鄂东大桥混合梁钢_混凝土结合部研究与设计

1、第27卷 第12期2010年12月公 路 交 通 科 技Journal of H i gh w ay and T ranspo rtati on R esearch and D eve lop m entV o l 27 N o 12Dec . 2010文章编号:1002-0268(2010 12-0078-08鄂东大桥混合梁钢-混凝土结合部研究与设计刘明虎, 徐国平, 刘 峰(中交公路规划设计院有限公司, 北京 100088摘要:为了解决混合梁斜拉桥钢-混凝土结合部结构构造不合理产生的混凝土开裂、钢板与混凝土剥离、结构性能差、耐久性不足等问题, 改善钢-混凝土结合部的结构性能, 提高其耐久性

2、, 确保大桥整体设计使用寿命, 针对世界第二混合梁斜拉桥 主跨926m 的鄂东长江公路大桥, 以理论分析、数值计算和模型试验为手段, 研究了混合梁斜拉桥主梁钢-混凝土结合部的合理位置确定、结构形式选择以及细部构造等。结合部位置应从受力合理、施工方便和造价经济3个方面综合确定。部分断面连接承压传剪式 钢格室+开孔板连接件 的结构构造传力平顺、刚度过渡平稳、构造合理, 是混合梁结合部的合理结构形式。关键词:桥梁工程; 混合梁斜拉桥; 试验; 钢-混凝土结合部; 合理位置及结构中图分类号:U 448 21+6 文献标识码:AStudy and Design of Stee-l concrete Jo

3、int Part of H ybrid G irder of Edong B ridgeLIU M i n ghu , XU Guop i n g , L IU Feng(CCCC H i ghway P l ann i ng and D esi gn Consu ltan ts Co . , L td . , Beiji ng 100088, Ch i naAbstr ac:t For solv i n g t h e proble m s caused by unreasonab le str ucture of stee-l concrete j o i n t part of hybr

4、i dg ir der cab le -stayed bri d ge , i n cluding concrete crack i n g , ex foliation bet w een steel and concrete , poo r structure perfor m ance and durability defic i e ncy , and for i m prov i n g the perfo r m ance and durability o f stee-l concrete j o int par, t ensuri n g the bri d ge desi g

5、 ned serv ice life , the rational positi o n o f stee-l concrete joint par, t the structure for m and the structure details of Edong Yang tze R i v erH i g hw ay B ri d ge , the wo rl d second longest hybrid g irder cable -stayed bridge w hich has 926m m a i n span, w ere stud ied by m eans of t h e

6、oretica l analysis , nu m er ical co m putation and m odel experi m ents . The rati o na l positi o n of stee-l concrete j o i n t part shou ld be deter m i n ed co m prehensively i n aspects o f streng t h ra ti o na lity , constrcution accessi b ility and eng i n eering cost opti m izati o n . The

7、 rational str ucture for m of stee-l concrete j o int part is partia l section connecti n g at stee l and concrete i n terfaces w ith pressure -resistant shear -transferred steel g ri d w ith perforated str i p connectors . Th is stee-l concrete jo i n t part has the advantages o f s m oo th force t

8、rans m ission ,stiffness transition w it h outdiscon ti n u ity and deta il structure rationality . Key wor ds :bri d ge eng i n eering ; hybri d g irder cable -stayed bridge ; exper i m en; t stee-l concrete j o i n t par; t rati o na l positi o n and str ucture 0 前言鄂东大桥位于湖北省黄石市与鄂州市交界区域,收稿日期:2010-0

9、2-09作者简介:刘明虎(1971-, 男, 湖北潜江人, 教授级高级工程师, 从事大跨桥梁设计及研究 (li um i nghu vi p si n a co m 是上海 成都和大庆 广州高速公路跨越长江的共用通道。按6车道标准设计, 设计行车速度100k m /h, 桥面宽33 0m, 汽车荷载为公路- 级; 通航净高24 0m, 一跨跨过有效通航水域。主桥采用布跨为3 67 5+72 5+926+72 5+3 67 5=1476m 的9跨双塔混合梁斜拉桥。主梁中跨采用钢箱梁, 边跨采用混凝土箱梁, 均采用分离式双箱断面(图1、图2, 梁高3 8m, 全宽38 0m 。整体受力影响很大,

