鐵路鋼-混凝土組合桁架外接式節點力學特性研究

蔡　正,周友權

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安　710043)

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鐵路鋼-混凝土組合桁架外接式節點力學特性研究

蔡正,周友權

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安710043)

摘要：以新建西安至平涼鐵路1-80 m組合桁架為工程背景,對外接式鋼-混凝土組合節點進行非線性分析,根據理論分析結果,進行節點試件的加載試驗。通過這種理論計算與試驗相互驗證的方法,深入研究外接式節點的承載能力、破壞形式等力學特性。分析結果表明：該類型鋼-混凝土組合節點能夠滿足工程要求；理論計算結果與試驗吻合很好,理論計算可用于指導設計,并且計算結果滿足工程精度要求。

關鍵詞：鐵路橋梁；鋼-混凝土組合桁架；節點；非線性分析；力學特性

1工程概況

西平鐵路后河村特大橋、馬屋涇河特大橋、太峪大橋三座橋梁跨越福銀高速公路。福銀高速公路設計為雙向四車道，路肩跨度為30 m，由于建筑高度受立交凈空和線路高度控制，經多方案比較后，立交方案采用1-80 m鋼-混凝土組合桁架。該鋼-混凝土組合桁梁，計算跨徑80 m，梁長82 m。桁式采用無豎桿三角桁，桁高9 m，節間距10 m，主桁中心距6.7 m，其成橋后的實景如圖1所示。

圖1　鋼-混凝土組合桁架橋實景

鋼-混凝土組合桁架實際為桁梁與槽形梁的組合結構，上弦桿采用鋼筋混凝土結構，下弦桿采用預應力混凝土槽形梁，腹桿采用鋼質桿件。腹桿之間通過與鋼桁梁類似的節點板進行連接，節點板與混凝土構件之間通過PBL鍵進行連接。由于組合桁架具有建筑高度低、剛度大[1]、動力特性好[2]、后期養護維修的工作量小等優點，近年來在國內外[3-14]都得到重視與發展。

外接式節點采用兩塊節點板用肋板焊接成H形，節點板一部分埋設在混凝土弦桿中，外露部分通過高強螺栓與腹桿連接形成整體，為增強鋼構件與混凝土的連接，節點板上開孔并設置貫通鋼筋。外接式節點構造如圖2所示。

圖2　外接式節點構造示意

2研究方法與內容

2.1　研究方法

本橋設計的關鍵和技術難點是節點的構造設計，鋼腹桿與上、下弦桿的連接是結構設計的關鍵，其受力性能對全橋承載能力和跨越能力至關重要。從受力方面來講，節點除承受弦桿傳來的軸力外，還承受節點偏心引起的彎矩和鋼腹桿自身的彎矩及剪力。節點處內力、應力分布復雜，呈明顯的非線性，用常規的桿系結構分析程序難以了解節點局部應力的復雜分布狀態。因此建立三維實體模型，精確模擬節點的構造細節，通過非線性分析，了解節點處應力大小和分布規律，荷載與應力、應變的關系，對節點區普通鋼筋的配置及對節點的設計優化均有指導作用。但是，對這種新型結構的關鍵性部位僅僅通過理論分析是遠遠不夠的，對于鐵路橋梁這種關系國民經濟命脈的結構，必須確保結構的安全性，并且對這一新型結構的安全儲備有比較真實的了解，這就需要通過試驗研究以進一步了解節點區的受力特性。

因此，通過理論計算與試驗相互驗證的方法，對本組合結構的關鍵區域——外接式節點進行詳細的研究，理論研究是前提，為試驗研究提供前期指導，使得試驗研究有的放矢，找準關鍵點；試驗是對理論分析的進一步驗證，可以進一步了解理論分析中的簡化處理對結果的影響。

2.2　研究內容

由于鋼腹桿與上、下弦桿的連接是結構設計的關鍵，其受力性能決定了全橋的承載能力，因此研究的關鍵是節點區的力學特性，研究分為宏觀與微觀兩個層面：宏觀上是研究節點的開裂荷載與極限破壞荷載，及其節點處鋼腹桿的屈服荷載，以了解結構的安全儲備；微觀上是研究節點區的開裂與破壞性狀，以指導節點區的箍筋配置。

