斜拉橋混合梁結合段長期受力性能研究

葉恒達 劉 榮

(華設設計集團股份有限公司交通事業部1) 南京 210014) (河海大學土木與交通學院2) 南京 210098)

0 引 言

混合梁具有跨越能力強、經濟性優越、施工快捷等特點，已用作斜拉橋、梁橋、拱橋、自錨式懸索橋的主梁結構[1-4].主梁鋼混結合段存在材料改變和截面剛度突變，為混合梁受力薄弱部位，長期荷載作用下，混凝土的徐變特性使結合段鋼與混凝土之間出現應力重分布，造成結合段傳力構件的傳力比例改變，連接件損傷加劇，混凝土抗裂安全儲備削弱，影響橋梁結構及運營安全[5-6].

以往鋼混結合段長期性能研究大多采用有限元法，而混凝土徐變效應的精確預測是有限元方法的重要技術環節.Liu等[7]利用Dischinger的徐變率方程與ANSYS軟件的Creep材料模型的可兼容性來考慮混凝土的徐變效應，但Dischinger的徐變率法對于應力歷程變化很大的老化混凝土不能準確預測[8].文獻[6]依據徐變逐步遞推算法，在ANSYS軟件的用戶子程序中開發實體單元徐變本構方程，對混合梁結合段的長期效應進行分析.但未考慮連接件在長期剪力作用下，其變形隨時間發展而增加的時變特性，連接件剛度時變特性對鋼混結合段長期受力性能的影響有待進一步明確.Aldeen等[9-10]研究鋼混組合梁的長期效應時得出，計算時不考慮焊釘剛度時變特性將低估梁的變形，設計時偏不安全.Ban等[11]開展焊釘長期抗剪推出試驗有限元分析得出，焊釘抗剪承載力和剛度隨混凝土齡期增加而降低.文獻[9]開展了焊釘長期推出試驗得出，焊釘最終變形約為瞬時變形的1.7倍，相應的剪切剛度折減為初期剛度的1/2.因此，需要明確焊釘剛度時變特性對混合梁結合段長期受力性能的影響.

文中建立某斜拉橋混合梁結合段三維有限元模型，依據混凝土徐變逐步遞推算法，運用Fortran語言在ANSYS子程序中編寫混凝土的徐變本構和連接件剛度時變本構，研究混凝土徐變作用和連接件剛度時變特性對結合段傳力構件的傳力比例、連接件作用力、鋼梁與混凝土梁的應力傳遞以及預應力損失的影響.

1 混合梁結合段構造特點

某主跨580 m的混合梁斜拉橋總體布置見圖1.采用七跨連續結構體系.邊中跨比為0.25，混凝土梁段伸入中跨1.67 m.

圖1 某混合梁斜拉橋總體布置(單位：cm)

圖2為結合段鋼箱梁端部和預應力混凝土梁端部的橫斷面，主梁中心線處梁高2.8m.鋼箱梁采用扁平流線形斷面，橋面板為正交異性結構.頂板厚14 mm，腹板厚25 mm，斜底板和底板厚16 mm.頂板U肋尺寸為300 mm×280 mm×8 mm，間距為600 mm.斜底板和底板的U肋尺寸為400 mm×260 mm×6 mm，間距為800 mm.混凝土梁斷面為單箱四室，頂板厚370 mm，底板厚300 mm.

圖2 主梁橫斷面(單位：mm)

主梁鋼混結合部采用無格室后承壓板式構造，其立面見圖3.鋼箱梁頂板與底板均伸入混凝土梁段1 m，在鋼混結合面處設置厚度80 mm的承壓板.鋼梁過渡段的加勁肋采用U肋疊加Π形加勁肋的形式，與混凝土加強段接觸的鋼板表面布置直徑×長度為19 mm×140 mm的焊釘連接件.鋼混結合段共布置89根Φ15.24-7鋼絞線，一端錨固于承壓板，另一端錨固于橋塔附近的邊跨混凝土梁的齒板上.