10、合理的结合部位置能显著改善整体结构性能, 需综合考虑跨径布置、辅助墩设置、约束条件、斜拉索疲劳性能等因素的影响; 此外,为防止结合部混凝土开裂, 其位置还应选在主梁弯矩、剪力及应力幅较小的位置。从结构受力方面研究合理边中跨比, 可以从理想成桥内力状态和运营状态进行。文献9根据斜拉桥主梁和索塔理想成桥状态的要求, 对双塔3跨混合梁斜拉桥的合理跨径进行了分析, 其采用的理想成桥状态是:主梁恒载弯矩接近刚性支承连续梁, 索塔恒载弯矩接近于零。显见, 斜拉桥的主梁和索塔要达到这一理想成桥状态, 索塔两侧的主梁需处于一定的重量平衡状态。根据理想成桥状态的要求, 边跨主梁最小总长度应满足:边跨梁重平衡中跨

11、梁重, 即成桥状态边跨不出现负反力, 中跨满布活载时, 边跨出现负反力; 边跨主梁最大总长度应满足:边跨梁重平衡中跨满布活载时总重量, 这样, 边跨任何时候均不出现负反力。通过分析, 得到了与钢混梁重之比、边跨内钢混梁长之比有关的混合梁斜拉桥合理边中跨比例。对鄂东大桥, 对于初步确定的边跨跨度, 边跨必须全部采用混凝土梁即结合位置要伸入中跨才能满足理想成桥状态要求。但该文只考虑了钢梁伸入边跨的情形, 未考虑混凝土梁伸入中跨的情况, 且是根据双塔3跨无辅助墩斜拉桥推导的, 如果在边跨内设置辅助墩, 则情况将会有较大不同。可以进一步推导伸入中跨和布置有辅助墩的情况, 以指导各种情形的设计。此外,

12、通过分析不同结合位置成桥恒载作用下主梁特别是边跨混凝土梁的弯矩、运营阶段汽车作用下主梁弯矩的大小及分布, 可以判断不同结合位置的相对优劣。鄂东大桥在方案研究阶段, 对桥跨布置为(3 65+85+926+85+3 65 m 的方案研究了结合部设置在近塔辅助墩距离索塔80m 处、在中跨距离索塔12m 处和在中跨距离索塔92m 位置3个方案, 比较主梁在恒、活载作用下的内力(混凝土梁未计预应力 。在恒载作用下, 主梁弯矩(kN m 见图3。可见:在该桥跨布置下, 方案1恒载作用下主梁特别是混凝土梁的最大正、负弯矩均最小, 方案2最大, 方案3居中。在活载作用下, 不同方案的边跨混凝土梁的弯矩相差较小

13、, 中跨钢箱梁弯矩变化也不大。就中跨弯矩而言, 方案1、方案2、方案3的最大弯矩之比为:1 1 01 1 02。混合梁通过对两种材料的合理利用, 在受力性能、跨越能力、经济性能等方面得到了很大改善,1在桥梁建设中得到越来越多的应用。目前已应用2-8于斜拉桥、梁式桥、悬索桥及拱桥等结构中。钢-混凝土结合部是材料特性和结构特性突变处, 是混合梁设计的关键技术和重要构造, 其设计目标是使钢和混凝土结合牢固、可靠、耐久, 施工方便, 因此, 其设计应遵循以下原则:(1 应根据结构受力、桥位环境、工程造价、施工、景观等因素综合确定结合部的位置及结构形式;(2 应连接可靠,能较顺畅地传递截面各项内力及变形

