橋主梁的受力性能進(jìn)行了研究.用有限元軟件ANSYS建立標(biāo)準(zhǔn)梁段的空間有限元模型，對不同組合荷載作用下結(jié)合梁的應(yīng)力分布進(jìn)行了彈性分析；考慮材料的非線性特性和剪力釘荷載-滑移的非線性關(guān)系，對設(shè)計(jì)荷載組合下結(jié)合梁的力學(xué)行為進(jìn)行了彈塑性分析.在此基礎(chǔ)上，采用1∶2的縮尺比例進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，測試了不同荷載組合下結(jié)合梁截面的應(yīng)力.研究結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)荷載組合作用下，混凝土板與鋼主梁間的相對滑移較小，剪力釘能有效抗剪，保證結(jié)構(gòu)整體受力性能的要求；結(jié)合梁截面應(yīng)力基本滿足平截面假定，鋼主梁以抗彎為主，混凝土板承擔(dān)較大截面壓力.

關(guān)鍵詞： 斜拉橋；鋼-混凝土結(jié)合梁；模型試驗(yàn)；有限元法；應(yīng)力分布

中圖分類號(hào)： U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

國內(nèi)外的工程實(shí)踐表明，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮混凝土抗壓性能好和鋼材抗拉與抗壓強(qiáng)度均較高的材料特性，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[1].鋼-混凝土組合梁中，2種材料交界處變形協(xié)調(diào)是保證結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下處于聯(lián)合工作狀態(tài)的前提.為保證混凝土橋面板與鋼梁共同受力，它們之間要設(shè)置剪力連接件，這樣結(jié)構(gòu)內(nèi)力根據(jù)2種材料的截面剛度以一定比例分配.

國外對鋼-混凝土結(jié)合梁的研究起步較早[2]，歐美國家已制定較系統(tǒng)的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[3].20世紀(jì)50年代開始，國內(nèi)學(xué)者對受彎狀態(tài)下的簡支梁、連續(xù)結(jié)合梁的內(nèi)力計(jì)算和翼緣的有效寬度進(jìn)行了較深入的研究，提出了一些計(jì)算方法.隨著鋼-混凝土組合梁的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者開始對復(fù)雜受力狀態(tài)及長期荷載作用下鋼-混凝土組合梁的受力狀態(tài)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究[4-7].

目前，鋼-混凝土結(jié)合梁已成為大跨斜拉橋主梁的基本形式之一，對于鋼-混凝土結(jié)合梁斜拉橋，分析軸力和彎矩共同作用下混凝土橋面板與鋼主梁的聯(lián)合作用是十分必要的，因?yàn)橥ㄟ^對鋼-混凝土結(jié)合梁應(yīng)力分布規(guī)律的研究，可以確定截面上內(nèi)力分配關(guān)系.

1

江津觀音巖長江大橋結(jié)合梁受力特點(diǎn)

江津觀音巖長江大橋主橋全長879 m，橋面寬36.2 m，采用縱向半漂浮體系，橋跨布置為35.5 m+186.0 m+436.0 m+186.0 m+35.5 m，如圖1所示.斜拉橋主梁采用雙工字型鋼梁與混凝土板共同受力的結(jié)合梁，中間用剪力釘連接.橫橋向2個(gè)鋼主梁的中心間距為35.2 m，橋面混凝土板厚26cm，鋼主梁頂部加厚為40cm[8].

其主橋結(jié)合梁斜拉橋主梁由鋼縱梁、鋼橫梁構(gòu)成的鋼梁格結(jié)構(gòu)與混凝土橋面板組成.在工廠制造的鋼梁格頂面焊有抗剪栓釘，在施工現(xiàn)場通過現(xiàn)澆混凝土接縫使混凝土橋面板與鋼梁格連接成整體共同受力.

在鋼-混凝土結(jié)合梁中，栓釘剪力連接件是鋼梁與混凝土橋面板共同工作的基礎(chǔ).由鋼主梁、混凝土板和栓釘剪力連接件組成的結(jié)合梁，可能發(fā)生的破壞形式包括彎曲破壞、鋼梁失穩(wěn)破壞、界面縱向剪切破壞等.

