桁腹式组合连续梁对拼式节点受力性能研究★

孙宇佳

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

桁腹式组合梁是近年来发展起来的一种新型结构，与传统混凝土箱形截面相比，采用桁式腹杆代替传统箱梁的混凝土腹板，形成预应力混凝土顶板和底板联合桁式腹杆受力的结构。结构的顶底板与传统箱形截面类似，配置预应力钢束，并通过节点与钢腹杆连接成为整体受力，有效降低了箱梁自重，提高了主梁的跨越能力，解决了混凝土腹板裂缝问题，并且具有很好的景观效果。由于钢结构部分可以采用预制拼装，不用像传统的混凝土结构需要立模浇筑，大大提升了施工效率，缩短了建设周期。

1 桁腹式组合连续梁设计

1.1 结构设计

银西铁路咸阳渭河特大桥由于设计边界条件复杂，景观要求较高，拟设计采用3×60 m桁腹式组合梁桥，梁高设计采用6 m。桥梁为有砟高速铁路桥梁，梁宽12.6 m，二期恒载178 kN/m，活载为双线ZK荷载。如图1所示为桁腹式组合梁桥采用的截面形式，其中底板均为预应力混凝土结构，腹杆为钢桁结构。由桁腹式组合梁的结构特点可知，钢腹杆与混凝土顶底板的连接节点是结构传力的关键受力构件，由于铁路桥梁受力较大，桥梁采用了对拼式节点。如图2所示为对拼式节点的示意图。

1.2 结构计算

考虑桁腹式组合梁的受力特点，建立了全桥的有限元分析模型。采用梁格模拟顶底板，钢桁腹杆则采用梁单元，预应力钢束根据横向位置分别计入相临的纵向主梁中，通过有限元模型主要分析节点用于稳定结构设计：结构的空间传力规律；结构顶板的剪力滞效应；结构桥面板的横向效应；结构腹杆与混凝土腹板交界处的受力情况；预应力对结构的效应。如图3所示为全桥的有限元模型[1-2]。

1.3 分析结果

全桥的有限元分析结果表明，中支点边跨侧腹杆内力最大，恒荷载作用下的腹杆轴力最大，为6 790 kN，主力作用下为9 719 kN，均为拉杆；中跨跨中处恒荷载作用下的腹杆轴力最小，为480 kN，主力作用下中跨跨中腹杆轴力2 078 kN，均为压杆。受力最大腹杆设计采用的板厚为36 mm，计算得到腹杆的最大应力为160 MPa。

因此本文为了研究对拼式节点的受力性能，针对采用的对拼式节点设计了1∶3的缩写尺比模型，并在试验开展之前对试验模型进行了有限元分析。

2 试验模型有限元分析

试验主要针对钢桁腹杆组合节点开展，选取组合节点周围影响受力节段，腹杆与试验平台铰接连接，通过对混凝土弦杆施加水平推力，使得组合节点的腹杆分别为拉杆和压杆，模拟组合节点的真实受力。本文所开展试验采用了1∶3缩尺比[3-6]。

2.1 试验试件有限元模型的建立

通过有限元软件分析节点的受力性能，由于对拼式节点主要由钢腹杆、节点板、剪力键、混凝土弦杆及弦杆中的普通钢筋等部件构成，模型建立时主要考虑了以下的边界连接：普通钢筋与混凝土弦杆的相互作用；混凝土内置钢节点板与混凝土弦杆的相互作用；PBL连接件与混凝土弦杆的相互作用；PBL连接件与内置钢节点板的相互作用；内置钢节点板与钢腹杆的相互作用；钢腹杆与铰支座的相互作用(见图4)。

模型钢腹杆主要采用铰接边界，模拟试件腹杆与试验平台的连接，通过在混凝土弦杆的加载端施加水平推力荷载，使得两个腹杆分别受拉和受压，从而使得节点区域最为接近结构实际的受力状态。

