兩類鐵路斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段受力性能對比

施 洲，顧家昌，高 貴，楊仕力，寧伯偉

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031； 2.武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，武漢 430200； 3.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430056)

引言

混合梁斜拉橋主梁沿縱橋向采用不同材料，通常主、邊跨分別采用鋼、混凝土材料，具有剛度大、跨越能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的大跨徑公路橋梁中，如多多羅大橋、俄羅斯島大橋、鄂東長江大橋等[1-3]。目前，混合梁斜拉橋在鐵路中的應(yīng)用相對較少[4-7]，但自寧波鐵路樞紐甬江特大橋建成以來，混合梁斜拉橋在鐵路橋梁中的應(yīng)用正不斷發(fā)展。

鋼混結(jié)合段作為混合梁斜拉橋主梁兩種材料的連接部件并傳遞主梁內(nèi)力，其受力與傳力特性直接關(guān)系到橋梁的安全與耐久性。霍志剛等[8]采用ANSYS軟件詳細(xì)模擬了結(jié)合段鋼格室、承壓板、剪力釘及PBL連接件的構(gòu)造，并對鋼格室與混凝土間的滑移進(jìn)行了分析。為探究混合梁鋼混結(jié)合段的剛度分布，劉凱等[9]以石首長江公路大橋?yàn)楣こ瘫尘埃⑷珮蛴邢拊Ｐ瓦M(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，采用不灌注混凝土的純鋼格室順橋向剛度分布更為合理。針對鋼混結(jié)合段承載能力與傳力特性，陳開利等[10]采取模型試驗(yàn)對桃夭門大橋進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼混結(jié)合段具有足夠的承載能力。黃彩萍等[11]針對武漢二七長江大橋，通過1∶3的縮尺模型試驗(yàn)考察了荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)鋼混結(jié)合段具有足夠的承載能力。張仲先等[12]采用試驗(yàn)手段對南昌英雄大橋鋼混結(jié)合段的傳力機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，混凝土的密實(shí)性直接影響結(jié)合段的傳力性能，密實(shí)性越好傳力越均勻，結(jié)構(gòu)越安全。周陽等[13-14]采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析相結(jié)合的方式對國內(nèi)首座鐵路混合梁斜拉橋—甬江特大橋進(jìn)行了等效分析，結(jié)果表明，結(jié)合段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足變形及承載力的要求。YANG S等[15]以深茂鐵路潭江特大橋?yàn)楸尘埃瑢Y(jié)合段的受力與變形性能進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，結(jié)合段具有足夠的剛度與抗彎承載力，滿足高速列車行駛要求。目前，鋼混結(jié)合段的研究主要集中在公路橋梁[16-19]，且已取得較好的成果，而鐵路混合梁斜拉橋的鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式相對較少[20]，相關(guān)研究資料更少。因此，以寧波鐵路樞紐甬江特大橋及安九鐵路鳊魚洲長江大橋[21]為工程背景，采用數(shù)值分析手段對比兩類不同鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式的受力與傳力性能。

1 兩類鐵路鋼混結(jié)合段形式及有限元模型

1.1 鐵路鋼混結(jié)合段特點(diǎn)

混合梁斜拉橋在公路斜拉橋中應(yīng)用較為廣泛，其結(jié)合段長度通常在1.5～2.0 m，且采用等高度鋼格室，結(jié)合段兩側(cè)的剛度過渡段長度也較短，因而，公路結(jié)合段剛度變化較大。混合梁斜拉橋在鐵路斜拉橋中的應(yīng)用較少，主要原因在于：①鐵路活載大，以跨度468 m為例，雙線鐵路ZKH豎向靜荷載相當(dāng)于6車道“公路-Ⅰ級”豎向靜荷載的4.33倍；②動力效應(yīng)顯著，對各個(gè)構(gòu)件的疲勞性能及耐久性要求較高；③對橋梁線路平順及整體剛度要求較高。因而，鐵路鋼混結(jié)合段必然更加復(fù)雜，以適應(yīng)鐵路荷載作用。相較于公路鋼混結(jié)合段，現(xiàn)有少量鐵路斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段長度普遍在4.0～7.35 m，且結(jié)合段內(nèi)剪力連接件更多，兩側(cè)剛度過渡段也相對較長。

