桁腹式組合連續(xù)梁對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)受力性能研究★

孫宇佳

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

桁腹式組合梁是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)混凝土箱形截面相比，采用桁式腹桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)箱梁的混凝土腹板，形成預(yù)應(yīng)力混凝土頂板和底板聯(lián)合桁式腹桿受力的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的頂?shù)装迮c傳統(tǒng)箱形截面類似，配置預(yù)應(yīng)力鋼束，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)與鋼腹桿連接成為整體受力，有效降低了箱梁自重，提高了主梁的跨越能力，解決了混凝土腹板裂縫問(wèn)題，并且具有很好的景觀效果。由于鋼結(jié)構(gòu)部分可以采用預(yù)制拼裝，不用像傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)需要立模澆筑，大大提升了施工效率，縮短了建設(shè)周期。

1 桁腹式組合連續(xù)梁設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

銀西鐵路咸陽(yáng)渭河特大橋由于設(shè)計(jì)邊界條件復(fù)雜，景觀要求較高，擬設(shè)計(jì)采用3×60 m桁腹式組合梁橋，梁高設(shè)計(jì)采用6 m。橋梁為有砟高速鐵路橋梁，梁寬12.6 m，二期恒載178 kN/m，活載為雙線ZK荷載。如圖1所示為桁腹式組合梁橋采用的截面形式，其中底板均為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，腹桿為鋼桁結(jié)構(gòu)。由桁腹式組合梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，鋼腹桿與混凝土頂?shù)装宓倪B接節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)傳力的關(guān)鍵受力構(gòu)件，由于鐵路橋梁受力較大，橋梁采用了對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)。如圖2所示為對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的示意圖。

1.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

考慮桁腹式組合梁的受力特點(diǎn)，建立了全橋的有限元分析模型。采用梁格模擬頂?shù)装澹撹旄箺U則采用梁?jiǎn)卧A(yù)應(yīng)力鋼束根據(jù)橫向位置分別計(jì)入相臨的縱向主梁中，通過(guò)有限元模型主要分析節(jié)點(diǎn)用于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)的空間傳力規(guī)律；結(jié)構(gòu)頂板的剪力滯效應(yīng)；結(jié)構(gòu)橋面板的橫向效應(yīng)；結(jié)構(gòu)腹桿與混凝土腹板交界處的受力情況；預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。如圖3所示為全橋的有限元模型[1-2]。

1.3 分析結(jié)果

全橋的有限元分析結(jié)果表明，中支點(diǎn)邊跨側(cè)腹桿內(nèi)力最大，恒荷載作用下的腹桿軸力最大，為6 790 kN，主力作用下為9 719 kN，均為拉桿；中跨跨中處恒荷載作用下的腹桿軸力最小，為480 kN，主力作用下中跨跨中腹桿軸力2 078 kN，均為壓桿。受力最大腹桿設(shè)計(jì)采用的板厚為36 mm，計(jì)算得到腹桿的最大應(yīng)力為160 MPa。

因此本文為了研究對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的受力性能，針對(duì)采用的對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了1∶3的縮寫(xiě)尺比模型，并在試驗(yàn)開(kāi)展之前對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了有限元分析。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀邢拊治?/h2>

試驗(yàn)主要針對(duì)鋼桁腹桿組合節(jié)點(diǎn)開(kāi)展，選取組合節(jié)點(diǎn)周圍影響受力節(jié)段，腹桿與試驗(yàn)平臺(tái)鉸接連接，通過(guò)對(duì)混凝土弦桿施加水平推力，使得組合節(jié)點(diǎn)的腹桿分別為拉桿和壓桿，模擬組合節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力。本文所開(kāi)展試驗(yàn)采用了1∶3縮尺比[3-6]。

2.1 試驗(yàn)試件有限元模型的建立

通過(guò)有限元軟件分析節(jié)點(diǎn)的受力性能，由于對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)主要由鋼腹桿、節(jié)點(diǎn)板、剪力鍵、混凝土弦桿及弦桿中的普通鋼筋等部件構(gòu)成，模型建立時(shí)主要考慮了以下的邊界連接：普通鋼筋與混凝土弦桿的相互作用；混凝土內(nèi)置鋼節(jié)點(diǎn)板與混凝土弦桿的相互作用；PBL連接件與混凝土弦桿的相互作用；PBL連接件與內(nèi)置鋼節(jié)點(diǎn)板的相互作用；內(nèi)置鋼節(jié)點(diǎn)板與鋼腹桿的相互作用；鋼腹桿與鉸支座的相互作用(見(jiàn)圖4)。

模型鋼腹桿主要采用鉸接邊界，模擬試件腹桿與試驗(yàn)平臺(tái)的連接，通過(guò)在混凝土弦桿的加載端施加水平推力荷載，使得兩個(gè)腹桿分別受拉和受壓，從而使得節(jié)點(diǎn)區(qū)域最為接近結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀態(tài)。