結(jié)合梁彎曲破壞是在彎曲應(yīng)力作用下，受壓區(qū)混凝土壓碎，鋼梁受拉或受壓屈服，結(jié)構(gòu)在發(fā)生強(qiáng)度破壞前沒有發(fā)生鋼梁板件失穩(wěn)和界面剪切破壞；鋼梁失穩(wěn)破壞是在壓力或剪力作用下鋼主梁局部板件喪失穩(wěn)定，退出工作；界面縱向剪切破壞是由于剪力連接件抗剪強(qiáng)度不足，在荷載作用下鋼-混凝土界面成為結(jié)合梁的薄弱環(huán)節(jié)，界面喪失抗剪承載能力，產(chǎn)生較大相對滑移.

2

結(jié)合梁鋼-混組合效應(yīng)有限元分析

國內(nèi)外學(xué)者對鋼-混凝土組合梁的計(jì)算方法進(jìn)行了不少研究[9-13].目前，在國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范[14-15]中，對鋼-混凝土組合橋進(jìn)行彈性分析和設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用換算截面法.由于鋼-混凝土結(jié)合梁斜拉橋主梁的受力不同于普通鋼-混凝土連續(xù)梁，換算截面法一般不適用.隨著有限元計(jì)算理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟硬件計(jì)算能力的不斷提高，作為結(jié)構(gòu)分析的重要方法及有效手段，有限元法被用于研究鋼-混凝土組合橋梁.

根據(jù)抗剪連接件的實(shí)際受力狀態(tài)，可將結(jié)合梁界面工作的全過程劃分為彈性工作階段和彈塑性工作階段.基于抗剪連接件不同的工作狀態(tài)，對結(jié)合梁鋼-混凝土組合效應(yīng)的分析也分為彈性分析和彈塑性分析.

2.1

彈性分析

用有限元軟件ANSYS，采用板、實(shí)體混合單元，建立觀音巖長江大橋結(jié)合梁標(biāo)準(zhǔn)梁段的空間局部計(jì)算模型，見圖2.計(jì)算模型采用懸臂結(jié)構(gòu)，橫橋向取全寬36.2 m，順橋向長36.0 m.

對結(jié)合梁進(jìn)行彈性分析時(shí)，采用了以下假定：

（1） 鋼材與混凝土材料均采用彈性本構(gòu)關(guān)系；

（2） 混凝土板與鋼梁翼緣板間連接可靠，相對滑移很小，可忽略不計(jì)；

（3） 混凝土板全截面受壓，不考慮混凝土板中的鋼筋；

（4） 當(dāng)混凝土板中施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，負(fù)彎矩區(qū)段的混凝土板不開裂，參與主梁整體的組合作用.

根據(jù)彈性工作狀態(tài)下的上述基本假定，在結(jié)合梁局部分析模型中，不考慮剪力釘?shù)幕疲炷翗蛎姘迮c主梁間的剪力釘連接以及混凝土橋面板與橫梁間的剪力釘連接按完全固結(jié)考慮.圖3給出了彈性工作狀態(tài)時(shí)，塔根截面承載力極限狀態(tài)最大軸力工況下鋼主梁的應(yīng)力分布.

為研究結(jié)合梁中鋼主梁和混凝土橋面板縱向正應(yīng)力分布以及二者的應(yīng)力分配關(guān)系，在局部分析模型上沿鋼主梁腹板定義應(yīng)力路徑，見圖4.

圖5給出了不同設(shè)計(jì)荷載組合作用下主梁跨中截面、塔根截面鋼主梁及混凝土橋面板沿應(yīng)力路徑的縱橋向正應(yīng)力分布.

2.2

彈塑性分析

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中，鋼與混凝土組合截面的整體承載力和截面剛度取決于鋼與混凝土界面上剪應(yīng)力的有效傳遞.隨荷載增大，鋼與混凝土界面間的自然粘結(jié)無法保證界面處變形協(xié)調(diào)，此時(shí)需要通過設(shè)置抗剪連接件以保證鋼梁與混凝土板共同受力.抗剪連接件一方面承擔(dān)鋼梁與混凝土板之間的縱向剪力，限制兩者間的縱向相對滑移，同時(shí)也可抵抗兩者之間的豎向脫離作用.