本橋位于曲線上，經過空間桿件有限元分析，實橋結構主力下最大腹桿軸力為9 000 kN左右，位于曲線外側端部節點處。取端節點作為研究對象，數值模擬時節點的邊界條件與原模型完全對應，經過逐步增量加載，了解節點的力學特性。

3理論研究

3.1　模型建立

混凝土、剪力鋼筋和耳板都采用八節點減縮積分格式的三維實體單元，鋼筋采用三維桁架線性單元，腹桿和鉸接部分采用殼單元。用參考面將復雜的結構區域進行劃分，使網格合理有效，采用牛頓-拉普森迭代方法進行計算。模型中假定混凝土與鋼板粘結良好，沒有滑移，節點內部混凝土、鋼節點板、腹桿均采用共節點處理。鋼筋通過embedded方式嵌入混凝土中，不考慮鋼筋與混凝土二者之間的粘結滑移，認為鋼筋與混凝土完全共同工作。試件的幾何模型按照試件的實際尺寸建立，邊界條件為腹桿底部鉸接，整體有限元模型如圖3所示。

圖3　外接式節點有限元模型

3.2　材料本構模型

混凝土強度等級為C50，擬合的混凝土抗壓強度應力-應變全曲線如圖4所示。混凝土本構模型采用混凝土塑性損傷模型[11]，該模型假設的兩種主要破壞方式為混凝土受拉開裂和受壓壓潰。混凝土的拉伸強度采用斷裂能的方法取值：極限抗拉強度取為3.1 MPa；拉伸斷裂能取為155 N/m。

圖4　混凝土抗壓應力-應變全曲線

鋼結構材質采用Q345qE，Von Mises本構模型是金屬材料中使用較多的材料本構模型，比較適合鋼橋的材料非線性分析。本模型在Von Mises本構模型基礎上考慮鋼材屈服后材料強化，按照常用的四階段考慮，其應力-應變關系全曲線如圖5所示。采用HRB335鋼筋，根據進行的標準鋼筋試件拉伸試驗，得出鋼筋的應力-應變關系曲線。為簡化計算，采用兩段式強化模型，擬合的鋼筋應力-應變全曲線如圖6所示。

圖5　鋼板拉伸應力-應變全曲線圖

圖6　鋼筋拉伸應力-應變全曲線

3.3　理論分析結果

對局部模型進行桿系有限元分析，得到節點區的腹桿軸力與節點水平變形的力-位移曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，在腹桿軸力到達20 500 kN之前，荷載與位移基本呈線性關系，節點處于彈性工作階段；腹桿軸力超過20 500 kN之后節點開始進入塑性發展階段，可以認為20 500 kN為節點的屈服荷載；腹桿軸力繼續增大，由于混凝土裂縫的發展，節點剛度下降，但荷載依然增加，彈塑性階段較長，說明節點具有良好的延性性能；加載到28 800 kN時，節點未發生明顯破壞，荷載可持續增加，可判定節點的極限承載力大于28 800 kN。相對于腹桿的設計荷載9 000 kN，屈服荷載為設計荷載的2.3倍，極限荷載為設計荷載的3.2(強度安全系數)倍以上，規范中[12]主力下結構的強度安全系數最小值為2.2，說明結構的節點承載力足夠。

圖7　節點區荷載-水平位移曲線

腹桿拉壓測點處的荷載-Mises應力曲線如圖8所示，從圖中看出在荷載達到28800kN時，腹桿平均應力水平在330MPa作用，小于Q345鋼材的屈服強度，從圖中也可看出荷載-應力曲線為線性關系，腹桿整個加載階段處于彈性工作階段，說明腹桿承載力足夠。