1.2 鋼混結(jié)合段構(gòu)造形式對比

甬江特大橋?yàn)槲覈鬃罂缍辱F路專用箱形混合梁斜拉橋，橋跨布置為(53+50+50+66+468+66+50+50+53) m，為雙線貨運(yùn)鐵路斜拉橋。主梁全寬21.0 m，梁高5.0 m，主跨中部419 m為鋼箱梁，兩側(cè)各243.5 m為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，兩處結(jié)合段均位于主跨內(nèi)距塔24.5 m。結(jié)合段長7.35 m(包含4.05 m的變高度鋼格室段和3.3 m的插入混凝土段)，為有格室前后承壓板形式，前后承壓板分別厚60，28 mm，預(yù)應(yīng)力筋分散錨固在前后承壓板上。結(jié)合段兩側(cè)分別布置5.0 m鋼梁剛度過渡段和1.7 m混凝土梁剛度過渡段，如圖1所示(以下稱作“長結(jié)合段”)。

圖1 甬江特大橋鋼混結(jié)合段構(gòu)造(單位：cm)

鳊魚洲長江大橋?yàn)槲覈鬃咚勹F路箱形混合梁斜拉橋，橋跨布置為(2×50+224+672+174+3×50) m，為四線高速鐵路斜拉橋。主梁全寬32.2 m(不包含風(fēng)嘴)，鋼梁頂板上澆筑一層15 cm厚混凝土層，主梁全高4.94 m。全橋共設(shè)置兩處鋼混結(jié)合段，分別位于227 m跨、174 m跨輔助墩附近。結(jié)合段長度均為2.0 m，為無格室后承壓板形式，承壓板厚60 mm，結(jié)合段鋼頂板頂?shù)酌妗⒌装屙斆婢O(shè)置φ22 mm×150 mm的剪力釘，并設(shè)置1.7 m長的PBL錐形開孔板插入混凝土中。鋼梁剛度過渡段和混凝土梁剛度過渡段分別長6.0，16.0 m。為使承壓板和混凝土梁能夠緊密貼合，結(jié)合段共設(shè)置120束預(yù)應(yīng)力筋，且通過加強(qiáng)在鋼梁剛度過渡段內(nèi)錨固構(gòu)造，其構(gòu)造如圖2所示(以下稱作“短結(jié)合段”)。兩類鐵路鋼混結(jié)合段構(gòu)造細(xì)節(jié)對比如表1所示，兩類結(jié)合段結(jié)構(gòu)組成及傳力方式基本相似，但構(gòu)造細(xì)節(jié)上的差別導(dǎo)致傳力特點(diǎn)有所差異。

表1 兩類鐵路鋼混結(jié)合段構(gòu)造細(xì)節(jié)對比

圖2 鳊魚洲長江大橋鋼混結(jié)合段構(gòu)造(單位：cm)

1.3 有限元模型

甬江橋中鋼結(jié)構(gòu)為Q345qD，混凝土為C60補(bǔ)償收縮混凝土，鳊魚洲橋中鋼結(jié)構(gòu)為Q370qE，混凝土等級為C55。有限元模型中使用線彈性關(guān)系來模擬材料的本構(gòu)關(guān)系，其中，鋼材彈性模量取206 GPa，C60混凝土和C55混凝土彈性模量分別取36.0，35.5 GPa。既有研究結(jié)果表明[9-12]，由于鐵路橋梁安全系數(shù)一般較大(>1.5)，采用線彈性關(guān)系能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的受力行為。