國內(nèi)外研究表明，鋼梁與混凝土板間豎向掀起作用較小，通常可以忽略，但相對滑移影響較大.鋼-混凝土結(jié)合梁中廣泛使用的栓釘連接件屬于柔性連接件，當(dāng)按部分剪力連接設(shè)計(jì)時(shí)，由于連接件剛度較小，具有較大的塑性變形能力，鋼梁與混凝土翼板之間允許出現(xiàn)相對滑移，并產(chǎn)生縱向剪力重分布，其受力情況比較復(fù)雜.

鋼-混凝土結(jié)合梁的彈塑性力學(xué)行為分析涉及2種材料的非線性特性及界面連接狀態(tài)的非線性.對鋼-混凝土結(jié)合梁進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，應(yīng)考慮鋼材、混凝土材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，并考慮混凝土與鋼梁交界面之間的滑移以及連接件的變形，能考慮混凝土開裂后裂縫的分布及其對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的影響.針對橋面板較寬的特點(diǎn)，應(yīng)考慮剪力連接件荷載-位移曲線的非線性.有限元分析時(shí)，剪力連接件的非線性荷載-滑移關(guān)系一般可考慮為混凝土單元與鋼結(jié)構(gòu)單元間的彈性約束.

對觀音巖大橋結(jié)合梁標(biāo)準(zhǔn)梁段進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，將鋼材視為理想彈塑性材料，混凝土按非線性材料考慮，混凝土開裂后退出工作；混凝土橋面板與鋼梁間僅通過剪力連接件連接，不考慮混凝土橋面板與鋼梁翼緣板間界面粘結(jié)關(guān)系，混凝土橋面板與鋼主梁上翼緣之間存在滑移.通過在鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)間引入彈簧單元來模擬栓釘剪力連接件.根據(jù)剪力釘推出試驗(yàn)測試得到的荷載-滑移曲線（圖6），確定彈簧單元的剛度參數(shù).

圖7為彈塑性分析得到的塔根截面承載力極限狀態(tài)最大軸力工況下鋼主梁的應(yīng)力分布.

計(jì)算結(jié)果表明，彈簧單元對鋼梁與混凝土橋面板間的滑移模擬效果較好，混凝土橋面板上應(yīng)力重分配現(xiàn)象較明顯.若不考慮剪力連接件的非線性滑移關(guān)系，橋面板邊緣會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，這與實(shí)際情況不符.

通過比較最不利設(shè)計(jì)荷載組合下彈塑性分析結(jié)果與彈性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種分析方法得到的結(jié)合梁主梁、橫梁及混凝土橋面板的應(yīng)力分布基本相近.在最不利設(shè)計(jì)荷載組合下，結(jié)合梁混凝土橋面板與鋼梁間的栓釘連接件連接可靠，混凝土橋面板與鋼梁間發(fā)生的相對滑移較小.

3

結(jié)合梁梁段模型試驗(yàn)

3.1

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)橋標(biāo)準(zhǔn)梁段構(gòu)造，按 1∶2 的縮尺比例制作標(biāo)準(zhǔn)梁段試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢Y(jié)合梁鋼-混凝土組合效應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)研究.試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M向采用半幅梁段，縱橋向包含3道橫梁，為加載方便試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕显O(shè)計(jì)了主梁加載梁、對稱約束構(gòu)件、主體與剪力墻的連接構(gòu)件、支墩等輔助結(jié)構(gòu)，見圖8.

主梁板件選取范圍根據(jù)圣維南原理及加載的需要確定，在標(biāo)準(zhǔn)梁段的3個(gè)橫梁之間取2個(gè)節(jié)間，在邊橫梁外側(cè)各取1/2個(gè)節(jié)間，試驗(yàn)梁段模型縱向長6 m，該長度能夠保證主梁和橫梁腹板的應(yīng)力狀態(tài)和屈曲模態(tài)與實(shí)橋基本相同.

