鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)的有限元分析

鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)的有限元分析

鋼和混凝土的結(jié)合可以提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)。因此，近年來(lái)，混合梁橋的工程實(shí)例不斷增多，斜拉橋的應(yīng)用更加顯著，如日本圣口橋、法國(guó)諾地板橋、吳漢白沙洲長(zhǎng)江橋等?；旌狭簶蚴侵钢髁貉亻L(zhǎng)度方向由2種不同材料組成,主跨的梁體為鋼梁,邊跨(或伸入主跨一部分)的梁體為混凝土梁。這樣的橋式一般具有跨越能力大、建造成本低的優(yōu)點(diǎn),而且由于邊跨采用混凝土梁可以起到很好的錨固作用。對(duì)于混合梁橋,其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu),鋼梁與混凝土梁的結(jié)合段是材料特性的突變處,在選定結(jié)合段的構(gòu)造時(shí)特別要注意鋼梁與混凝土梁之間剛度過(guò)渡的勻順和應(yīng)力傳遞的順暢,避免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中和折角,確保橋面經(jīng)久耐用和車(chē)輛行駛平穩(wěn)舒適;同時(shí),也要考慮到結(jié)合段施工的方便,在結(jié)合段澆入高流動(dòng)性混凝土?xí)r要能保證其質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)外主要有以下幾種構(gòu)造方式:鋼板式;填充混凝土前面鋼板式;填充混凝土后面鋼板式。1鋼-混結(jié)合段某大橋?yàn)橐蛔?dú)塔自錨式混合型懸索橋,見(jiàn)圖1,主跨為350m鋼箱梁,主跨跨徑是世界同類(lèi)型橋梁中最大的,其他梁段為混凝土箱梁,跨度布置為39.64m+5×40m+30m+350m+30m+29.60m,橋梁全長(zhǎng)680.20m(含伸縮縫寬),設(shè)計(jì)為雙向10車(chē)道,主橋主孔橋?qū)挒?×26.1m,設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載為汽-超20、掛-120。鋼-混結(jié)合段位置在M8和M9號(hào)墩上(見(jiàn)圖1),是該橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。M8和M9號(hào)墩上設(shè)厚度為200cm的混凝土橫梁,向主跨側(cè)伸出150cm;過(guò)渡段鋼箱梁采用“U”肋上“∏”型加勁的方式,長(zhǎng)3750mm,頂板厚28mm,底板厚28mm,縱隔板及外腹板厚16mm;結(jié)合段內(nèi)設(shè)2道橫隔板,間距1500mm;頂?shù)装搴透拱鍘Ю邨l,都伸入混凝土梁,在肋條上開(kāi)孔,穿鋼筋形成PBL鍵,通過(guò)PBL剪力鍵和混凝土梁連接,鋼梁和混凝土梁間設(shè)厚度為60mm的鋼板作為承壓板,通過(guò)栓釘和縱向預(yù)應(yīng)力和混凝土梁連接。鋼-混結(jié)合段結(jié)構(gòu)構(gòu)造見(jiàn)圖2。目前,國(guó)內(nèi)外雖已建成多座混合型斜拉橋,但自錨式混合型懸索橋目前還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道,即使是混合型斜拉橋,也很少有鋼-混結(jié)合段的詳細(xì)資料。鋼-混結(jié)合段設(shè)有2種剪力連接鍵:栓釘和PBL鍵,前者已進(jìn)行了大量研究,后者是自20世紀(jì)80年代以來(lái)研究發(fā)展的一種開(kāi)孔鋼板連接件,具有抗剪剛度、強(qiáng)度比較大,且不易受疲勞的影響的優(yōu)點(diǎn),國(guó)內(nèi)對(duì)其研究尚處于起步階段。為了對(duì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和提出建議,確保結(jié)構(gòu)安全,對(duì)該橋鋼-混結(jié)合段進(jìn)行了空間有限元分析,并制作了1∶4縮尺模型,將2種方法相結(jié)合來(lái)研究鋼-混結(jié)合段的受力性能。2結(jié)構(gòu)模型及材料參數(shù)模型設(shè)計(jì)的原則為相似理論,要求模型與實(shí)橋幾何相似、對(duì)應(yīng)截面剛度相似、對(duì)應(yīng)鋼-混結(jié)合面受力相似。結(jié)合段兩側(cè)模型長(zhǎng)度的選取考慮了圣維南原理,在兩側(cè)模型長(zhǎng)度與其寬度相當(dāng),并且在兩端設(shè)置用于加載的30cm混凝土實(shí)體段。模型混凝土配筋率、預(yù)應(yīng)力、加勁肋等構(gòu)造細(xì)節(jié)完全按實(shí)橋模擬。