圖3 鋼混結合段立面(單位：mm)

2 結合段計算模型

2.1 有限元模型建立

采用ANSYS 6.5建立鋼混結合段實體-板殼有限元模型，見圖4.計算模型選取節段長7.1 m，包括混凝土梁段3.5 m、鋼梁段3.6 m，其中鋼混結合段長1 m.根據結構對稱性和計算精度要求，選取1/2結構進行分析.混凝土梁采用實體單元Solid186，鋼箱梁采用板殼單元Shell181，焊釘連接件采用彈簧單元Combin37，預應力筋采用桿單元Link8.混凝土梁的單元尺寸基本為150 mm，鋼結構單元劃分尺寸為50 mm.有限元模型的單元數量約26萬個，節點數量約46萬個.

圖4 結合段有限元模型

對處于正常使用階段的混凝土結構，其應力大多不超過抗壓強度的40%，線性徐變理論成立，混凝土采用線彈性本構的計算精度能滿足工程要求.混凝土強度等級為C50，彈性模量為3.5×104MPa，泊松比為0.166 7，密度為2 500 kg/m3.鋼材彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3.

結合部鋼與混凝土接觸面建立接觸對，以模擬鋼與混凝土間的接觸傳壓和相對滑移，忽略鋼與混凝土間的摩擦傳力.混凝土接觸面生成接觸單元Conta174，鋼梁接觸面生成目標單元Targe170.預應力筋節點與混凝土實體單元建立位移約束方程，使預應力能有效施加至混凝土梁中.混凝土梁近邊跨端為固結約束，鋼箱梁近中跨端釋放縱橋向平動位移UZ和轉動位移RotX，模型中心面施加正對稱約束.

考慮結構自重，橋面恒載采用等效均布荷載施加在橋面上.在鋼箱梁端部截面形心處建立節點，并與該截面其余節點建立剛性梁單元，在截面形心節點施加第一體系計算得到的內力.預應力鋼絞線初始應力為1 860 MPa，其中張拉控制應力為75%，另計入25%的預應力損失，計算模型中實際施加預應力為1 046 MPa，采用初應變法施加預應力.

2.2 混凝土徐變模擬

混凝土徐變計算參數設定如下：C50混凝土平均抗壓強度fcm為48 MPa，環境年平均相對濕度為80%，構件理論厚度經計算取190 mm.混凝土徐變開始齡期為澆筑后第7 d，徐變終期設為10年.混凝土徐變系數隨時間增長的發展函數參照文獻[12]規定計算.

依據混凝土徐變逐步遞推算法，運用Fortran語言在ANSYS軟件提供的USERMAT子程序中開發混凝土實體單元的徐變本構方程，實現空間應力狀態下混凝土結構的徐變效應分析.

2.3 焊釘剛度時變模擬

文獻[9]開展了焊釘連接件長期加載推出試驗，得出鋼混界面的焊釘連接件在恒定剪力作用下，其相對滑移隨時間增長而增加，焊釘連接件的抗剪剛度具有時變特性.依據試驗結果提出焊釘連接件按齡期調整的有效剛度計算式，即

(1)

式中：Ke(t,t0)為焊釘連接件按齡期調整的有效剛度；Kini(t0)為焊釘加載初期的抗剪剛度，分析時取420 kN/mm；χsc(t,t0)為連接件的老化系數，外載作用下取0.75，考慮收縮時取0.55；φsc(t,t0)為連接件的徐變系數，φsc(t,t0)與混凝土的徐變系數φc(t,t0)成線性關系，為

φsc(t,t0)=αscφc(t,t0)

(2)

式中：αsc值依據焊釘長期推出試驗結果確定，Aldeen取0.4.

使用能自定義剛度為時間相關函數的兩節點彈簧單元Combin37，借助ANSYS提供的二次開發接口，在USERRC子程序中自定義剛度修正函數，以考慮隨加載時長增加，焊釘剛度退化對混合梁結合段長期受力性能的影響[13].

3 計算結果及分析

3.1 傳力比例分析

鋼混結合部的作用力主要由承壓板和剪力連接件分擔，并傳遞至混凝土梁中.傳力構件按剛度大小分擔不同比例的作用力，設計時為方便確定承壓板厚度、剪力連接件尺寸和數量等參數，有必要明確傳力構件在不同工況下的傳力比例.以頂板焊釘連接件為例，設計時應滿足：

(3)

承壓板和焊釘連接件在不同工況下的傳力比例見圖5.