14、; (3 结合区域的刚度过渡应均匀、平顺; (4 构造应确保具有良好的抗开裂性、抗疲劳性和耐久性; (5 应避免应力集中; (6 应充分考虑方便施工和养护。钢-混凝土结合部设计关键技术包括:合理位置的确定; 构造设计。(2 结构方案的选择;(1 其(3 细部1 钢-混凝土结合部位置研究与确定结合部位置与全桥跨径布置(合理边中跨比 密不可分, 两者几乎是同时确定的。而混合梁斜拉桥跨径布置首先必须是因地制宜的。钢-混凝土结合位置一般应从结构受力性能、施工和经济性3个方面来考虑。1 1 结构受力结合部位置决定了重量及刚度差别很大的钢梁与混凝土梁的长度比例, 其对全桥结构特别是主梁 图3 成桥状态主梁

15、弯矩比较F ig 3 Co m par ison of bend i n g mo m ents of m ain gird er under th e conditi on of co m ple ti on对结合部局部, 表1为各方案在活载作用下结合部位置钢梁应力及应力幅。还可进一步输出结合位置主梁相对挠度及转角进行比较, 分析不同位置的变形优劣。结果表明:在索塔只承受轴力的情况下, 由于混凝土梁和钢梁的重量、刚度相差很大, 改变结合部位置, 即改变主梁沿梁长方向的重量、刚度分布, 对主梁恒载弯矩分布影响显著; 而对主梁的轴力分布, 结合部位置变化影响很小。恒载作用下, 方案1最优。结合部

16、位置对主梁活载弯矩和轴力包络分布影响不大, 且数值较小。这主要是因为现代密索体系斜拉桥的竖向刚度基本均来自于其缆索体系, 在竖向荷载作用下, 其基本受力特性是斜拉索受拉、塔梁受压为主, 塔梁自身的抗弯刚度作用很小。然而, 对于主梁不同的结合部位置, 结合部自身截面各内力相差较大。从结合处钢梁应力及应力幅看, 方案1较优。从局部看, 在边跨距离索塔约65m 位置, 主梁在活载作用下正负弯矩变化较小, 相应的该处主梁应力幅也较小, 比较适合设置结合部。表1 活载作用下钢混结合位置钢梁应力(单位:MPa T ab 1 S tress of stee l gird er of stee-l con c

17、rete jointpart under live load (un it :M Pa位置M ax上缘M i n 应力幅M ax下缘M i n 应力幅方案112 3-24 636 98 7-18 427 1方案27 4-3 811 26 9-45 752 6方案36 6-20 226 815 2-27 843设条件及可实施性; 伸入中跨, 则应考虑伸入的混凝土梁段应仍可沿用边跨的施工架设方法。对鄂东桥, 根据水文条件, 若结合面设在边跨,则南岸边跨钢箱梁难以吊装; 设在中跨, 若位置合适, 则钢箱梁均方便吊装。但若伸入过多, 则北岸若仍采用边跨支架法施工, 则面临在深水区搭设支架问题, 工程量

18、大、施工经济性差、安全风险突出, 则结合位置宜设于利用承台搭设膺架的最远范围内, 约在20m 以内。1 3 经济性分析混凝土梁伸入中跨, 中跨钢梁长度可相应减少, 有利于降低造价; 但伸入过长的混凝土梁若采用深水支架或转换工艺进行挂篮悬臂浇注施工, 则施工费用相应增加。对鄂东桥, 虽然方案3比方案2用钢量少了, 但施工费用相应提高了, 总建安费反而增加0 18亿元, 且工期增长5个月。因此, 从经济性考虑的最优位置为利用承台搭设膺架施工箱梁的最远位置。1 4 合理位置的确定鄂东大桥边中跨之比为0 297, 较小。根据结构受力分析首先确定较合理的方案, 上述方案2是合适的, 并根据分析进一步优化