圖8　腹桿荷載-Mises應力曲線

4試驗研究

4.1　模型制作與加載

綜合考慮試驗場地的加載能力、試件制作及試驗的預期目標等因素，采用1∶3的模型縮尺比例。模型制作時，充分考慮了節點區的受力狀態相似與幾何相似，以弦桿軸力相似為控制條件。試驗中制作了兩個相同的節點模型，以減少偶然誤差的影響。由于本橋腹桿間夾角接近60°，因此在弦桿端部施加水平力，就可以在腹桿得到與施加水平力相同的軸力。節點試驗加載裝置如圖9所示。

根據前述理論分析結果，節點區的開裂荷載與極限荷載分別為20 500 kN與29 000 kN，對應1∶3模型的開裂荷載與極限荷載分別為2 200 kN與3 200 kN。因此，試驗時對構件的加載方式為：在0～2 000 kN加載區間，按400 kN/級進行加載；在2 000～3 000 kN加載區間，按200 kN/級進行加載；在3 000 kN破壞，按100 kN/級進行加載。按照上述增量加載方式進行單調加載，直到節點破壞喪失承載能力。

圖9　節點試驗加載裝置

4.2　荷載位移關系

將試驗荷載轉化為對應的實際結構上的數值，得到圖10兩個試件的荷載-位移曲線。從圖中看出，兩個試件弦桿自由端的水平位移吻合良好，基本按照同一曲線規律變化。曲線基本可分為兩個階段，在18 000 kN之前，荷載與位移呈直線變化，節點處于彈性工作階段，加載過程中節點各構件正常工作，未發生任何破壞現象及趨勢。加載至18 000 kN以后，曲線斜率發生改變，節點進入彈塑性工作階段，結構剛度降低。隨著荷載的增加，節點中混凝土出現開裂，節點板發生變形，但本階段荷載-位移曲線基本為直線，結構剛度穩定，節點彈塑性階段較長，延性良好。加載過程中，由于加載裝置意外失效，試件一加載到23 000 kN處終止。在對加載裝置進行加強后對試件二進行加載，從曲線中看出在彈性階段與試件一完全重合，進入屈服之后，其剛度較試件一略大，而極限承載力提高至27 000 kN。

綜合兩個試件的試驗現象及荷載-位移曲線，節點雖然出現混凝土開裂，節點板變形等現象，但在9 000 kN設計荷載水平時，節點處于完全彈性狀態，滿足設計要求；節點屈服荷載18 000 kN，為設計荷載的2.0倍；開裂荷載19 800 kN，為設計荷載的2.2倍；極限荷載為27 000 kN，為設計荷載的3倍，節點安全儲備較高。

圖10　試件節點區荷載-水平位移曲線

4.3　節點破壞形態

混凝土上首條裂縫出現在混凝土弦桿底面和節點板接觸部位，此時荷載等級為19 800 kN，隨著荷載的增加，該裂縫沒有繼續發展。在荷載等級為25 200 kN和27 000 kN時，混凝土上部出現多條的豎向裂縫，并貫穿整個弦桿。在27 000 kN向上繼續加載時，受拉腹桿連接板的螺栓將節點板拉斷，試件完全破壞，腹桿的其他部位并未出現明顯的屈服和變形。

因此試件破壞過程為：首先在混凝土弦桿上中部靠后位置出現豎向裂縫，荷載繼續增加，裂縫也隨之開展，荷載達到一定等級時，節點板末端區域由于壓力過大，出現局部屈曲，荷載繼續增加，受拉腹桿連接板的拉力過大，而凈截面面積又相對過小，節點板被撕裂，同時，由于豎向拉桿對混凝土弦桿的約束作用，混凝土弦桿出現貫穿裂縫。節點的破壞方式為連接受拉腹桿處節點板撕裂破壞，從中看出節點板是整個節點的關鍵，加強節點板可有效提高其承載力。

5研究結論

(1)假定鋼板及鋼筋與混凝土之間連接良好，對組合桁架結構節點區進行局部非線性有限元分析，得出節點區的屈服荷載與極限荷載分別為20 500 kN與28 800 kN，相對于9 000 kN的設計荷載，節點有足夠的安全儲備。