充分考慮圣維南原理后，甬江橋節(jié)段模型總長42.35 m，包含20 m鋼梁，7.35 m結(jié)合段，15 m混凝土梁；鳊魚洲橋節(jié)段模型總長39 m，包含18 m鋼梁，2 m結(jié)合段，19 m混凝土梁段。有限元模型中，鋼結(jié)構(gòu)采用SHELL63單元進(jìn)行模擬，混凝土采用8節(jié)點(diǎn)SOLID45單元進(jìn)行模擬，剪力釘及PBL連接件采用梁單元BEAM44進(jìn)行模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用LINK8單元進(jìn)行模擬。為避免出現(xiàn)畸形單元，相鄰單元尺寸相差不超過1倍，其中，結(jié)合段中鋼結(jié)構(gòu)、混凝土、剪力連接件、預(yù)應(yīng)力筋等單元尺寸在40～60 mm，其余節(jié)段單元尺寸在80～100 mm。

有限元模型均采用一端約束，一端自由的懸臂約束方式，即約束模型混凝土端截面所有節(jié)點(diǎn)的自由度形成錨固端，并在鋼結(jié)構(gòu)端截面形心建立主節(jié)點(diǎn)，使之與鋼結(jié)構(gòu)端截面所有節(jié)點(diǎn)耦合形成局部剛域，并用以加載，有限元模型如圖3所示。模型加載計(jì)算中，分別提取全橋有限元模型計(jì)算中鋼混結(jié)合段兩側(cè)最不利組合內(nèi)力：最不利正彎矩、最不利負(fù)彎矩等組合工況進(jìn)行計(jì)算。

圖3 有限元分析模型(單位：m)

2 兩類鋼混結(jié)合段受力對比與分析

2.1 鋼結(jié)構(gòu)受力特性對比分析

兩類鋼混結(jié)合段的仿真分析結(jié)果表明，最大正、負(fù)彎矩工況下結(jié)合段具有相似的應(yīng)力分布規(guī)律及傳力性能[11-12]，但限于篇幅，以最大正彎矩工況下兩類鋼混結(jié)合段頂部的應(yīng)力分布規(guī)律為例，對比分析兩類鋼混結(jié)合段的受力特性。其中，鋼頂板Z1、Z2剖面處的應(yīng)力沿縱橋向的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示，圖中縱向截面的具體位置分別見圖1(a)、圖2(a)，橫坐標(biāo)以承壓板所在截面為原點(diǎn)，混凝土梁方向?yàn)檎较颉Ｓ捎陴卮髽驗(yàn)殡p線鐵路，鳊魚洲長江大橋?yàn)樗木€鐵路，主梁內(nèi)力差異較大，因而不對應(yīng)力量值做對比分析，僅對比兩類結(jié)合段的應(yīng)力分布規(guī)律。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力縱向分布情況對比

如圖4(a)所示，Z2截面應(yīng)力明顯大于Z1截面，表明鋼梁頂面在橫向分布不均勻，即剪力滯現(xiàn)象明顯。由于在長結(jié)合段剛度過渡段鋼梁截面面積不斷增大，鋼梁剛度過渡段應(yīng)力不斷減小，鋼梁順橋向最大壓應(yīng)力為56.8 MPa。在靠近后承壓板時(shí)，鋼梁應(yīng)力有明顯增加，表明鋼梁剛度過渡段與后承壓板連接位置存在一定的應(yīng)力集中。在結(jié)合段，鋼梁應(yīng)力沿縱向不斷減小，表明鋼梁通過結(jié)合段將內(nèi)力順暢傳遞給混凝土梁。在前承壓板前后，應(yīng)力量值變化較小，表明前承壓板對傳力影響較小。