為了較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際梁段結(jié)構(gòu)的力學(xué)邊界條件，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕炷涟宀捎脧埨摻g線的方式施加軸力，用千斤頂施加剪力和彎矩；對于工字形鋼主梁，在主梁加載梁上用千斤頂通過調(diào)整加載點(diǎn)位置施加軸力、剪力和彎矩.為模擬實(shí)際梁段結(jié)構(gòu)的位移邊界條件，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M梁自由端處通過輔助構(gòu)件與剪力墻連接，中間設(shè)置聚四氟乙烯板模擬梁段中心線處的對稱約束；此外，采用輔助構(gòu)件通過張拉鋼絞線將試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵欢隋^固在剪力墻上，形成懸臂結(jié)構(gòu).

3.2

加載及測試方案

根據(jù)斜拉橋主梁受力特點(diǎn)，梁段同時(shí)受軸力、彎矩及剪力作用，不同位置處截面在不同荷載組合下，處于不同的內(nèi)力組合狀態(tài).試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^千斤頂施加軸力和彎矩，圖9為試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d情況.

為研究不同設(shè)計(jì)荷載組合下梁段截面的應(yīng)力狀態(tài)和鋼-混凝土截面的受力特征，模型試驗(yàn)中，截面內(nèi)力按分項(xiàng)加載按需組合的原則設(shè)計(jì).根據(jù)試驗(yàn)研究內(nèi)容確定試驗(yàn)加載工況，各加載工況下的荷載值根據(jù)斜拉橋全橋分析結(jié)果確定，見表1.

考慮了4種加載工況對江津觀音巖長江大橋結(jié)合梁梁段進(jìn)行模型試驗(yàn)，分別為跨中截面正常使用最大軸力組合、跨中截面承載能力最小彎矩組合、根部截面承載能力最大軸力組合、根部截面承載能力最大彎矩組合.

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼郊虞d前對模型進(jìn)行預(yù)加載，按設(shè)計(jì)荷載的50%進(jìn)行加載、卸載2次.各試驗(yàn)加載工況中，為保證測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在各級(jí)荷載作用下保持5 min，再進(jìn)行應(yīng)變測試.

圖10為鋼主梁上應(yīng)變測點(diǎn)的分布情況.

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕虾侠碓O(shè)置應(yīng)變測點(diǎn).根據(jù)有限元數(shù)值分析結(jié)果，對于應(yīng)變變化梯度較大的區(qū)域布置較密的測點(diǎn).為研究主梁主要板件的應(yīng)力變化規(guī)律，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕显O(shè)置5個(gè)斷面進(jìn)行分析.在研究斷面的混凝土橋面板、鋼主梁翼緣板和腹板、橫梁腹板和翼緣板、加勁肋上布置應(yīng)變測點(diǎn).其中受力狀態(tài)復(fù)雜的測點(diǎn)采用三軸應(yīng)變花，受力狀態(tài)簡單的測點(diǎn)采用單軸應(yīng)變片.試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕瞎膊贾昧?20個(gè)測點(diǎn)，應(yīng)變片布置在主梁、橫梁、混凝土板及剪力釘上，應(yīng)變花布置在橫梁與主梁連接處的拼接板上.

3.3

試驗(yàn)測試結(jié)果

圖11給出了按跨中截面正常使用極限狀態(tài)最大軸力組合加載和按塔根截面承載能力極限狀態(tài)最大軸力組合加載時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒糠譁y點(diǎn)的應(yīng)力隨荷載的變化.

從圖11可見，在設(shè)計(jì)荷載作用下，梁段處于彈性工作狀態(tài)，測點(diǎn)應(yīng)力隨荷載增大基本呈線性關(guān)系變化.

圖12～14分別給出了工況2、3、4荷載組合下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒孛嫜亟Y(jié)合梁高度方向測點(diǎn)應(yīng)力的變化情況.

通過比較試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y試應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力沿梁高的變化情況可以看出，各荷載工況下截面應(yīng)力峰值大致相同，應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，結(jié)合梁截面應(yīng)力基本滿足平截面假定.

