空間剛架結構鋼-混結合段合理構造模型試驗和數值模擬研究

蘇小波，肖 林

(1. 招商局重慶交通科研設計院有限公司 重慶 400067； 2. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

鋼-混組合結構是將鋼材和混凝土兩種不同特性的材料利用剪力連接件結合在一起的結構形式，充分利用鋼材的高抗拉強度和混凝土的高抗壓強度，以達到發揮材料最大性能的目的。隨著我國橋梁建設事業的飛速發展，組合結構的優勢在橋梁工程中得到了廣泛的應用和發展，如鄂東長江大橋[1-2]、嘉魚長江大橋[3]均采用了主跨鋼箱梁、邊跨混凝土箱梁的混合梁結構形式；青山長江大橋[4]則采用主跨鋼箱梁、邊跨疊合梁的結構形式；南京長江三橋[5]、長江五橋等均采用了組合式橋塔；菜園壩長江大橋、新光大橋在主拱圈和Y形剛構連接處采用了組合式節點。此外，鋼管混凝土也是近年來在大跨度橋梁上常采用的一種組合結構形式。

某空間剛架結構橋，是高速鐵路中一座特大雙線橋梁，位于半徑4 000 m平曲線上，橋梁全長124.65 m，剛架結構分為5片布置，每片跨度32 m。該結構跨越既有5線鐵路，采用工字型鋼縱橫梁和混凝土側墻組成的組合結構。其中，橫梁高3 m、縱梁高1.2 m，縱橫梁與混凝土板組成橋面系，采用栓釘連接；側墻寬2.5 m，沿條形承臺通長布置，在外側包裹鋼板，并開門式孔洞以減輕自重和便于采光；線路走向與橋梁軸向呈20°角斜交，樁長均為40 m。全橋布置見圖1。

圖1 空間剛架結構全橋布置(單位：cm)

橫梁與側墻連接處形成鋼-混結合段，側墻內填充C35混凝土，橫梁在結合段內延伸至外側鋼板處并與之焊接，以增強連接的可靠性。結合段內橫梁的上、下翼緣兼做承壓板傳遞荷載，鋼板內側布置剪力釘和PBL剪力鍵。橫梁和側墻連接構造見圖2。

該橋結構新、跨度大、設計時速高，加之該鋼-混結合段的構造較少見，受力特點和荷載傳遞規律不是很明確。基于對結構的安全性、耐久性的較高要求，筆者通過靜載試驗和有限元分析，對鋼-混結合段的傳力機理進行研究，并探討了其合理構造形式，為類似結構的設計研究提供參考。

圖2 鋼-混結合段布置

1 鋼-混結合段受力特點研究

1.1 模型試驗

根據“應力等效”原則，選取實橋中橫梁與側墻連接的一個標準段設計了1∶2 大比例節段模型，開展了靜載試驗。模型制作采用了與實橋相同的材料，并委托實橋鋼結構制作單位加工模型，保證模型與實橋的加工工藝相同。結合場地布置條件，將試驗模型的側墻底端固結、橫梁支撐端簡支，力學模型可簡化為一次超靜定梁,如圖3。

圖3 簡化的力學模型

圖3中:x為根據場地錨固及加載條件確定的加載點距離梁端距離,x=1.625 m；L為選取的橫梁長度，L=4.75 m。根據結構力學方法可得到錨固端彎矩和剪力的表達式，如式(1)：

(1)

提取全橋整體分析模型中對應截面在主力+附加力組合的最大梁端截面正應力σ=49.5 MPa和最大剪應力τ=13.8 MPa，由公式σ=M/W和τ=VS/twIz可分別計算得到錨固端截面在等效彎曲應力作用下的模型加載荷載P1=881 kN、等效剪切應力作用下的載荷載P2=548 kN。為安全起見，取試驗加載荷載P=881 kN。圖4是鋼-混結合段試驗模型。

圖4 鋼-混結合段試驗模型

模型測點布置示意見圖5。圖5中：GA～GD為鋼筋應力測點；PA～PD為鋼板應力測點；VA～VD為混凝土應力測點；RSA～RSD為相對滑移測點。測點在豎向分層布置，鋼板和PBL剪力鍵貫穿鋼筋的測點按剪力鍵的位置從上至下依次布置23層。混凝土測點每3層布置一個，共8層。

圖5 模型測點布置示意

1.2 有限元分析

采用大型通用有限元軟件，建立了考慮接觸非線性和剪切剛度的精細有限元模型。其中，鋼板采用殼單元，混凝土采用實體單元建立，在鋼板和混凝土之間覆蓋接觸單元[6]模擬二者的相互關系；模型內PBL貫穿鋼筋采用梁單元模擬，與混凝土之間采用彈簧連接[7-8]，彈簧剛度K取900 kN/mm，依據相關推出試驗結果[9-11]得出；由于數量有限，栓釘剪力鍵作為一種安全儲備，未在模型中加以考慮。采用映射網格劃分有限元模型，未見單元畸變產生。有限元模型的邊界條件與假定相同，即側墻底部固結、橫梁端部鉸接。荷載的加載點與試驗方案一致，加載荷載取881 kN。圖6是有限元模型。

