新型槽形钢-混凝土组合下承式桥梁的受力性能分析

新型槽形钢-混凝土组合下承式桥梁的受力性能分析

桥梁结构形式的选择随着城市经济发展的加快，交通拥堵已成为制约其发展的瓶颈之一。轨道交通作为大容量快速交通系统,在整个城市客流运输中正扮演着越来越重要的角色。尤其是近年来我国的经济取得了举世瞩目的成就,城市化进程持续加快,国内一些大中城市都纷纷加快了建设现代化轨道交通的步伐,以解决日益困扰的公共交通问题。轨道交通桥梁的结构形式直接关系到轨道交通的建设费用、城市景观协调、减振降噪等问题。因此,合理选择桥梁结构形式是轨道交通的一个重要课题。目前,国内外用于轨道交通高架结构的上部梁形有箱梁、T形梁、空心板梁、脊骨梁、U形梁等,它们均有自己的特色,并在一定范围内适用。(1)箱梁(图1a)。箱梁是目前国内轨道交通高架采用最多的梁形式之一。它的特点是外观线形流畅、美观,建筑高度适中,力学性能好(竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度都好),整体性好,特别适用于曲线梁桥。但箱形梁也存在梁高及梁重较大,且常采用的现浇施工方法具有施工成本高和工期长,对周围环境干扰较大等缺点。(2)T形梁(图1b)。T形梁抗弯性能好,可在工厂或现场预制,具有施工速度快、对既有道路交通干扰少和工程造价相对较低等优点。但其横向抗扭刚度小,梁的高度较大,梁底部呈网格状,对城市景观影响较大,而且T梁间铰接,整体受力性能差。(3)空心板梁(如图1c)。其优点是梁高比较低,便于压低线路标高,但刚度较小,后期徐变较大,不利于轨道交通线路整体道床轨道调高的要求;每片板梁间是铰接,整体性差;触网立柱较难处理。(4)下承式脊骨梁(如图1d)。桥梁建筑高度以挑臂板的厚度计,因而其建筑高度低。挑臂板的厚度不受跨度改变的影响,易于线路的线形布置,建筑高度低便于压低线路标高,节约总投资。但其与线路配合较差,且受中间脊骨影响,两线间距较大,这样拆迁、征地范围都将增大等。目前该类型梁桥的工程实例较少,如加拿大的加尔各利轻轨。(5)U形梁(如图1e),又称槽形梁。由法国索菲图公司首先提出的一种下承式桥梁结构形式,相对于传统形式的高架桥梁结构,U形梁具有以下优点:利用底板支承轨道及列车,降低轨道标高,在满足桥下净空的前提下降低了桥梁及车站的高度;结构高度减薄,高跨比减小,结构体量较小,显得轻巧、美观,在很大程度上可减小对周边环境特别是视觉效果的不利影响;主梁的腹板将隔音屏障功能与结构受力的功能合二为一,节省了隔音板。U形梁内侧易于布置各类通讯、电力等设备,整个截面的空间利用率高;具有列车脱轨时的保护功能,节省了护轮轨,提高了整个轨道系统的安全性。国外最早建成的钢筋混凝土槽形梁是英国1952年建造的跨度48.6m的罗什尔汉桥。此后,日本、德国、澳大利亚相继在铁路桥梁中应用了这种结构形式。我国有关科研和建设单位对混凝土槽形梁也已开展了研究,但总体上在城市轨道交通领域,对于槽形梁的研究及工程应用还刚刚起步,研究成果尚不系统。且现有的槽形梁均采用预应力混凝土结构,由于该类结构存在绑扎钢筋,预应力钢筋张拉等较复杂的施工工艺和混凝土板底纵向开裂不易控制等问题,给槽形梁的应用带来很多障碍,因此我国自20世纪80年代开始试制混凝土槽形梁以来,始终未能推广应用。