2.2 有限元分析結(jié)果

如圖5所示為對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)有限元模型加載的荷載-位移曲線，其中的荷載為試件端部的加載值，位移為自由段的水平位移。

從圖5可知，當(dāng)加載在0 kN～3 000 kN之間時(shí)，對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線為直線，表明此時(shí)結(jié)構(gòu)處在彈性階段；當(dāng)加載在3 000 kN～4 000 kN時(shí)，對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線的斜率不斷變小出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)位移增長(zhǎng)速率逐漸變快，說(shuō)明對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了彈塑性階段，構(gòu)件逐漸屈服。通過(guò)分析荷載-位移曲線的拐點(diǎn)可知，加載到3 400 kN時(shí)對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)開(kāi)始屈服，可認(rèn)為3 400 kN為對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的屈服荷載。當(dāng)加載大于4 000 kN時(shí)，對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折，斜率陡然減小保持平穩(wěn)不變，此時(shí)對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)處于塑性硬化階段，位移增長(zhǎng)較快，增長(zhǎng)速率穩(wěn)定。當(dāng)加載大于5 148 kN，對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線出現(xiàn)下降段，表明對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)已經(jīng)接近破壞，達(dá)到了承載能力極限，因此將5 148 kN作為對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的極限承載力。

3 縮尺比模型試驗(yàn)

3.1 模型試驗(yàn)

對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)試件的腹桿與試驗(yàn)平臺(tái)采用銷軸連接，試件的加載端采用千斤頂進(jìn)行加載，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)自由端的位移計(jì)監(jiān)測(cè)水平位移，通過(guò)試件中布置的應(yīng)變片監(jiān)測(cè)各構(gòu)件的應(yīng)力變化。本次針對(duì)對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)一共開(kāi)展了3個(gè)試件的試驗(yàn)，如圖6所示為試驗(yàn)加載平臺(tái)及安裝到位準(zhǔn)備加載的試件[7-10]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

如圖7所示為3個(gè)試件混凝土弦桿自由端的荷載-位移曲線，由圖7可知，3個(gè)試件的荷載-位移曲線較為接近，對(duì)比可知，試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果基本吻合，荷載-位移曲線可以大致分為3個(gè)階段：荷載加載到3 200 kN之前，為組合節(jié)點(diǎn)彈性受力階段，此時(shí)的荷載位移曲線基本為線性且斜率不變。試驗(yàn)繼續(xù)加載到3 800 kN過(guò)程中的荷載位移曲線逐漸出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明節(jié)點(diǎn)的剛度逐漸降低，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了彈性階段；而隨著荷載的持續(xù)加載，位移隨著加載的速率持續(xù)變快，此時(shí)可以觀察到混凝土弦桿出現(xiàn)了裂縫，拼接板與腹桿連接的高強(qiáng)度螺栓出現(xiàn)明顯的滑移現(xiàn)象，表明組合節(jié)點(diǎn)逐漸進(jìn)入了塑性硬化階段。試驗(yàn)在加載到5 200 kN的荷載時(shí)，位移快速增長(zhǎng)，荷載很難繼續(xù)加載，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

如圖8所示為試驗(yàn)加載過(guò)程中混凝土弦桿開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖9所示為高強(qiáng)螺栓在試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的滑移。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，腹桿拉側(cè)拼接板出現(xiàn)徑縮，壓側(cè)拼接板出現(xiàn)面外失穩(wěn)，如圖10所示。

對(duì)比3個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果可知，組合節(jié)點(diǎn)的屈服荷載為3 200 kN，為設(shè)計(jì)荷載(1 080 kN，考慮1∶3的縮尺比)的2.96倍；3個(gè)試件的極限承載能力分別為5 000 kN，5 200 kN和5 000 kN，將5 000 kN作為試件的極限承載能力，為設(shè)計(jì)荷載的4.63倍，結(jié)果表明設(shè)計(jì)采用的對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)3×60 m桁腹式組合梁橋進(jìn)行受力分析，主要分析了鋼桁腹桿的受力，并針對(duì)設(shè)計(jì)采用的對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了1∶3的有限元分析和縮尺比模型試驗(yàn)，分析研究結(jié)果表明：

1)對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的承載力，可以適用于鐵路桁腹式組合連續(xù)梁的設(shè)計(jì)。2)對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的受力呈現(xiàn)明顯的彈性節(jié)段、彈塑性節(jié)段和塑性硬化節(jié)段，進(jìn)入塑性受力節(jié)段時(shí)，節(jié)點(diǎn)板的高強(qiáng)螺栓出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。3)試驗(yàn)和有限元結(jié)果均表明，設(shè)計(jì)采用的對(duì)拼式節(jié)點(diǎn)的屈服荷載為3 200 kN，為設(shè)計(jì)荷載的2.96倍，極限荷載為設(shè)計(jì)荷載的4.63倍，節(jié)點(diǎn)具有很好的安全儲(chǔ)備。