在模型設(shè)計(jì)時(shí),鋼-混結(jié)合面上的栓釘按豎向總體抗剪剛度相似設(shè)計(jì):nm=ns?kskm?λnm=ns?kskm?λ。其中:nm為模型栓釘個(gè)數(shù);ns為實(shí)橋栓釘個(gè)數(shù);ks為實(shí)橋栓釘抗剪剛度;km為模型栓釘抗剪剛度;λ為相似比,實(shí)橋設(shè)置369個(gè)直徑為19mm栓釘,抗剪剛度為443kN/mm,模型設(shè)置抗剪剛度為118kN/mm、直徑為13mm栓釘,共設(shè)置347個(gè)。PBL鍵按面積比相似設(shè)計(jì):實(shí)橋PBL鍵為99塊1500mm×36mm×22mm鋼板,孔徑為60mm,PBL鋼筋直徑為25mm,模型PBL鍵采用99塊375mm×90mm×6mm鋼板,孔徑40mm,PBL鋼筋直徑為14mm。實(shí)橋鋼箱梁采用Q345C鋼,但經(jīng)理論分析知Q235C鋼能滿足模型的實(shí)驗(yàn)要求,故模型鋼箱梁采用的是Q235C鋼板,厚度為2~15mm,在鋼箱梁制作過(guò)程中嚴(yán)格控制鋼構(gòu)件變形。鋼板彈性模量為187GPa,屈服強(qiáng)度為258MPa。實(shí)橋混凝土梁采用C50混凝土,模型與其一致,混凝土梁分3段澆注(圖3中①②③表示混凝土梁澆注順序),并當(dāng)混凝土達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋。模型混凝土彈性模量為47.0GPa,立方體強(qiáng)度為67.65MPa。制作完畢的模型長(zhǎng)14.935m,寬5.1m,高0.875m,見(jiàn)圖3。3模型測(cè)試3.1凝土梁、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變分布及交界面的滑移1)沿模型長(zhǎng)度方向撓度的分布,依此判斷結(jié)合段的剛度變化;2)鋼箱梁、混凝土梁、鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變分布,特別是結(jié)合段(包括沿梁長(zhǎng)、截面高度、寬度方向的應(yīng)變分布),以探明結(jié)合段的受力狀態(tài);3)鋼與混凝土交界面的縱向滑移,以了解結(jié)合的可靠程度;4)混凝土表面裂縫發(fā)生、發(fā)展、分布和裂縫寬度的變化。3.2混凝土和鋼箱梁的相對(duì)滑移模型加載方案見(jiàn)圖4。模型體外預(yù)應(yīng)力N外,豎向力P1和P2均用千斤頂進(jìn)行多點(diǎn)加載,堆重用混凝土塊堆砌加載,實(shí)驗(yàn)時(shí)在混凝土梁的梁端使用地錨限制其豎向位移。在模型底部沿模型縱向布置了2排豎向位移計(jì)(百分表),每排8個(gè);鋼箱梁和混凝土結(jié)合面的周邊布置了11個(gè)千分表,測(cè)鋼與混凝土之間的縱向和豎向相對(duì)滑移;在模型A,B,C,D,E,F,G,I,J,K截面上共布置252個(gè)電測(cè)測(cè)點(diǎn),見(jiàn)圖5;在鋼箱梁的縱隔板、端隔板及HG1橫隔板上布置12個(gè)應(yīng)變花。3.3鋼-混結(jié)合面初始受力經(jīng)有限元分析可知實(shí)橋結(jié)合面處的彎矩、剪力和軸力分別為Ms,Qs和NS,則對(duì)應(yīng)模型結(jié)合面處內(nèi)力分別為Mm=Ms/43,Qm=Qs/42,Nm=NS/42。加載過(guò)程中,要求模型鋼-混結(jié)合面處的內(nèi)力與實(shí)橋?qū)?yīng)位置相似,實(shí)驗(yàn)荷載分17個(gè)加載步,分別模擬實(shí)橋鋼-混結(jié)合面在不同荷載時(shí)的受力情況,見(jiàn)表1。表中D表示模擬實(shí)橋恒載值,L表示模擬實(shí)橋活載值。由于模型在模型自重+體內(nèi)預(yù)應(yīng)力(Dm+N內(nèi))作用下,A截面混凝土頂板的平均拉應(yīng)力已接近2.0MPa,繼續(xù)增大荷載P1可能導(dǎo)致此處混凝土頂板先開(kāi)裂,所以先施加荷載P2,使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统跏际芰顟B(tài)為Dm+N內(nèi)+堆載q+P2(2×150KN)。試驗(yàn)測(cè)得的是荷載變化引起的模型應(yīng)力和位移的變化值,模型實(shí)際應(yīng)力應(yīng)為(試驗(yàn)值+初始值),初始值通過(guò)有限元分析確定。4拉應(yīng)力及壓應(yīng)力在各級(jí)荷載下對(duì)模型進(jìn)行觀測(cè),并結(jié)合有限元分析的結(jié)果整理相關(guān)的數(shù)據(jù),包括模型豎向位移,鋼混結(jié)合面附近順橋向應(yīng)力、橫橋向應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布,結(jié)合面鋼混相對(duì)滑移及裂縫分布等。