假定應(yīng)力在橋面板內(nèi)沿厚度方向均勻分布，板件長度方向按線性插值計(jì)算，由模型試驗(yàn)得到的測點(diǎn)應(yīng)力可以近似合成截面上鋼主梁和混凝土橋面板所分配的內(nèi)力.計(jì)算表明，在設(shè)計(jì)荷載作用下，鋼主梁承擔(dān)約80%的彎矩和約40%的軸力，其余由混凝土板承受.

4

結(jié)論

根據(jù)本文進(jìn)行的觀音巖長江大橋梁段模型試驗(yàn)及有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1） 在設(shè)計(jì)荷載組合作用下，觀音巖長江大橋結(jié)合梁處于彈性工作狀態(tài)，截面應(yīng)變（力）基本滿足平截面假定.

（2） 設(shè)計(jì)荷載作用下，混凝土橋面板與鋼主梁間的相對滑移較小，混凝土橋面板與鋼梁翼緣之間栓釘連接可靠，滿足結(jié)構(gòu)整體受力性能的要求.

（3） 在設(shè)計(jì)荷載作用下，截面彎矩主要由鋼主梁承擔(dān)，截面軸力主要由混凝土板承擔(dān).

（4） 鋼梁與混凝土板界面上剪應(yīng)力的有效傳遞是結(jié)合梁整體工作性能的保證.彈塑性分析時(shí)，可以將剪力釘模擬成混凝土與鋼結(jié)構(gòu)之間的彈簧（彈性）約束，而彈簧參數(shù)一般可以由推出試驗(yàn)確定.

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)國敏. 現(xiàn)代斜拉橋[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，1996： 93-95.

[2]NEWMARK N M， SIESS C P， VIEST I M. Test and analysis of composite beams with incomplete interaction[J]. Experimental Stress Analysis， 1951，9（6）： 896-901.

[3]European Committee for Standardization （CEN）. Eurocode 4 Design of composite steel and concrete structures， part 2： composite bridges[S]. Brussels： European Committee for Standardization， 1994.

[4]毛學(xué)民. 鋼-混凝土組合梁界面特性分析與加勁板-混凝土組合板荷載分布寬度試驗(yàn)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2006.

[5]杜振華. 大跨度斜拉橋鋼-混結(jié)合梁組合效應(yīng)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2009.

[6]黃鋮. 大跨度結(jié)合梁斜拉橋的鋼-混凝土組合效應(yīng)研究[D]. 福州：福州大學(xué)土木工程學(xué)院，2003.

[7]PU Qianhui， BAI Guangliang. Internal force distribution in steel-concrete composite structure for pylon of cable-stayed bridge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University： English Edition， 2009， 17（2）： 95-100.

[8]西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院. 大跨結(jié)合梁斜拉橋穩(wěn)定性及鋼-混凝土組合效應(yīng)研究報(bào)告[R]. 成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2009.

[9]雷宇，趙雷，黎曦. 大跨度組合梁斜拉橋極限承載力影響因素分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，44（6）： 812-816.

LEI Yu， ZHAO Lei， LI Xi. Influencing factors of ultimate load-bearing capacity of long-span composite girder cable-stayed bridge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2009， 44（6）： 812-816.

[10]OLIVEIRA PEDRO J J， REIS A J. Nonlinear analysis of composite steel concrete cable-stayed bridges[J]. Engineering Structures， 2010， 32（9）： 2702-2716.

[11]NAKAMURA S， MOMIYAMA Y， HOSAKA T， et al. New technologies of steel-concrete composite bridges[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2002， 58： 99-130.

[12]AMADIO C， FEDRIGO C， FRAGIACOMO M， et al. Experimental evaluation of effective width in steel-concrete composite beams[J]. Journal of Construc-tional Steel Research， 2004， 60： 199-220.

[13]CHUNG W， SOTELINO E D. Nonlinear finite-element analysis of composite steel girder bridges[J]. Journal of Structural Engineering， 2005， 131（2）： 304-313.

[14]中華人民共和國交通部. JTJ025—86 公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，1988.

[15]American Association of State Highway and Transpor-tation Officials （AASHTO）. AASHTO LRFD bridge design specifications[S]. Washington DC： American Association of State Highway and Transportation Officials， 2005.