钢-混结合段设计的有限元分析

钢-混结合段设计的有限元分析

钢和混凝土的结合可以提高结构的力学。因此，近年来，混合梁桥的工程实例不断增多，斜拉桥的应用更加显著，如日本圣口桥、法国诺地板桥、吴汉白沙洲长江桥等。混合梁桥是指主梁沿长度方向由2种不同材料组成,主跨的梁体为钢梁,边跨(或伸入主跨一部分)的梁体为混凝土梁。这样的桥式一般具有跨越能力大、建造成本低的优点,而且由于边跨采用混凝土梁可以起到很好的锚固作用。对于混合梁桥,其具有独特的结构,钢梁与混凝土梁的结合段是材料特性的突变处,在选定结合段的构造时特别要注意钢梁与混凝土梁之间刚度过渡的匀顺和应力传递的顺畅,避免产生过大的应力集中和折角,确保桥面经久耐用和车辆行驶平稳舒适;同时,也要考虑到结合段施工的方便,在结合段浇入高流动性混凝土时要能保证其质量。目前国内外主要有以下几种构造方式:钢板式;填充混凝土前面钢板式;填充混凝土后面钢板式。1钢-混结合段某大桥为一座独塔自锚式混合型悬索桥,见图1,主跨为350m钢箱梁,主跨跨径是世界同类型桥梁中最大的,其他梁段为混凝土箱梁,跨度布置为39.64m+5×40m+30m+350m+30m+29.60m,桥梁全长680.20m(含伸缩缝宽),设计为双向10车道,主桥主孔桥宽为2×26.1m,设计车辆荷载为汽-超20、挂-120。钢-混结合段位置在M8和M9号墩上(见图1),是该桥设计的关键技术之一。M8和M9号墩上设厚度为200cm的混凝土横梁,向主跨侧伸出150cm;过渡段钢箱梁采用“U”肋上“∏”型加劲的方式,长3750mm,顶板厚28mm,底板厚28mm,纵隔板及外腹板厚16mm;结合段内设2道横隔板,间距1500mm;顶底板和腹板带肋条,都伸入混凝土梁,在肋条上开孔,穿钢筋形成PBL键,通过PBL剪力键和混凝土梁连接,钢梁和混凝土梁间设厚度为60mm的钢板作为承压板,通过栓钉和纵向预应力和混凝土梁连接。钢-混结合段结构构造见图2。目前,国内外虽已建成多座混合型斜拉桥,但自锚式混合型悬索桥目前还未见文献报道,即使是混合型斜拉桥,也很少有钢-混结合段的详细资料。钢-混结合段设有2种剪力连接键:栓钉和PBL键,前者已进行了大量研究,后者是自20世纪80年代以来研究发展的一种开孔钢板连接件,具有抗剪刚度、强度比较大,且不易受疲劳的影响的优点,国内对其研究尚处于起步阶段。为了对设计提供依据和提出建议,确保结构安全,对该桥钢-混结合段进行了空间有限元分析,并制作了1∶4缩尺模型,将2种方法相结合来研究钢-混结合段的受力性能。2结构模型及材料参数模型设计的原则为相似理论,要求模型与实桥几何相似、对应截面刚度相似、对应钢-混结合面受力相似。结合段两侧模型长度的选取考虑了圣维南原理,在两侧模型长度与其宽度相当,并且在两端设置用于加载的30cm混凝土实体段。模型混凝土配筋率、预应力、加劲肋等构造细节完全按实桥模拟。在模型设计时,钢-混结合面上的栓钉按竖向总体抗剪刚度相似设计:nm=ns⋅kskm⋅λnm=ns⋅kskm⋅λ。其中:nm为模型栓钉个数;ns为实桥栓钉个数;ks为实桥栓钉抗剪刚度;km为模型栓钉抗剪刚度;λ为相似比,实桥设置369个直径为19mm栓钉,抗剪刚度为443kN/mm,模型设置抗剪刚度为118kN/mm、直径为13mm栓钉,共设置347个。PBL键按面积比相似设计:实桥PBL键为99块1500mm×36mm×22mm钢板,孔径为60mm,PBL钢筋直径为25mm,模型PBL键采用99块375mm×90mm×6mm钢板,孔径40mm,PBL钢筋直径为14mm。实桥钢箱梁采用Q345C钢,但经理论分析知Q235C钢能满足模型的实验要求,故模型钢箱梁采用的是Q235C钢板,厚度为2~15mm,在钢箱梁制作过程中严格控制钢构件变形。钢板弹性模量为187GPa,屈服强度为258MPa。实桥混凝土梁采用C50混凝土,模型与其一致,混凝土梁分3段浇注(图3中①②③表示混凝土梁浇注顺序),并当混凝土达到相应强度后张拉体内预应力筋。模型混凝土弹性模量为47.0GPa,立方体强度为67.65MPa。制作完毕的模型长14.935m,宽5.1m,高0.875m,见图3。3模型测试3.1凝土梁、钢筋和预应力筋的应变分布及交界面的滑移1)沿模型长度方向挠度的分布,依此判断结合段的刚度变化;2)钢箱梁、混凝土梁、钢筋和预应力筋的应变分布,特别是结合段(包括沿梁长、截面高度、宽度方向的应变分布),以探明结合段的受力状态;3)钢与混凝土交界面的纵向滑移,以了解结合的可靠程度;4)混凝土表面裂缝发生、发展、分布和裂缝宽度的变化。3.2混凝土和钢箱梁的相对滑移模型加载方案见图4。