圖5 不同工況下傳力構件的傳力比例

由圖5可知：混凝土徐變作用使焊釘連接件的剪力效應值增加，而其長期抗剪承載力可能會降低，焊釘連接件的承剪安全儲備削弱.結合段設計時，承壓板按不計徐變效應的傳力比例計算，焊釘連接件按計入徐變效應，但不計剛度時變特性的傳力比例進行設計，偏于安全.

3.2 連接件作用力分析

鋼混結合部焊釘連接件設置時應保證不同齡期t的最大剪力效應值小于相應的抗剪承載力，即滿足：

(4)

距橋梁中心線0.4 m的箱梁頂、底板焊釘連接件的縱橋向剪力分布見圖6.

圖6 焊釘縱橋向剪力分布

由圖6可知：同一工況下，頂板焊釘剪力大于底板對應位置的焊釘剪力.焊釘連接件設置時，以混凝土徐變10年，不計焊釘剛度時變特性的最大剪力效應值控制設計，偏于安全.

3.3 鋼與混凝土應力分析

鋼梁最不利位置的頂、底板縱橋向正應力分布見圖7.縱坐標鋼梁應力集中系數Ks=σs/σs0，其中σs為鋼梁縱向應力，σs0為鋼梁近承壓板端截面平均縱向應力.混凝土徐變作用使結合段鋼梁應力增大，鋼梁加勁段應力變化微小，與承壓板相接處鋼梁應力集中愈加顯著.與焊釘常剛度本構工況相比，考慮焊釘剛度時變特性的結合段鋼梁頂、底板應力均較小，普通鋼梁段應力影響微小.

圖7 鋼梁頂、底板縱橋向應力分布

混凝土梁頂、底板的縱橋向應力分布見圖8.縱坐標混凝土應力集中系數Kc=σc/σc0，其中σc為混凝土縱向正應力，σc0為混凝土梁近邊跨端截面平均縱向正應力.混凝土徐變作用使結合段鋼與混凝土間發生應力重分布，結合段混凝土應力減小，轉移至鋼梁上.由于混凝土梁段預應力出現徐變損失，混凝土加強段應力減小.與焊釘常剛度本構工況相比，計入焊釘剛度時變特性的結合段混凝土梁頂、底板應力均較大，普通混凝土梁段應力影響微小.

圖8 混凝土梁頂、底板縱橋向應力分布

3.4 預應力徐變損失

分析混凝土徐變及計入焊釘剛度時變特性對預應力損失的影響，以頂板和底板縱向預應力筋為例，其預應力時程變化曲線見圖9.縱坐標為T(t)/T0，T(t)和T0分別為齡期t和徐變初期的預應力鋼束軸力值.不計焊釘剛度時變特性時，頂、底板預應力徐變損失終值在6%以內，頂板預應力徐變損失較底板略大.考慮焊釘剛度時變特性時，其對預應力徐變損失終值的影響在1%以內.由此可見，長期作用使結合段混凝土的抗裂安全儲備削弱，結合段混凝土抗裂設計宜考慮徐變效應.

圖9 頂、底板縱向預應力時程變化

4 結 論

1) 混凝土徐變10年，常剛度焊釘連接件的傳力比例終值較徐變初期增加19%，縱向剪力最大值增加近1倍.時變剛度焊釘的傳力比例較初期增加12%，最大剪力增加約50%.長期作用使焊釘承剪安全性降低，結合段抗剪連接件設置宜考慮長期效應.

2) 混凝土徐變作用使結合段鋼與混凝土之間出現應力重分布，混凝土減小的應力轉移至鋼梁上.焊釘剛度時變特性對結合段鋼與混凝土的應力分布有影響，而普通梁段應力影響微小.

3) 混凝土徐變變形使混凝土梁頂、底板預應力損失終值在6%以內，焊釘時變剛度對預應力損失終值的影響在1%以內.結合段混凝土抗裂安全儲備削弱，其抗裂設計宜考慮徐變效應.