如圖4(b)所示，短結(jié)合段在鋼梁剛度過渡段，z1截面應(yīng)力明顯大于中箱z2截面，表明在鋼梁段呈現(xiàn)出明顯的以邊箱受力為主的受力特征，橫向應(yīng)力分布更為不均勻，剪力滯效應(yīng)更為顯著。隨著鋼梁過渡段頂?shù)装寮觿爬呓孛婷娣e不斷增加，邊箱z1截面和中箱z2截面應(yīng)力變化不斷下降，鋼梁順橋向最大壓應(yīng)力為96.9 MPa。在預(yù)應(yīng)力錨固位置，由于張拉了預(yù)應(yīng)力，鋼頂板應(yīng)力甚至出現(xiàn)了明顯上升。鋼梁靠近承壓板位置，應(yīng)力有明顯的增加，表明短結(jié)合段鋼梁剛度過渡段與承壓板連接位置也存在一定的應(yīng)力集中。在承壓板前后，鋼頂板應(yīng)力出現(xiàn)了明顯下降，表明承壓板對結(jié)合段縱向傳力影響較大。在結(jié)合段內(nèi)，鋼梁應(yīng)力縱向分布曲線的斜率明顯大于長結(jié)合段，但未出現(xiàn)應(yīng)力突變。由于邊箱對應(yīng)的是混凝土箱梁的邊腹板，因而邊箱應(yīng)力沿縱向下降得更加迅速。

兩類鋼混結(jié)合段對比可見，兩者在縱向、橫向的應(yīng)力分布規(guī)律基本相似；長結(jié)合段后承壓板及短結(jié)合段承壓板處均存在應(yīng)力突變，表明承壓板直接向混凝土集中傳力；長結(jié)合段由于鋼混連接部更長，其傳力更加平順；短結(jié)合段應(yīng)力傳遞范圍短但無顯著應(yīng)力突變及應(yīng)力集中。

2.2 混凝土受力特性對比分析

在最大正彎矩工況下，兩類鋼混結(jié)合段頂板混凝土應(yīng)力縱向分布如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)以承壓板所在截面為原點(diǎn)，混凝土梁方向?yàn)檎较颉?/p>

圖5 混凝土應(yīng)力縱向分布情況對比

如圖5(a)所示，長結(jié)合段中混凝土梁也呈現(xiàn)出中箱Z2截面應(yīng)力大于邊箱Z1截面應(yīng)力的規(guī)律。由于長結(jié)合段中混凝土梁截面面積先不斷增大，后保持不變，再減小，因而混凝土應(yīng)力呈現(xiàn)出基本不變再不斷增加的趨勢，整個(gè)結(jié)合段中混凝土順橋向最大壓應(yīng)力為11.5 MPa。如圖5(b)所示，短結(jié)合段混凝土應(yīng)力縱向分布規(guī)律與鋼結(jié)構(gòu)較為相似。沿橫向也呈現(xiàn)出以邊箱受力為主的特征。在鋼梁剛度過渡段，由于頂?shù)装寮觿爬呓孛婷娣e增加和預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，混凝土層應(yīng)力沿縱向先減小后增加，整個(gè)結(jié)合段中混凝土順橋向最大壓應(yīng)力為15.4 MPa。由于鋼箱梁邊箱對應(yīng)的位置為混凝土箱梁的邊腹板，因而結(jié)合段混凝土應(yīng)力在邊箱位置減小得更為明顯，在混凝土梁過渡段，邊箱z1截面應(yīng)力也小于中箱z2截面。兩類鋼混結(jié)合段應(yīng)力頂板受力均與鋼頂板受力類似。