1槽形钢-混凝土组合梁的优点本文第一作者在对组合结构进行长期研究的基础上率先将钢-混凝土组合原理应用于槽形梁结构中,提出了一种新型的槽形钢-混凝土组合梁,其截面构造形式如图2所示。首先加工制作槽形截面钢梁,钢梁安装就位后,在槽形钢梁内侧浇筑混凝土,钢板与混凝土通过抗剪连接件组合成整体共同工作。通过对钢材与混凝土两种材料的有效组合,可以充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压性能好的材料特点。槽形钢板-混凝土组合梁除具有预应力混凝土槽形梁的一些优点,如降低轨道标高、降低噪声污染等以外,还具有以下优点:(1)钢结构部分为工厂制作,易于保证质量;混凝土直接利用钢板进行浇筑,可以无模板或使用较少模板进行施工,易于控制质量。(2)钢结构部分重量较轻,给安装就位带来很大便利。(3)结构受拉区外包钢板,避免混凝土裂缝暴露,便于维护,同时外包钢板能在一定程度上缓解目前频频发生的超高车辆撞击桥梁而使桥梁受损所产生的严重后果,因此结构的安全性和耐久性较好。(4)构造简单。对于承受轨道及列车荷载而横向受弯的底板,下层钢板在横向可以充分发挥抗拉作用,避免板底纵向开裂;作为纵向主梁的下翼缘,底层钢板又可以在纵向充分发挥抗拉作用。因此相对于预应力混凝土结构可大大简化构造,减少钢筋绑扎、焊接以及多向预应力张拉的困难。槽形钢-混凝土组合梁在保留传统混凝土槽形梁结构优点的基础上,大大改善了结构的施工性能和使用性能,并能够明显提高结构的综合效益。作为一种新型结构形式,虽然已有部分传统钢-混凝土组合梁以及预应力混凝土槽形梁的研究及应用基础[9,10,11,12,13,14,15],但仍迫切需要开展有效的试验研究工作,提出其可靠的设计理论和方法,以推动这种结构形式的实用化。为此,作者提出深入开展槽形组合梁受力性能的研究主要从以下几方面入手:(1)槽形组合梁方案的确定针对高架轨道桥的特点研究槽形截面组合梁桥的受力特性,比较选择更合理、经济的槽形截面形式及结构体系类型,确定槽形组合梁应用方案。结构形式比选的内容包括:结构形式,如简支梁、连续梁体系;槽形组合梁的截面形式,如双线分离式或双线整体式;制作安装方式,如有支架施工和无支架施工等。(2)长期及短期荷载作用槽形组合梁结构体系的空间计算理论研究。包括研究分析其抗弯、抗剪、抗扭承载力以及剪力滞后效应;抗裂性能及裂缝发展过程;在长期及短期荷载作用下的刚度及变形;抗剪连接件的受力性能;车辆作用下的槽形组合梁动力性能;结构的抗震性能及振动舒适度问题;施工方法对槽形组合梁受力性能的影响等。需要考虑的荷载包括结构自重、二期恒载、列车活载、桥面温度梯度和支点不均匀沉降等。重点考虑的因素为竖向荷载作用下的剪力滞后效应、竖向挠曲、不对称荷载下的扭转效应、整体稳定性等。(3)槽形组合梁抗弯性能试验研究根据初步分析成果,设计槽形组合梁试件并开展相应的模型试验。通过试验,对包括抗剪连接件影响在内的槽形组合梁的抗弯、抗剪、抗裂等性能进行研究。测试槽形组合梁桥的各项力学指标,检验结构的安全性和理论研究的有效性。(4)槽形组合梁结构体系设计方法采用建立的理论分析模型及相应的有限元分析方法,对槽形组合梁结构体系进行大量的仿真计算,探讨影响此种新型结构体系性能的主要因素,并结合试验研究成果,对槽形组合梁结构体系特别是其关键部位的设计方法开展研究。