圖6 鋼-混結合段有限元模型

1.3 受力特點研究

圖7是各主要測點的計算值和實測值對比情況。筆者僅列出各構件中應力水平最高的結合段內側C列測點結果。由圖7可以看出：鋼板和剪力鍵的理論值和實測值吻合情況較好，混凝土測點存在較大誤差但規律一致。其主要原因是其自身應力水平較低，受振弦傳感器自身誤差的影響導致相對誤差較大。圖8是結合段范圍內不同測點位置混凝土豎向應力積分值的增量，代表該處構件自身傳遞的豎向荷載大小。對結果進行分析，得到鋼-混結合段的主要受力特點如下：

1)鋼板、混凝土和剪力鍵的應力在結合段(距頂部0～1.5 m)范圍內大致呈線性分布，在側墻范圍(距頂部1.5～3 m)內趨于均勻，應力水平不再增加，說明鋼混結合段部分的主要荷載已在結合段內部傳遞完成，結合段下部(側墻范圍內)剪力連接件的作用已經不明顯。

2)內側鋼板和PBL剪力鍵的最大應力發生在上翼緣(上承壓板)處，主要原因是受壓-彎作用，內側鋼板和混凝土的剝離作用最為顯著，因此剪力鍵應力值也最大。隨著距頂部距離的增加，鋼板和剪力鍵應力呈線性遞減，說明結合段受力在彈性階段。

3)結合段范圍內累計傳遞豎向荷載為403 kN，占梁端剪力Q[Q=744 kN，按2.1節式(1)計算]的54.2%，剩余部分直接由側墻鋼板傳遞。其中，上承壓板傳遞豎向荷載87 kN，占梁端剪力的11.7%；下承壓板傳遞豎向荷載117 kN，占梁端剪力的15.7%，下承壓板的作用略高于上承壓板。

圖7 主要構件測點理論值和實測值對比

圖8 傳力構件承擔的豎向荷載

4)承壓板累計傳遞豎向荷載204 kN，PBL剪力鍵累積傳遞豎向荷載199 kN，分別占梁端剪力的50.6%和49.4%，說明承壓板和PBL剪力鍵的匹配設計合理，各自傳剪約占一半。除了頂層和底層外，其余各層剪力鍵傳遞豎向荷載值均為15 kN左右，剪力鍵在結合段內可按均勻受力考慮。

2 參數分析

在模型試驗和數值分析的基礎之上，為了進一步研究PBL剪力鍵剪切剛度和構造細節對傳力性能的影響，作者對比了不同條件下鋼-混結合段的應力分布規律和受力特點。

2.1 剪力鍵剪切剛度的影響

圖9是在不同剪切剛度下，結合段內側C列測點鋼板和混凝土的豎向正應力σz隨高度變化的曲線。由圖9可以看出：鋼板的應力大小隨剪切剛度的增加交替變化，沒有特別顯著的規律；混凝土的應力水平則隨剛度的增加略有增大，當剛度增加至5K以上時，曲線間的差異已非常微小。總體而言，剪切剛度的變化對鋼板和混凝土應力的分布規律和應力大小的影響均很有限。

圖9 不同剪切剛度下主要構件的測點正應力σz分布曲線

圖10是不同剪切剛度下由應力積分得到的不同截面處混凝土的壓力值曲線，該曲線描述了豎向荷載的傳遞值過程。圖10表明：剪切剛度越大、曲線斜率越大，即每根PBL剪力鋼筋承擔的豎向荷載也越大；截面壓力曲線在第7層剪力鍵(即結合段中部)首次交匯，在該截面由承壓板和剪力鍵傳遞的豎向荷載總量相等；曲線的第二個交匯點在下承壓板處，說明雖然剪力鍵的剛度有所改變，但結合段內剪力鍵和承壓板承擔的荷載總量基本保持不變。

圖10 不同剪切剛度下各層剪力鍵處的混凝土截面壓力

圖11是各層構件自身承擔的荷載大小。由圖11 可見，剪力鍵承擔的荷載與剪切剛度正相關，剛度越大，剪力鍵承載的荷載也越大，翼緣板分擔的荷載比例也相應減小。

圖11 不同剪切剛度下各層剪力鍵承擔的豎向荷載

圖12給出了不同剪切剛度下，各類構件承擔的荷載總量對比情況。由圖12可知：PBL剪力鍵承擔的荷載比例隨剪切剛度的增大顯著增加，當剛度增加至5K以上時，變化才不明顯；承壓板承擔的荷載比例則隨剪切剛度的增加相應減少，側墻部分承擔的荷載比例隨剛度的增大略有降低，但不顯著，表明剪切剛度的變化僅對結合段內的荷載分布有較大影響；在原設計下，承壓板、剪力鍵和側墻3部分分擔的荷載比例大致相當，結合段剛度過渡較為平順。