2.3 剪力連接件受力對比分析

分別提取了長結(jié)合段和短結(jié)合段頂部剪力連接件最大正彎矩工況下的剪應(yīng)力，結(jié)果如圖6所示，橫坐標(biāo)以承壓板所在截面為原點(diǎn)，混凝土梁方向?yàn)檎较颉深惤Y(jié)合段剪力連接件剪應(yīng)力分布模式較為相似，沿縱向呈現(xiàn)出兩頭大，中間小的規(guī)律，表明結(jié)合段中沿縱向每層剪力連接件分擔(dān)的荷載是不同的，設(shè)計(jì)過程中需考慮這種不均勻性。由于承壓板限制了相對位移的發(fā)生，導(dǎo)致結(jié)合段遠(yuǎn)離承壓板位置附近剪力連接件的剪應(yīng)力大于結(jié)合面附近剪力連接件的剪應(yīng)力。兩類鐵路鋼混結(jié)合段中，剪力釘剪應(yīng)力均大于PBL連接件穿孔鋼筋的剪應(yīng)力，原因在于PBL連接件的混凝土榫也分擔(dān)了一部分荷載，使穿孔鋼筋承擔(dān)的荷載相對較小。

圖6 剪力連接件剪應(yīng)力情況對比

3 兩類鋼混結(jié)合段傳力特性對比分析

3.1 傳力路徑分析

鋼混結(jié)合段作為連接鋼梁和混凝土梁的重要構(gòu)件，其構(gòu)造較為復(fù)雜，鋼梁段巨大的內(nèi)力將通過結(jié)合段平順地傳遞給混凝土梁。鋼梁傳遞過來的內(nèi)力主要通過承壓板直接承壓、剪力連接件傳剪、鋼頂?shù)装褰缑骛そY(jié)力等方式傳遞給混凝土梁，如圖7所示，結(jié)合段傳力路徑主要有4條，即路徑R1、R2、R3、R4，其中，直接承壓和端部承壓均以鋼板和混凝土直接接觸的方式進(jìn)行內(nèi)力傳遞，剪力釘和PBL以界面剪力傳遞的方式完成內(nèi)力傳遞。

圖7 鋼混結(jié)合段傳力路徑

3.2 傳力特性分析

在最大正彎矩工況下，多個(gè)截面上對鋼構(gòu)件的正應(yīng)力進(jìn)行積分，可得到各構(gòu)件所傳遞的軸力情況，結(jié)果如圖8所示，其中，傳力比為各構(gòu)件傳遞的軸力與截面總軸力的比例。由圖8(a)可見，甬江特大橋長結(jié)合段各鋼構(gòu)件傳力比沿縱向逐漸減小，最終降為0，表明內(nèi)力由鋼梁通過結(jié)合段平穩(wěn)地傳遞給混凝土梁。在鋼混結(jié)合面，頂?shù)装搴透拱骞矀鬟f36.3%的軸力，這部分軸力將主要通過布置在頂?shù)装濉⒏拱鍍?nèi)側(cè)的剪力釘傳遞給混凝土(即路徑R2)；開孔板共傳遞29.8%的軸力，這部分軸力將主要通過PBL連接件進(jìn)行傳遞(即路徑R3)；剩余約33.9%的軸力將通過后承壓板直接傳遞給混凝土(即路徑R1)。由于有限元模型中未模擬鋼和混凝土的粘結(jié)作用，因而無法獲得路徑R4的傳力比。在實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)過程中，不考慮路徑R4的傳力作用，僅將其作為安全儲備考慮[10]。

鳊魚洲長江大橋鋼梁剛度過渡段頂?shù)装寮觿爬吒叨戎饾u增加，腹板加勁肋截面面積也不斷增加，因此，在鋼梁剛度過渡段內(nèi)，頂?shù)装鍌髁Ρ戎饾u減小，而頂?shù)装寮觿爬邆髁Ρ戎饾u增加。由于鳊魚洲長江大橋呈現(xiàn)出邊箱受力為主的特征，因此，邊箱腹板傳力比變化較小。由圖8(b)可見，在鋼梁剛度過渡段起始位置，頂?shù)装濉㈨數(shù)装寮觿爬摺⒏拱寮案拱謇邆髁Ρ确謩e為49.1%，20.7%，17.0%，6.5%，即頂部混凝土層可傳遞約6.7%的軸力，且隨著頂?shù)装謇摺⒏拱謇呓孛婷娣e的增加，混凝土層的傳力比逐漸下降。各構(gòu)件傳力比沿縱向變化較為緩慢，表明這種結(jié)合段構(gòu)造傳力較為順暢。在鋼混結(jié)合面，頂?shù)装骞矀鬟f18.3%的軸力，這部分軸力將主要通過剪力釘傳遞給混凝土(即路徑R2)；腹板和頂?shù)装寮觿爬吖矀鬟f26.8%的軸力，這部分軸力將主要通過PBL連接件進(jìn)行傳遞(即路徑R3)；頂板混凝土層約傳遞4.5%的軸力，而剩余約48.6%的軸力將通過承壓板和混凝土梁的直接承壓作用進(jìn)行傳遞(即路徑R1)。