(2)對1∶3縮尺比的試件進行加載，得出節點區的屈服荷載、開裂荷載與極限荷載分別為18 000、19 800 kN與27 000 kN，節點安全儲備很高。

(3)由試驗可知，節點的破壞方式為連接受拉腹桿處節點板撕裂破壞，節點板是整個節點區的薄弱點；混凝土裂縫在節點中心附近均呈豎向分布。對節點板進行加強，并改變縱向鋼筋的數量或布置形式，可提高節點的承載能力。

(4)理論分析與試驗吻合良好，計算結果滿足工程精度要求，理論分析結果可用于指導設計。

參考文獻：

[1]李德，張晟，藺鵬臻.新型鋼-混凝土組合桁架鐵路橋梁的力學特征研究[J].蘭州交通大學學報，2010，29(6)：31-34.

[2]郭薇薇，夏禾，李慧樂，等.鐵路新型鋼-混凝土組合桁架橋在列車作用下的動力響應分析[J].振動與沖擊，2012，31(4)：128-133.

[3]趙會東，蔡正，雷潘寧.組合結構在高墩大跨梁橋中的應用研究[J].鐵道勘察，2007(S)：42-43.

[4]趙會東，李承根，吳少海.新型鋼-混凝土組合結構的發展現狀及展望[J].鐵道勘察，2007(S)：54-56.

[5]聶建國，陶慕軒，吳麗麗，等.鋼-混凝土組合結構橋梁研究新進展[J].土木工程學報，2012，45(6)：110-122.

[6]常曉林，馬剛，劉杏紅.基于復合屈服準則的混凝土塑性損傷模型[J].四川大學學報，2011，43(1)：1-7.

[7]HISHIKI Y， FURUICHI K， TAIRA Y， et al. Development of a Panel Joint Structure for a Steel/Concrete Composite Truss Bridge-Test of Panel Joint Structure (The Steel Box Structure) on a Full-Scale Model[J]. Annual Report of Kajima Technical Research Institute, 2002，50:25-32. in Japanese

[8]ISHIDA K-SUBPRIME K. KOYAMA H， et al. Yama Kura River Bridge Design and Construction of Discharge[J]. Construction Report, 2004，46 (2):56-63. in Japanese

[9]NOMURA T，ONO S，KATO T. Study on Strengthening Performance of Joints in PC Hybrid Truss Bridges (Part2)-Static Loading Test with 1 /2-Scale Model Specimen [J]. Report of Obayashi Corporation Technical Research Institute， 2005，69：1-6. in Japanese

[10]陳開利.法國Boulonnais高架橋簡介[J].國外橋梁，1999(1)：15-17.

[11]劉玉擎.組合結構橋梁的發展與展望[A].中國公路學會橋梁和工程結構分會2005年全國橋梁學術會議論文集[C].北京：人民交通出版社，2005:186-192.

[12]中國人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[13]張建科.80 m鋼-混凝土組合桁梁膺架法施工技術[J].鐵道標準設計，2012(8):71-75.

[14]羅世東.鐵路橋梁大跨度組合橋式結構的應用研究[J].鐵道標準設計，2005(11):1-4.

Research on Mechanical Characteristics of Steel-Concrete Composite Truss Joints Railway BridgeCAI Zheng, ZHOU You-quan

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：With reference to the 1-80m Xi’an-to-Pingliang Railway composite truss engineering project and based on the external-nonlinear analysis of steel-concrete composite nodes, load tests are conducted on specimens of the node according to the analysis result. Using the method of mutual authentication of theoretical calculation and experiment, in-depth studies are carried out on external nodes bearing capacity, failure mode and other mechanical properties. Analysis results show that such type of steel-concrete composite joints are qualified to meet the requirements of the project; theoretical calculation results agree well with the experimental findings, theoretical calculations can be used to guide the design, and calculation results meet the strict requirements of the project.

Key words：Railway bridge; Composite truss bridge; Node; Non-linear analysis; Mechanical characteristic

中圖分類號：U448.38

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.013

文章編號：1004-2954(2016)02-0062-04

作者簡介：蔡正(1972—)，男，高級工程師，E-mail：1010456891@qq.com。

基金項目：鐵道部科技研究開發計劃課題(2008G007-C)

收稿日期：2015-06-18； 修回日期：2015-06-25