19、了边跨布置。最后结合施工、经济性方面的综合考虑, 确定结合部位于伸入中跨距索塔12 5m 处。2 钢-混凝土结合部结构研究与设计2 1 结合部结构形式研究与选择2 1 1 结合部传力的基本原理结合部承担并传递轴力、弯矩和剪力(及扭矩 。对于承剪, 一般通过设置垂直于剪力方向的抗剪连接件来承担。而承担并传递轴力(弯矩转换为轴力矩, 是混合结构最突出的特征。截面传递压力最直接的方式是承压, 也可以将压力转换为剪力在混凝土内传递, 当然也可以是两种形式的组合。一般情况下, 工程上以单一传剪方式传递轴力的形式较少应用, 因此, 根据传力机理的不同将结合面传递压力分为完全承压和承压传剪两种方式。对于有空

20、腔的箱形断面, 根据是否是外综合分析:对于上述桥跨布置, 方案1边跨成桥主梁弯矩最小, 且距离辅助墩15m 左右处活载作用正负弯矩变化较小, 应力幅也较小。若采用方案2, 则应优化边跨桥跨布置, 使靠近索塔处的边跨跨径不宜过大。方案3综合居中。对主梁恒载弯矩分布, 单采用弯矩极值并不能全面反映主梁的受力状态, 还可采用整个主梁的弯曲应变能作为判别指标进行分析。1 2 施工分析混凝土梁伸入边跨, 应考虑边跨钢梁的吊装架轮廓线内全部面积结合还是仅对应板件的部分面积结合又可分为全截面连接和部分截面连接。2 1 2 结合部连接形式与构造文献10从典型构造特点对结合部连接形式进行了划分, 但未抓住其传力

21、的本质。根据上述传力基本原理, 对于箱形断面的混合梁, 结合部典型连接形式可分为:全截面连接完全承压式(图4a :完全依靠承压钢板以承压方式传递轴力, 在承压钢板的钢梁侧设置箱格结构的加劲, 使承压钢板全断面承压。竖向剪力由连接于承压钢板的竖向抗剪连接件传递。全截面连接承压传剪式(图4b:依靠承压钢板以承压的方式和水平抗剪连接件以水平剪力的方式共同传递轴力。在钢梁侧整个箱梁断面范围外轮廓内填充混凝土, 承压钢板厚度较小。竖向剪力由连接于承压钢板的竖向抗剪连接件传递。部分截面连接完全承压式(图4c:完全或为主依靠对应混凝土梁的顶板、底板、腹板断面范围的承压板传递轴力。竖向剪力由连接于承压钢板的竖

22、向抗剪连接件传递。部分截面连接承压传剪式(图4d:在钢梁侧对应混凝土梁的顶板、底板、腹板断面范围的箱格内填充混凝土, 依靠该范围内承压钢板以承压的方式和水平抗剪连接件以水平剪力的方式共同传递轴力。竖向剪力由混凝土断面和连接于承压钢板的竖向抗剪连接件传递。根据承压板位置的不同又可分为前、后面承压板式和后面承压板式。2 1 3 分析与选择结合部形式的优劣可按以下几方面进行评定:结构的合理性(全截面接合 部分截面接合; 力学的合理性(刚性突变 刚性渐变; 应力传递(集中应力 分散应力; 制造及施工的方便性(复杂构造 简单构造 。研究表明:在混凝土箱梁构造基础上增设全截面的厚横隔板对混凝土梁段的受力并

23、没有体现出优势, 反而不利于结合面的受力, 箱体内部拉应力区域加大; 适当减小截面尺寸, 有利于箱梁全截面受力。且全截面钢箱梁构造十分复杂, 制造困难, 可见部分截面连接优于全截面连接。对于完全承压式, 尽管可以做到截面刚度较好过渡, 但结合面是直接相接、互不咬合, 导致传力突然, 缺乏在一定范围内的匀顺过渡。而承压传剪式则:(1 钢箱梁顶、底、腹板等通过一定范围的 刚度过渡后延长适当长度至混凝土梁对应的顶、底、图4 混合梁的钢-混凝土连接形式Fig 4 S tee-l con crete joint style of hybrid gird er腹板内, 通过抗剪连接件与混凝土主梁体牢固结合