圖8 兩類結(jié)合段鋼構(gòu)件軸力傳遞情況

兩類鋼混結(jié)合段對比可知，由于長結(jié)合段長度約為短結(jié)合段的3.7倍，長結(jié)合段中沿縱向剪力釘層數(shù)多于短結(jié)合段，因而，長結(jié)合段通過剪力釘(即路徑R2)傳遞的軸力大于短結(jié)合段，結(jié)合段傳力也更加平緩。雖然長結(jié)合段中PBL剪力連接件層數(shù)大于短結(jié)合段，但兩類結(jié)合段通過PBL剪力連接件(即路徑R3)傳遞的軸力僅差3%，這是由于PBL剪力連接件屬于剛性連接件，其相對滑移較小。此外，由于短結(jié)合段傳力距離較短，因而通過承壓板的直接承壓作用傳遞的軸力比例比長結(jié)合段高14.6%。從各構(gòu)件傳力比例的斜率變化情況來看，兩類鐵路鋼混結(jié)合段的內(nèi)力傳遞都較為順暢，未出現(xiàn)明顯突變，表明兩類結(jié)合段的傳力性能均能滿足要求。由于長結(jié)合段傳力長度更長，傳力更均勻；短結(jié)合段傳力范圍小，傳力較為迅速，但構(gòu)造相對更簡單。

4 結(jié)論

針對大跨度高速鐵路長短鋼混結(jié)合段受力、傳力及結(jié)構(gòu)形式的分析，得出以下結(jié)論。

(1)長、短結(jié)合段在最不利工況下整體均處于受壓狀態(tài)，且應(yīng)力水平較低，順橋向鋼梁與混凝土梁壓應(yīng)力分別小于56.8，11.5 MPa和96.9，15.4 MPa，滿足承載力要求。

(2)兩類鋼混結(jié)合段在縱向的應(yīng)力分布規(guī)律基本相似；長結(jié)合段后承壓板及短結(jié)合段承壓板處均存在應(yīng)力突變，表明承壓板直接向混凝土集中傳力；縱向正應(yīng)力沿橫向分布均存在顯著的不均勻性，表明結(jié)合段中均存在明顯的剪力滯現(xiàn)象。

(3)兩類鐵路鋼混結(jié)合段的剪力連接件受力均呈現(xiàn)出不均勻現(xiàn)象，呈馬鞍形分布，結(jié)合段遠(yuǎn)離鋼梁端的剪力連接件受力最大。

(4)長結(jié)合段通過直接承壓作用(即路徑R1)、剪力釘抗剪作用(即路徑R2)、PBL抗剪作用(即路徑R3)分別傳遞33.9%，36.3%，29.8%，而短結(jié)合段則分別傳遞48.6%，18.3%，26.8%，表明結(jié)合段長度及剪力釘數(shù)量等設(shè)計(jì)參數(shù)將影響內(nèi)力的分配。

(5)長短鋼混結(jié)合段受力及傳力分析表明，長結(jié)合段傳力長度更長，傳力更均勻；短結(jié)合段傳力范圍小，傳力較為迅速，但構(gòu)造相對更簡單。兩類鐵路鋼混結(jié)合段均能夠滿足承載力及剛度要求。