圖12 不同剪切剛度下構件承擔的豎向荷載

2.2 構造細節的影響

為了進一步量化結合段內上、下承壓板的作用，研究了不同構造細節下的結合段受力特點。圖13是不同構造細節下主要構件測點的豎向正應力分布曲線。對比圖9可知：在結合段內，板件設置的越多，內側鋼板和混凝土測點應力水平越高，且上承壓板對結合段內側鋼板的應力影響明顯大于下承壓板；在側墻范圍內，取消承壓板將導致鋼板應力水平提高、混凝土應力下降，原因在于上翼緣和側墻鋼板能有效形成剛性框架，若取消翼緣板，則消減框架剛度，結合段內單個PBL剪力鍵承擔的荷載將增加，但總荷載小于原方案承壓板和剪力承擔的豎向荷載總和，剩余荷載交由側墻承擔。

圖13 不同構造細節下主要構件的測點正應力σz分布曲線

圖14是結合段內側鋼板的豎向正應力分布云圖。由圖14可知：上翼緣的設置與否對鋼板應力分布影響顯著，若只取消上翼緣，鋼板的應力分布則變得均勻；若只取消下翼緣，則鋼板應力分布變化不明顯。其原因在于上翼緣與側墻鋼板形成的框架效應明顯，若取消上翼緣，原本由上翼緣承擔的荷載轉由剪力鍵承擔，由于剪力鍵相對側墻鋼板的剛度發生變化，應力分布也隨之變化；而下翼緣板通過方孔穿出，與側墻內側鋼板并無連接，下翼緣取消與否只影響剪力鍵的荷載，對鋼板無影響。另外一個原因是上翼緣和側墻連接的地方存在較為明顯的應力集中現象，若取消上翼緣，應力集中現象亦能得到大幅改善。在結合段底部孔洞周邊也出現了應力集中現象。但相比材料的設計強度而言，應力集中值較小，不影響結構設計。

圖15是結合段內不同構件各自承擔的豎向荷載。由圖15可見，承壓板的設置僅對自身傳遞豎向荷載產生影響，對各層PBL剪力鍵自身承擔的荷載值影響有限。在不設承壓板的位置，原本由承壓板承擔的豎向荷載為零，此部分荷載將轉換到側墻之上。

圖14 不同構造細節下內側鋼板豎向正應力σz云圖(單位：MPa)

圖15 不同構造細節下構件自身傳遞的豎向荷載

圖16是承壓板、剪力鍵和側墻各自累計承擔的豎向荷載。由圖16可見，不同構造細節下，PBL剪力鍵累計承擔的荷載總量較原方案變化不大。原來由翼緣板承擔的部分荷載主要轉由側墻承擔，在無承壓板構造下，剪力鍵承擔的荷載才略有增加。說明承壓板能降低PBL剪力鍵的荷載水平，但程度有限；其主要作用是分擔側墻部分承擔的豎向荷載，此與剪力鍵的作用不同。

圖16 不同構造細節下構件自身承擔的豎向荷載

3 結 論

通過大比例節段模型試驗，研究了某空間剛架結構鋼-混結合段的主要受力特點，探討了不同構造細節和PBL剪力鍵不同剪切剛度對結合段受力性能的影響，主要結論如下：

1)在結合段內部，鋼板、剪力鍵和混凝土的豎向應力基本呈線性分布。頂部剪力鍵承擔的豎向荷載最大，在結合段中間區域較為均勻，底部剪力鍵的作用相對最小。

2)上、下翼緣板(承壓板)承擔的豎向荷載占比分別為11.7%和15.7%，下承壓板的作用略高于上板。結合段內承壓板和PBL剪力鍵累計承擔的豎向荷載約各占一半。

3)剪切剛度的大小只影響結合段內部的荷載分配，對側墻的影響有限。結合段內PBL剪力鍵承擔的豎向荷載大小和剪切剛度正相關，但剪力鍵剛度的變化基本不改變結合段傳遞的豎向荷載總值。

4)承壓板的設置可在一定程度上降低PBL剪力鍵的荷載水平，但作用有限。與剪力鍵的作用不同，承壓板的主要作用是分擔側墻部分承擔的豎向荷載。

5)原設計方案基本實現了承壓板、PBL剪力鍵和側墻均勻分擔豎向荷載。剪力鍵的剛度和承壓板的設置較合理，但作用各有不同。將承壓板和一定數量的剪力鍵配合使用方可達到較好的效果。