2.2 有限元分析结果

如图5所示为对拼式节点有限元模型加载的荷载-位移曲线，其中的荷载为试件端部的加载值，位移为自由段的水平位移。

从图5可知，当加载在0 kN～3 000 kN之间时，对拼式节点的荷载-位移曲线为直线，表明此时结构处在弹性阶段；当加载在3 000 kN～4 000 kN时，对拼式节点的荷载-位移曲线的斜率不断变小出现拐点，此时位移增长速率逐渐变快，说明对拼式节点进入了弹塑性阶段，构件逐渐屈服。通过分析荷载-位移曲线的拐点可知，加载到3 400 kN时对拼式节点开始屈服，可认为3 400 kN为对拼式节点的屈服荷载。当加载大于4 000 kN时，对拼式节点的荷载-位移曲线出现了明显的转折，斜率陡然减小保持平稳不变，此时对拼式节点处于塑性硬化阶段，位移增长较快，增长速率稳定。当加载大于5 148 kN，对拼式节点的荷载-位移曲线出现下降段，表明对拼式节点已经接近破坏，达到了承载能力极限，因此将5 148 kN作为对拼式节点的极限承载力。

3 缩尺比模型试验

3.1 模型试验

对拼式节点模型试验试件的腹杆与试验平台采用销轴连接，试件的加载端采用千斤顶进行加载，试验过程中通过自由端的位移计监测水平位移，通过试件中布置的应变片监测各构件的应力变化。本次针对对拼式节点一共开展了3个试件的试验，如图6所示为试验加载平台及安装到位准备加载的试件[7-10]。

3.2 试验结果

如图7所示为3个试件混凝土弦杆自由端的荷载-位移曲线，由图7可知，3个试件的荷载-位移曲线较为接近，对比可知，试验结果与有限元结果基本吻合，荷载-位移曲线可以大致分为3个阶段：荷载加载到3 200 kN之前，为组合节点弹性受力阶段，此时的荷载位移曲线基本为线性且斜率不变。试验继续加载到3 800 kN过程中的荷载位移曲线逐渐出现拐点，表明节点的刚度逐渐降低，节点进入了弹性阶段；而随着荷载的持续加载，位移随着加载的速率持续变快，此时可以观察到混凝土弦杆出现了裂缝，拼接板与腹杆连接的高强度螺栓出现明显的滑移现象，表明组合节点逐渐进入了塑性硬化阶段。试验在加载到5 200 kN的荷载时，位移快速增长，荷载很难继续加载，此时试验结束。

如图8所示为试验加载过程中混凝土弦杆开裂现象，如图9所示为高强螺栓在试验过程中产生的滑移。试验结束时，腹杆拉侧拼接板出现径缩，压侧拼接板出现面外失稳，如图10所示。

对比3个试件的试验结果和有限元结果可知，组合节点的屈服荷载为3 200 kN，为设计荷载(1 080 kN，考虑1∶3的缩尺比)的2.96倍；3个试件的极限承载能力分别为5 000 kN，5 200 kN和5 000 kN，将5 000 kN作为试件的极限承载能力，为设计荷载的4.63倍，结果表明设计采用的对拼式节点具有足够的安全储备。

4 结论

本文通过对3×60 m桁腹式组合梁桥进行受力分析，主要分析了钢桁腹杆的受力，并针对设计采用的对拼式节点开展了1∶3的有限元分析和缩尺比模型试验，分析研究结果表明：

1)对拼式节点具有很强的承载力，可以适用于铁路桁腹式组合连续梁的设计。2)对拼式节点的受力呈现明显的弹性节段、弹塑性节段和塑性硬化节段，进入塑性受力节段时，节点板的高强螺栓出现滑移现象。3)试验和有限元结果均表明，设计采用的对拼式节点的屈服荷载为3 200 kN，为设计荷载的2.96倍，极限荷载为设计荷载的4.63倍，节点具有很好的安全储备。