24、, 形成轴力的逐步扩散传递; (2 通过端承压板紧贴在混凝土对应顶、底、腹板的端面上, 承担部分轴力, 并通过设置预应力承担部分弯矩, 做到承压与传剪的共同传力; (3 在钢箱梁顶、底、腹板的U 形加劲肋上加焊T ( 肋逐渐变高, 两种梁体在刚度上的突变问题经由加劲肋逐渐变高形成刚度过渡而逐渐缓解; (4 梁中的剪力通过端面摩擦、承压板上剪力钉及咬合范围的钢板共同传递。因此承压传剪式优于完全承压式。综合而言, 全截面连接完全承压式连接处应力较小, 但不匀顺, 且构造复杂; 全截面连接承压传剪式承压板的应力分布更加均匀, 相互咬合范围内的应力更顺畅, 但构造较复杂, 施工操作较困难; 部分截面连

25、接完全承压式应力传递直接, 但需要较厚的承压钢板, 截面的刚度变化比较剧烈; 部分截面连接承压传剪式咬合连接牢靠, 刚度过渡均匀, 应力扩散好, 构造相对也较复杂, 但对于截面尺寸较大的箱梁, 因为空间较大, 钢梁制作和混凝土浇注均不存在问题, 完全可保证施工质量。经上述研究, 鄂东桥采用了部分截面连接承压传剪式(图5, 以期解决国内类似桥梁目前普遍存在的结合部开裂问题。2 2 结合部构造研究与设计2 2 1 鄂东大桥结合部总体构造主梁钢-混凝土结合部采用了 钢格室+开孔板连接件 的部分截面连接承压传剪的总体结构形式。结合范围总长8 5m :其中钢与混凝土互相咬合段2m, 钢箱梁过渡段3 5m

26、, 混凝土梁过渡段3m 。接合面钢箱梁侧过渡段采用带变高度T 形加劲的U 肋进行刚度过渡; 结合面混凝土梁侧的过渡段采用变化顶、底、腹板的厚度进行刚度过渡; 钢与混凝土咬合段采用多格室构造, 并在格室内浇注混凝土, 通过后承压板、剪力键、格室钢板与混凝土的粘结力传递主梁内力。钢-混凝土结合部纵、横断面见图5、图6 。渡到混凝土的低应力状态。2 2 3 钢格室构造钢格室是钢-混凝土相互咬合的关键部位, 可采用图7的构造。钢格室高度和宽度应综合考虑内部混凝土应力分散所需的必要面积、格室内焊接空间、预应力钢筋张拉及锚固作业空间、浇注混凝土的方便性及构件加工制作可行性等因素确定, 宽度还要满足钢结构的

27、最大宽厚比B /t3E s /f y 的要求, 一般情况高度可采用600800mm , 宽度可采用8001200mm 。钢格室长度应根据计算确定, 以需要的剪力键个数、剪力分配的合理性并综合考虑施工因素而确定, 根据研究, 一般可取高度的23倍。图7 钢格室构造F ig 7Stru cture of steel grid根据研究, 鄂东大桥钢-混凝土结合部在顶、2 2 2 采用开孔板抗剪连接件传剪开孔板连接件(又称PBL 键11底板及腹板上均设置钢格室, 钢格室顺桥向长2000mm 、高800mm 、宽1200mm 。是指在钢板适钢格室腹板上的抗剪连接件是传递主梁轴力的最主要构件, 为此, 在

28、腹板上开设圆孔并贯穿钢筋形成开孔板连接件, 以取代传统的剪力钉, 这是国内首次将开孔板连接件应用于混合梁斜拉桥的结合部, 连接件个数根据承载力计算确定。同时为使混凝土与钢格室更紧密地结合, 保证施工和运营阶段的连接可靠性, 在钢格室与混凝土相贴的顶板、底板和承压板均设置了剪力钉, 顶、底板上的剪力钉主要考虑其防钢板剥离的作用, 承压板上的剪力钉则起竖向抗剪作用。采用钢格室构造还可使孔洞中的混凝土处于三向受力状态, 提高了剪力键的强度。采用开孔板连接件和剪力钉相结合的方式在工艺上当位置开设圆孔, 将混凝土浇入圆孔中形成混凝土榫, 以此承担钢与混凝土间的作用力的新型连接件。国内外多次剪力键的推出试