最终,在试验研究和理论分析的基础上,形成槽形钢-混凝土组合梁桥的设计方法,包括建立槽形组合梁的抗弯、纵向及竖向抗剪、抗扭、刚度、变形、抗裂、徐变等计算方法,提出槽形组合梁的结构构造措施以及施工方法等。2截面形式的比选本文以传统的简支预应力混凝土槽形梁为参考依据,采用ANSYS软件对这种新型槽形组合梁进行了截面形式的初步比选。设计了多组截面形式,如图3所示,其中,图3(e)截面形式在底板两个角部增设了纵向肋,同时沿梁的跨度方向在底部每隔一定距离设置一根钢肋,其截面形式可以为U形或T形(图3f),下文以U形断面为主进行分析。2.1栓钉的滑移效应钢板采用弹性壳单元SHELL63模拟,混凝土板采用块单元SOLID45模拟,暂时忽略钢板和混凝土板之间抗剪连接件栓钉的滑移效应,钢和混凝土材料均假设为线弹性,其弹性模量和泊松比按如下取值:钢梁弹性模量Es为2.06×105MPa,泊松比为0.3;混凝土弹性模量Ec为3.45×104MPa,泊松比为0.2。预应力钢铰线弹性模量Ey=1.95×105MPa,强度标准值fpk为1860MPa。2.2轨道和轨道条件以简支双线槽形梁为例,区间正线直线段线间距为3.4m,轨距按1435mm标准轨距设计,采用60kg/m高碳微钒普通热轧钢轨。2.3综合荷载的计算根据上海《城市轨道交通设计规范》(DGJ08-109-2004)主要考虑以下几种荷载:结构自重、附属设备和附属建筑自重(又称二期恒载,按87kN/m计算)、预应力、混凝土收缩及徐变影响、列车竖向静活载(列车活载的排布形式如图4所示)、列车竖向动力作用、温度影响(本文考虑混凝土和钢板的日照温差为10°)等。2.4组合梁刚度变化正常使用阶段,桥跨结构在列车竖向静活载的作用下,竖向挠度应满足以下条件:L≤30m,挠度δ≤L/2000;L>30m,挠度δ<L/1500,其中L为桥梁跨度。本文在分析过程中取槽形组合梁模型全长30.2m,跨度为30m。通过变化组合梁截面各参数,使其刚度满足正常使用阶段的刚度要求。在此基础上,根据各种荷载按照最不利组合情况进行大量的参数计算与分析,获得结构各参数变化对其承载性能的影响,从而比选出较合理的截面形式。初步计算分析结果表明图3(e)所示的截面形式较合理,建立其有限元模型如图5所示,其中预应力钢筋的位置如图3(e)所示。2.5槽形组合梁的荷载作用给定槽形组合梁截面的初始参数组A如下:底板宽度B=9000mm,腹板高度hw=1600mm,混凝土底板厚度hb=200mm,腹板厚twc=200mm,上翼缘宽度bf=1500mm,厚度hf=250mm,外伸宽度bf1=670mm;钢底板厚度tb=20mm,钢腹板厚度tw=16mm,翼缘tf=20mm;角隅加腋的宽度lh=600mm,高度lv=300mm,纵向肋宽度bb=500mm,高度hhl=400mm;底板钢肋的宽度和高度LBG=LBK=400mm,腹板厚度tlb=16mm,翼缘厚度tlf=20mm,肋板间距ss=3000mm;预应力钢筋直径采用准15.24mm,施加的预应大小为1095MPa。以上述截面形式为基础,变化以下主要参数:上翼缘宽度bf,厚度hf,腹板高度hw,纵向肋的宽度bb,混凝土加腋的宽度lh、高度lv,钢肋板的宽度LBK、高度LBG、间距ss,预应力大小Ps等。表1给出了考虑荷载最不利组合情况下,槽形组合梁中钢梁、混凝土板应力随截面参数变化(见表1)而变化情况的部分计算结果,表2中对不同参数的截面形式进行了分组(共分为5大组,各大组中以一个截面形式为基准,其他截面变化某些参数);σx、σy、σz分别为混凝土中沿3个坐标轴方向(见图5d)的应力;σsz为钢梁纵向应力,min、max分别表示最小值和最大值。