混合连续梁桥钢混结合段局部应力分布及传力机理分析

2020-07-13陈君黄国红徐天卓为顶陈龙

山东交通学院学报 2020年2期

陈君，黄国红，徐天，卓为顶，陈龙

1.南京市公共工程建设中心，江苏南京 210019；2.东南大学土木工程学院，江苏南京 211189

0 引言

城市桥梁受地形和两岸接线限制，常采用超短边跨的三跨PC连续梁布置方案，边支座上出现的上翘拉力是桥梁设计中需要关注的问题。通常有两种解决方案：一是在边跨配重，如图1a)所示，如加拿大的Grand-mere桥[1]，中跨和边跨分别长181.4 m和39.6 m，边中跨比为0.22；二是主跨中段采用钢箱梁，形成钢和混凝土纵向组合的混合梁体系，如图1b)所示，该方案具有降低桥梁结构自重，实现快速施工等技术优势[2]。

混合梁桥受力的关键部位为钢混结合段，结构形式以混合梁的斜拉桥和悬索桥为主，主要传递轴向力。周阳等[3-5]研究了铁路混合梁斜拉桥的传力及疲劳性能，发现结合段钢梁底板与混凝土协同工作的能力较强，而顶板与混凝土的连结能力较差。刘荣等[6-7]分析研究鄂东长江大桥结合段的受力情况，表明结合段的承压板传递了大约50%的轴力，其余内力由剪力连接件传递。郭济[8-10]研究了悬索桥钢混结合段的受力特性，指出结合段内的混凝土中存在较大的横向、竖向拉应力。肖林等[11]研究斜拉桥桥塔中钢混结合段的受力问题，得出结合段传递荷载的效果较好,且PBL剪力键的静力和疲劳性能良好的结论。混合梁桥中的钢混结合段除了传递纵向预应力产生的轴向力，还将承受较大的弯矩和剪力。代表桥梁为2006年建成的重庆石板坡大桥复线桥[12-15]，其中跨采用了103 m的钢梁段。目前，钢混结合段根据其构造主要分为有格室和无格室2种。其中，有格室钢混结合段根据其承压板的数量和位置分为前承压板式、后承压板式和前后承压板式，无格室钢混结合段大多为后承压板式，结合段内的荷载主要通过承压板、栓钉和PBL剪力连接件3种途径进行传递[16-19]。

图1 小边中跨比PC连续梁桥的结构布置方案

本文以南京机场二通道跨秦淮新河桥(三跨变截面混合梁桥)为研究背景，通过精细化有限元分析，研究混合梁桥钢混结合段在各种工况下的局部应力分布规律，分析荷载在结合段内的传递路径与传力机理，以期为同类设计提供参考。

1 工程背景

1.1 结构总体布置

机场二通道跨秦淮新河桥位于江苏省南京市秦淮新河上，是主跨中段采用钢箱梁的预应力混凝土连续梁桥，总长200 m，跨径组合(35+130+35)m，如图2所示。桥梁分双幅布置，单幅桥宽20 m，横断面布置为人行栏杆(0.5 m)+人行道(3.0 m)+非机动车道(4.0 m)+防撞护栏(0.5 m)+车行道(11.5 m)+防撞护栏(0.5 m)。

图2 秦淮新河桥桥型布置

主桥上部结构为变高度钢混组合连续梁，由单箱双室箱形断面组成。边跨35 m和主跨边段各20.5 m为预应力混凝土箱梁，主跨中间89 m范围内为钢箱梁。钢混结合段长2 m，边中跨比为0.27(35/130)。秦淮新河桥的边中跨比远小于常见的连续梁(0.60～0.80)，若采用常见的预应力混凝土连续梁桥结构，边支座的支反力较小，甚至可能出现负反力。因此，本桥中跨部分采用钢箱梁结构，以减小中跨自重，增加边支座支反力。

混凝土主梁采用C55混凝土，普通钢筋采用HRB400，箍筋采用HPB300，主桥钢箱梁采用Q345D，纵横向预应力钢筋采用抗拉强度为1860 MPa、直径15.2 mm的低松弛钢绞线，竖向预应力筋采用屈服强度为785 MPa、直径32 mm的高强精轧螺纹钢筋。

1.2 钢混结合段构造

秦淮新河桥的钢混结合段总长4.5 m(钢2.0 m，混凝土2.5 m)，采用有格室的前后承压板式，前后承压板间距为2.0 m，厚度均为50 mm。在格室内焊有PBL剪力连接件及抗剪栓钉，栓钉高150 mm，Φ22 mm，PBL剪力连接件厚20 mm，钢混结合段断面构造如图3所示(图中单位为mm)。在顶底板及腹板内布置体内预应力筋，体内预应力束断面布置如图4所示(图中单位为mm)。

图3 钢混结合段构造

图4 体内预应力束断面布置

2 精细化有限元模型

2.1 模型建立

本桥钢混结合段构造和受力较复杂，为准确分析结合段的力学行为，建立纯混凝土(11.0 m)+结合段(4.5 m)+纯钢梁段(2.0 m)节段的空间有限元模型，如图5所示，进行局部受力精细化计算分析。固结纯混凝土梁段一侧所有节点，因约束处离结合段距离较远，所以约束带来的附加效应较小，节段模型计算结果能较好地反应实际状况。