29、验研究表明, 与传统的抗剪焊接销钉相比, 开孔板连接件具有承载能力高、延性好、抗疲劳性能好、方便施工、同时可以起到对板件的加劲作用、造价相对经济等诸多优点。因此, 在钢-混凝土结合部采用开孔板连接件, 将较大幅度改善结合部的力学性能, 将钢截面上的巨大轴力及弯矩荷载分配到混凝土中去, 使钢截面应力得到很好分散, 从钢结构的高应力状态顺利过11-12第 12期 刘明 虎, 等: 鄂东大桥 混合梁钢 - 混凝土结合部研究与设计 83 避免了繁琐的工序, 简化了构造, 具有更 强的可操 作性与可靠性。 开孔板厚度应以抗剪连接件破坏时, 孔中混凝 土不发生割裂破坏为准, 一般可取 16 25mm。孔中

30、 心距以抗剪连接件破坏时, 孔间钢板不发 生破坏为 准, 一般可取 220 250mm。孔径应确保混凝土骨料 能够进入孔洞, 一般可取 55 80mm。孔距钢板边缘 的净距宜不小于孔中心距的一半。开孔板 中钢筋直 径一般采用 20 25mm。钢筋长度宜大于其锚固长 度, 也可沿孔洞方向通长布置。承压钢板 厚度应根 据受力计算确定, 承压传剪式连接的承压 钢板相对 较薄, 通常采用 22 36 mm。 根据 研 究, 鄂 东 大 桥 钢 格 室 开 孔 板 厚 度 取 25 mm, 孔间距取 225 mm, 孔径 60 mm, 并穿 过 20 mm HRB335钢筋。承压板厚度取 25 mm。

31、为保证混 凝土浇 注时在 箱体内 能够自 由流动, 在钢格 室顶板上 开设浇注 孔, 隔板 上设置 连通孔; 为保证钢格室角点混凝土密实, 在上角点 及适当位 置设置出气孔, 在下角点预留压浆孔; 为 确保连接 的可靠性, 钢格室箱体内侧钢板设穿孔钢 筋及搭焊 钢筋与混凝土梁内钢筋连成整体。 2 2 4 T 形加劲构造 研究表明: 影响结合部整体刚度的敏 感因素是 钢箱梁的刚度变化。为了保证钢 - 混凝土 结合部传 力平顺、刚度过渡合理, 钢箱梁加强 段可采用在 U 肋中间加设 T 形或 形加劲肋的方式 (图 8 、图 9 。 T 形肋一般伸入 U 肋内部, 形肋一般焊接在 U 肋 面板上。根

32、据研究, 高度变化坡度角 宜小于 15 。 T 形肋板厚一般采用 16 25 mm, 形肋板厚一般采 用 8 12mm。 形加劲肋高度在长度范围内从 360 mm 至 800 mm 渐 变。根据局部应力分 析, T 形加劲端部的 U 肋面板 存在应力集中, 故进一步对 T 形加劲肋端部翼缘板 采取了变宽的措施来渐变刚度的措施。 2 2 5 预应力布设 应根据主梁结合部断面受力情况确定是 否设置 预应力, 以使在运营阶段各工况下钢 - 混凝 土结合 部均处于全截面受压状态。鄂东大桥设置了 预应力 构造, 钢 - 混凝土结合部腹板钢束采用连接器与混凝 土箱梁腹板钢束相连, 锚固于结 合部钢格室钢箱