从以上计算结果可以看出:(1)施加预应力后,混凝土的纵向拉应力大幅度降低,钢板应力明显增大;(2)改变横向肋板间距ss、横向钢肋板的厚度tlf、tlb对减小混凝土应力的作用很小;(3)加宽混凝土纵向肋宽度bb,对降低混凝土应力的作用较大;(4)减小混凝土翼缘厚度hf会导致混凝土拉应力增大,而适当增大翼缘厚度,有利于横向(x向)应力的减小;(5)从截面形式4和7的结果来看,增大混凝土底板厚度,对降低混凝土应力不明显;(6)从截面形式10、11、12、13的结果来看,其他参数相同的条件下,腹板高度增大时,混凝土的纵向应力有所降低,其他方向应力变化较小。(7)混凝土的最大主拉应力往往出现在跨中底板纵肋底板处,最大压应力出现在跨中翼缘板的顶面位置。此外,计算结果表明,温度和混凝土收缩及徐变对结构的受力性能影响较大,如图6所示。以表2中截面形式11的腹板高度为1.5m的双线槽形组合梁为例,计算结果如表3所示,荷载工况1:自重+预应力;荷载工况2:自重+预应力+二期恒载;荷载工况3:自重+预应力+二期恒载+活载;荷载工况4:在工况3的基础上+混凝土降低10°+混凝土收缩及徐变;其他符号含义同表2。从表3中混凝土的纵向应力σz的变化情况可以明显看出,对于这种槽形钢-混凝土组合梁而言,二期恒载和活载对该类结构的受力性能影响小于温度和混凝土收缩徐变所产生的效应。传统的混凝土槽形梁设计中上翼缘压应力较大往往难以控制,而本文所提出的槽形钢-混凝土组合梁中,混凝土收缩时受到钢板的约束从而在混凝土内产生拉应力,这个拉应力将部分抵消结构由其他荷载在上翼缘所产生的压应力,结构的内力分布更趋合理。与此同时,槽形梁在竖荷载的作用下表现出明显的空间作用特性,其钢底板和混凝土底板的中面纵向应力沿板宽的分布是不均匀的,表现出一定的剪力滞后现象,混凝土的剪力滞效应略为明显,如图6所示。图中纵坐标为单元的纵向应力,横坐标S为底板各单元距底板左端的距离。槽形钢-混凝土组合梁的剪力滞问题比传统的混凝土槽形梁更为复杂,相关内容尚待进一步深入分析。4新型槽形组合梁的技术特点本文主要介绍了一种新型的槽形(U形截面)钢-混凝土组合梁,它是指在槽形截面的钢梁内侧浇筑混凝土,钢板与混凝土通过抗剪连接件组合成整体共同工作,通过对两种材料的有效组合,可以充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压性能好的材料特点。这种下承式桥梁能克服传统的上承式桥梁对城市景观影响较大、对周边环境的噪音干扰等不足之处,而且它在继承传统的混凝土槽形梁集承载、降噪与运营系统等功能为一体的基础上,发挥了很多自身的优势,如这种槽形梁的混凝土直接利用钢板进行浇筑,无模板或使用较少模板进行施工,易于控制质量;结构受拉区外包钢板,避免混凝土裂缝暴露,便于维护,同时还能在一定程度上缓解目前频频发生的超高车辆撞击桥梁受损的现状,结构的安全性和耐久性较好。对于承受轨道及列车荷载的底板,下层钢板在横向和纵向均可以充分发挥抗拉强度。因此相对于混凝土槽形梁可大大简化构造,减少钢筋绑扎、焊接以及多向预应力张拉的困难。通过对这种新型槽形组合梁截面形式的初步比选分析表明:该结构截面各参数变化对结构