僅在文中貼出部分圖表,圖中拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù);豎向位移向下為正;D,D1,D2,D3分別對(duì)應(yīng)荷載D,D+L,D+1.93L,D+2.57L,實(shí)測(cè)值為試驗(yàn)測(cè)得值,理論值為有限元分析值。4.1級(jí)荷載下的豎向位移圖6所示為模型在D+L,D+1.5L及D+2L3級(jí)荷載下的豎向位移圖?？梢钥闯?豎向位移的試驗(yàn)值和理論值較吻合,豎向位移沿模型長(zhǎng)度方向的曲線分布比較均勻,說(shuō)明模型結(jié)合段的剛度變化比較勻順。4.2頂板應(yīng)力分析圖7~9為模型部分順橋向應(yīng)力分布,可看出試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算吻合較好。圖7所示表示的是模型混凝土梁段A截面頂板7個(gè)測(cè)點(diǎn)在17個(gè)加載步下每級(jí)荷載下的順橋向應(yīng)力值;圖8所示表示的是D截面混凝土底板各測(cè)點(diǎn)在D,D1,D2,D3四級(jí)荷載下的順橋向應(yīng)力在截面處的橫向分布;圖9所示分別表示的是模型頂板4-4截面各測(cè)點(diǎn)在D,D1,D2,D3四級(jí)荷載下順橋向應(yīng)力沿順橋向的分布。從圖7可看出:模型混凝土箱梁段頂板在恒載D作用下受壓,A截面頂板最大壓應(yīng)力為-3.97MPa,當(dāng)荷載逐漸增加至D+1.29L(荷載步11),頂板為受拉且隨著荷載的逐漸增加拉應(yīng)力繼續(xù)增大,在D+2.57L時(shí),A截面頂板最大拉應(yīng)力為3.85MPa?；炷料淞憾蔚装逶谠囼?yàn)荷載作用下始終受壓,壓應(yīng)力隨荷載的增加不斷增大,A截面底板最大壓應(yīng)力達(dá)-15.73MPa。鋼箱梁段頂板在恒載D作用下受壓,當(dāng)荷載逐漸增加至D+1.29L,頂板為受拉且隨著荷載的逐漸增加拉應(yīng)力繼續(xù)增大。鋼箱梁段底板在試驗(yàn)荷載作用下始終受壓,壓應(yīng)力隨荷載的增加不斷增大。模型混凝土箱梁和鋼箱梁頂?shù)装寰霈F(xiàn)剪滯效應(yīng),而鋼箱梁則更為明顯,應(yīng)力橫橋向分布很不均勻。從圖8和可看出鋼混結(jié)合段順橋向應(yīng)力分布無(wú)突變,結(jié)合面受力狀態(tài)較好,傳力比較勻順。4.3點(diǎn)橫橋向應(yīng)力圖10所示為模型部分橫橋向應(yīng)力分布,可看出試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算吻合較好。圖10所示為D截面混凝土頂板各測(cè)點(diǎn)橫橋向應(yīng)力值的橫向分布圖。從圖中可以看出:模型頂、底板橫橋向應(yīng)力與其順橋向應(yīng)力相比要小很多。模型底板在試驗(yàn)荷載作用下始終受壓,壓應(yīng)力隨荷載的增加不斷增大。模型頂、底板橫橋向應(yīng)力剪滯效應(yīng)明顯,隨荷載的增加橫向應(yīng)力在橫橋向的分布越來(lái)越離散。另外,鋼-混結(jié)合段橫橋向應(yīng)力分布無(wú)突變,結(jié)合面受力狀態(tài)較好,傳力比較勻順。4.4d+2.5.2實(shí)驗(yàn)測(cè)得模型鋼箱梁內(nèi)兩塊縱隔板在結(jié)合面附近剪應(yīng)力在恒載D作用下最小值為-16.0MPa,最大值為10.3MPa;在D+1.93L作用下最小值為23.8MPa,最大值為75.7MPa;在D+2.57L作用下最小值為38.8MPa,最大值為91.2MPa。試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果較吻合。4.5混凝土抗滑移性能在各級(jí)荷載作用下測(cè)得模型鋼-混結(jié)合面相對(duì)滑移值,可看出相對(duì)滑移值非常小:結(jié)合段側(cè)面豎向相對(duì)滑移值在恒載D作用下最大值為4.8μm,在D+2.57L作用下最大值為4.9μm;結(jié)合段側(cè)面縱向相對(duì)滑移值在恒載D作用下最大值為27.8μm,在D+2.57L作用下最大值為33.8μm;頂面縱向相對(duì)滑移值在恒載D作用下最大值為4.8μm,在D+2.57L作用下最大值為4.9μm。在各級(jí)加載過(guò)程中,沒(méi)有在混凝土梁上發(fā)現(xiàn)裂縫。這些都說(shuō)明模型鋼-混結(jié)合段的結(jié)合非常可靠。5混合式鋼-混凝土結(jié)合段的設(shè)計(jì)1)大橋鋼-混凝土結(jié)合段剛度變化勻順,傳力順暢,結(jié)合可靠,有很強(qiáng)的承載力。在荷載為恒載+活載時(shí),結(jié)合段處于彈性受力狀態(tài);當(dāng)荷載加至恒載+二倍活載時(shí),結(jié)合段仍完好無(wú)損。2)鋼-混結(jié)合段采用了鋼箱梁