33、梁 侧。顶底板钢束伸入混凝土箱梁侧一定长度后锚固。 2 3 结合部结构计算分析 2 3 1 计算内容和原则 结合部是边界 条件、空间尺度、构造组成、材 料等都非常复杂的主梁局部构件。两种材料的粘结、 界面接触关系、剪力键剪切刚度及非线性行 为等都 决定其受力是十分复杂而难以精确计算的。通常首 先采取常规方法对截面 内力在顶、底、腹板 的分配 进行计算, 然后根据试验获得的单个抗剪连 接件的 极限承载力公式初步计算确定连接件的个数和分布, 在此基础上, 建立空间模型进行有限元分析 13 。 一般情况 下, 应进行结合部的节段模型 和局部 模型的受力计算分析。空间模型节段计算用 以分析 结合部总体

34、在各种荷载组合作用下的传力机理、应 力分布及大小, 为局部静力计算提取荷载及 边界条 件。空间模型局部计算用以分析结合部各部 构件的 承载分担比例、应力分布及大小, 以合理设 计承压 板和连接件。 应通过全桥总体计算得出最不利作用组合下轴力 最大、弯矩最大、剪力最大对应的内力组合, 分别进 行结合部的节段模型和局部模型的受力计算分析。 2 3 2 鄂东大桥结合部计算 依照以下步骤进行了精细化分析: ( 1 在全桥 总体模型静力计算的基础上, 建立真实模拟钢 - 混 凝土结合部构造及受力特性的三维节段模型 进行计 算。 ( 2 建立单个钢格室三维局部模型进行计算。 ( 3 在局部模型计算的基础上

35、, 进行单个 PBL 剪力 键的极限承载力验算。 前两项计算均采用 ANSYS软件。为消除边界条 件的影响, 节段模型 ( 图 10a 范围为钢箱梁 侧取 钢箱梁加强 段以外 5个 横隔板长度的 钢箱梁节段, 混凝土梁侧取钢格室外长度为 6 m 的混 凝土 梁段。 梁段混凝 土采 用 SOL ID65 单元, 钢 箱梁 及钢 格室 鄂东大桥采用 T 形加劲肋, 长度为 3 05 m。 T 采用 SH ELL 63单元, 普通钢筋 采用弥 散钢筋 进行 84 公 路 交 通 科 技 第 27卷 模拟, 预 应力采用集中力模拟, 模型共计 320 000 个单 元, 节 点逾 130 000 个

36、。一 个钢 格 室 局部 模 型如图 10b所示。 设计最不利工况下的荷 载效应。试验表明: 本桥的 钢 - 混凝土结合部具有较大的安全储备, 应 力和刚 度过渡较为平顺; 测算结合部顶板格室后承 压板轴 力分担比例约为 45 , 底板格室后承压板轴力分担 % 比例约为 50 , 其余大部分由钢格室开孔腹板承担, % 内力分担比例与计算分析基本一致; PBL 键和剪力钉 的布置合理, 荷载作用下钢与混凝土结合面相对滑移量 很小, 两种材料近乎完全结合共同承担作用力。 图 10 受力分析计算模型 F ig 10 Ca lcu lation m ode l for m echan ical ana

37、 lysis 节段模型分析表明, 最不利组合下混凝土主压应力 小于 21 2MPa 主拉应力小于 2 77 MPa 钢构件 Von , , M ises应力均小于容许值 231M Pa 满足规范要求。 , 局部模型分析表明, 格室钢板内力的 传递是不 均匀的, 呈两端大中间小的趋势, 其中以 承压板传 递的轴力最多, 视承压板的厚度不同, 传 递轴力占 总轴力的 33 38% 之间变化。 PBL 键所传递的力 % 也是不均匀的, 第一排传递的力最多, 之 后逐渐递 减, 至最后两排又有所增加。根据 L eonhardt教授给 出的 PBL 键承载力计算公式, 不计钢筋作用时, 一 个 PBL

38、键可承担约 55 2 kN 的剪力; 考虑 钢筋作用 时, 一个 PBL 键可承担约 152 5 k 的剪力, 先拟定 N 一个钢格室腹板的 PBL 键为 20个。分析结果表明, 混凝土主压应力均不超出 21 2 MP a 、主拉应力不超 过 2 77MP a PBL 键钢筋最大 V onM ises应力为 30 8 ; M P a 钢格室 外壁 最大 Von M ises应 力为 162 MP a ; , 均满足规范要求。通过优化分析, 确定一 个钢格室 腹板的 PBL 键为 18个。单个格室内力分布为: 格室 腹 板 ( 含 PBL 键 承 担 32 5 , 顶 底 板 承 担 % 15