混凝土采用SOILD45单元，钢结构采用SHELL65单元，预应力采用LINK8单元。严格按照图纸规定实际尺寸建模，z轴沿桥梁轴向，y轴竖直向上，x轴沿横桥向。实桥中，钢结构和混凝土通过结合段栓钉和PBL连接件连接。在有限元模型中，连接件连接同一位置的钢结构和混凝土节点,通过COMBIN39单元建立弹簧单元。对结合段无连接件处2种材料的节点，可忽略其相互摩擦和粘结作用。

2.2 材料本构

钢与混凝土可视为均质弹性体，以弹性模量与泊松比表示结构的材料特性。混凝土泊松比为0.2，弹性模量为35.5 GPa；钢材泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa。

a) 整体模型 b) 结合段局部模型

栓钉的剪力-滑移本构关系[20]为：

(1)

式中：Qu为栓钉的极限抗剪承载力，kN；α、β为滑移模型参数，Φ22 mm的栓钉分别取0.5和1.2；Δ为栓钉滑移，mm。

参照文献[21]计算得

(2)

图6 PBL连接件剪力-滑移本构关系曲线

式中：Asu为栓钉的截面面积，mm2；Ec为混凝土的弹性模量，MPa；fcd为混凝土的设计抗压强度，MPa：fsu为栓钉的抗拉强度，MPa。

PBL开孔板连接件的单孔抗剪承载力[21]63

(3)

式中：dp为钢板开孔直径，mm；ds为贯穿钢筋的直径，mm；fsd为贯穿钢筋的抗拉强度设计值，MPa。

根据文献[22]的建议，PBL连接件的剪力-滑移本构关系可简化为如图6所示的三折线模型。

表1 荷载工况

注：剪力逆时针为正，弯矩下侧受拉为正，轴力受拉为正

2.3 荷载工况

对模型施加荷载，荷载类型为恒载+城-A+人群+混凝土收缩徐变+温度影响[23]，计算时考虑荷载基本组合，可按空间杆系结构的分析结果计算。通过Midas杆系模型计算得到钢箱梁一侧断面弯矩M和剪力Q的包络，两项结构进行组合可得4种工况。在此4种工况下，钢混结合段进行空间有限元分析计算，得到相关力学性能参数如表1所示。

3 有限元模型分析结果

3.1 结构应力

将预应力锚固在承压板上是结合段混凝土安全性的重要保证，但预应力在纵向传递的过程中可在混凝土结构内产生横向拉力，即劈裂应力。劈裂应力过大容易造成局部开裂。因此应先分析仅受预应力作用的混凝土结构。由计算结果可知，仅受预应力作用时，结合段预应力顶板配束多于底板，混凝土顶板上产生的预压应力约为3.4 MPa，在底板产生的预压应力为1.3 MPa。钢混结合段顶板上缘的横向劈裂应力约为1.9 MPa，存在于锚后一定区域内，应力分布如图7所示(图中单位为MPa)。

图7 仅受预应力作用的混凝土应力

在最不利荷载工况下，顶板上缘局部位置的纵向拉应力为0.6 MPa，底板下缘纵向压应力增大至6.3 MPa，表明结合段负弯矩作用较为显著。同时，从桥梁横向看，整体结构应力较小，但承压板锚头之间剥裂效应明显，在最不利荷载工况下局部剥裂应力最大为7.2 MPa，仅限于局部较小区域，应力分布如图8所示(图中单位为MPa)。箱梁钢混结合段局部出现微裂缝后，剥裂应力大大释放；通过普通钢筋配筋可以控制裂缝宽度，确保结构的使用性能和安全性能。

图8 最不利工况下结合段混凝土应力

在最不利工况下，钢结构在x、y、z3个方向上的应力均为-50～50 MPa。对于锚固纵向预应力的前后承压板，虽然存在较大的锚固集中力作用，但是前后承压板厚度均为50 mm，平面外刚度较大，因此局部位置应力基本不超过±100 MPa，钢结构应力总体水平较低。

3.2 传力路径

轴力的传递是钢混结合段的主要任务之一，应采取有效的构造将轴向力由截面积较小的钢结构平顺、流畅地传递到截面积较大的混凝土梁段中。

轴力主要有3种传递途径：分别为：钢梁—前承压板—混凝土梁，钢梁—后承压板—混凝土梁，钢梁—各排剪力连接件—混凝土梁[24]。

钢混结合段具体轴力传递路径及示意图如图9所示。

图9 结合段轴力传递路径图

通过对有限元模型不同纵向位置的混凝土截面轴向应力进行积分，可得混凝土截面的轴力及其沿纵向传递的变化图，从而分析上述3种传递路径的贡献，如表2及图10所示。

表2 混凝土各截面轴力

注：截面位置以纯混凝土梁段边缘位置为零点

图10 混凝土轴力占比纵向分布曲线

由图10可知:在结合段，混凝土各截面轴力及其在总轴力的占比沿纵向不断变化，但是轴力变化速率(切线斜率)不一，说明各排剪力连接件的传力效率不均匀，其中前后承压板之间剪力连接件作用较小，后承压板附近剪力连接件作用较大。同时，在前后承压板处混凝土各截面轴力及其在总轴力的占比存在突变，说明承压板对结合段轴力的传递有较大影响，后承压板将约41.0%的轴力传递给混凝土，前承压板传递约8.9%的轴力。