39、6 , 后承压板承担 51 9 。 % % 3 钢 -混凝土结合部试验研究与构造优化 鉴于工程实 践尚少, 在有 限元分 析的 基础上, 进一步通过模型试验进行研究和验证, 目前被认为对 重大桥梁工程设计及其施工都是必不可少的重要环节。 针对鄂东大桥主跨跨度大, 主梁为分离双箱断面, 并且 钢 - 混凝土结合部采用新型构造等特点, 在钢 - 混凝土 结合部正式施工前, 进行了以下两种试验。 3 1 节段梁缩尺模型试验 选取主桥塔根部至中跨 1号索之间约 22 m 长的 梁段, 制作了 1 2半 幅缩尺 模型试 件, 如 图 11 所 示。采用几何、物理及边界条件相似进行试件设计, 各细节构造模

40、拟实桥。逐级施加荷载直至 1 4 倍的 Fig 12 图 12 足 尺浇注工艺试验切剖面 Section of Spec i en for fu ll scale casting process test m 图 11 节段缩尺模型试验试件 Fig 11 Spec i en s for segm en tary reduced scale model test m 3 2 钢格室足尺浇注工艺试验 选取钢 - 混凝土结合部顶板 3个钢格室 组成一 个试验单元, 进行了 4组足尺浇注试验。 为了增强 钢格室内填充混凝土的抗裂性, 钢格 室内填混凝土分别采用大流态微膨胀聚丙烯 纤维混 凝土和高性能自

41、密实钢纤维混凝土进行浇注 对比试 验。试验表明: ( 1 增加纤维材料后混凝土的工作性能有所下 降, 但均能在保证强度的前提下, 满足密实 填充钢 格室的要求。 ( 2 格室钢底板、承压板、腹板与混凝 土连接 很好 ( 图 12, 但顶板与混凝土之间存在较多气泡, 连接较差, 设计进一步对顶板排气孔的数量 和位置 进行了增加和优化。尽管如此, 该问题仍是 需进一 第 12期 刘明 虎, 等: 鄂东大桥 混合梁钢 - 混凝土结合部研究与设计 85 步研究解决的技术问题。 4 结语 钢 - 混凝土结合部的设计是混合梁斜拉桥的关键技 术之一, 钢 - 混凝土结合部位置、类型的选择及细部构 造的设计直

42、接影响到桥梁的安全性和耐久性。 ( 1 钢 - 混凝土结合部的位置应综合受力合理、 施工方便和造价经济等方面研究确定; 根 据桥位实 际情况, 合理确定混凝土梁和钢梁的长度比例。 ( 2 钢 - 混凝土结合部形式的选择应根据传力 平顺、刚度过渡平稳、构造合理的 原则进行, 全面 考察 结合段的连接 形式对各组成 构件的内力分配、 局部应力、变形协调等方面的影响。 ( 3 设计中应进行钢 - 混凝土结合部节段模型 和局部模型的受力计算分析, 并在此基础 上进行单 个抗剪连接件的验算。 ( 4 在缺乏成熟经验时, 宜开展钢 - 混凝土结合 部缩尺整体模型试验或足尺局部模型试验研究, 对需 要保证钢

43、板与混凝土间接触率的部位或构造还宜开展 混凝土浇注工艺试验研究, 以研究成果指导设计。 参考文献: R eferences : 1 陈开利, 余天庆, 习刚. 混合梁 斜拉桥 的发展 与展望 J. 桥梁建设, 2005 ( 02: 1- 4. CHEN K a il,i YU T ianqing X I G an. , D eve lopm ent and 11 P rospec tive of H ybrid G irder Cab le -stayed Br idg e J . B ridge Construction, 2005 ( 02: 1- 4. 2 M ASASH I Y, TO

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