模型体外预应力N外,竖向力P1和P2均用千斤顶进行多点加载,堆重用混凝土块堆砌加载,实验时在混凝土梁的梁端使用地锚限制其竖向位移。在模型底部沿模型纵向布置了2排竖向位移计(百分表),每排8个;钢箱梁和混凝土结合面的周边布置了11个千分表,测钢与混凝土之间的纵向和竖向相对滑移;在模型A,B,C,D,E,F,G,I,J,K截面上共布置252个电测测点,见图5;在钢箱梁的纵隔板、端隔板及HG1横隔板上布置12个应变花。3.3钢-混结合面初始受力经有限元分析可知实桥结合面处的弯矩、剪力和轴力分别为Ms,Qs和NS,则对应模型结合面处内力分别为Mm=Ms/43,Qm=Qs/42,Nm=NS/42。加载过程中,要求模型钢-混结合面处的内力与实桥对应位置相似,实验荷载分17个加载步,分别模拟实桥钢-混结合面在不同荷载时的受力情况,见表1。表中D表示模拟实桥恒载值,L表示模拟实桥活载值。由于模型在模型自重+体内预应力(Dm+N内)作用下,A截面混凝土顶板的平均拉应力已接近2.0MPa,继续增大荷载P1可能导致此处混凝土顶板先开裂,所以先施加荷载P2,使实验模型初始受力状态为Dm+N内+堆载q+P2(2×150KN)。试验测得的是荷载变化引起的模型应力和位移的变化值,模型实际应力应为(试验值+初始值),初始值通过有限元分析确定。4拉应力及压应力在各级荷载下对模型进行观测,并结合有限元分析的结果整理相关的数据,包括模型竖向位移,钢混结合面附近顺桥向应力、横桥向应力和剪应力的分布,结合面钢混相对滑移及裂缝分布等。仅在文中贴出部分图表,图中拉应力为正,压应力为负;竖向位移向下为正;D,D1,D2,D3分别对应荷载D,D+L,D+1.93L,D+2.57L,实测值为试验测得值,理论值为有限元分析值。4.1级荷载下的竖向位移图6所示为模型在D+L,D+1.5L及D+2L3级荷载下的竖向位移图。可以看出,竖向位移的试验值和理论值较吻合,竖向位移沿模型长度方向的曲线分布比较均匀,说明模型结合段的刚度变化比较匀顺。4.2顶板应力分析图7~9为模型部分顺桥向应力分布,可看出试验结果和理论计算吻合较好。图7所示表示的是模型混凝土梁段A截面顶板7个测点在17个加载步下每级荷载下的顺桥向应力值;图8所示表示的是D截面混凝土底板各测点在D,D1,D2,D3四级荷载下的顺桥向应力在截面处的横向分布;图9所示分别表示的是模型顶板4-4截面各测点在D,D1,D2,D3四级荷载下顺桥向应力沿顺桥向的分布。从图7可看出:模型混凝土箱梁段顶板在恒载D作用下受压,A截面顶板最大压应力为-3.97MPa,当荷载逐渐增加至D+1.29L(荷载步11),顶板为受拉且随着荷载的逐渐增加拉应力继续增大,在D+2.57L时,A截面顶板最大拉应力为3.85MPa。混凝土箱梁段底板在试验荷载作用下始终受压,压应力随荷载的增加不断增大,A截面底板最大压应力达-15.73MPa。钢箱梁段顶板在恒载D作用下受压,当荷载逐渐增加至D+1.29L,顶板为受拉且随着荷载的逐渐增加拉应力继续增大。钢箱梁段底板在试验荷载作用下始终受压,压应力随荷载的增加不断增大。模型混凝土箱梁和钢箱梁顶底板均出现剪滞效应,而钢箱梁则更为明显,应力横桥向分布很不均匀。从图8和可看出钢混结合段顺桥向应力分布无突变,结合面受力状态较好,传力比较匀顺。4.3点横桥向应力图10所示为模型部分横桥向应力分布,可看出试验结果和理论计算吻合较好。图10所示为D截面混凝土顶板各测点横桥向应力值的横向分布图。从图中可以看出:模型顶、底板横桥向应力与其顺桥向应力相比要小很多。模型底板在试验荷载作用下始终受压,压应力随荷载的增加不断增大。模型顶、底板横桥向应力剪滞效应明显,随荷载的增加横向应力在横桥向的分布越来越离散。另外,钢-混结合段横桥向应力分布无突变,结合面受力状态较好,传力比较匀顺。4.4d+2.5.2实验测得模型钢箱梁内两块纵隔板在结合面附近剪应力在恒载D作用下最小值为-16.0MPa,最大值为10.3MPa;在D+1.93L作用下最小值为23.8MPa,最大值为75.7MPa;在D+2.57L作用下最小值为38.8MPa,最大值为91.2MPa。试验结果和理论计算结果较吻合。4.5混凝土抗滑移性能在各级荷载作用下测得模型钢-混结合面相对滑移值,可看出相对滑移值非常小:结合段侧面竖向相对滑移值在恒载D作用下最大值为4.8μm,在D+2.57L作用下最大值为4.9μm;结合段侧面纵向相对滑移值在恒载D作用下最大值为27.8μm,在D+2.57L作用下最大值为33.8μm;顶面纵向相对滑移值在恒载D作用下最大值为4.8μm,在D+2.57L作用下最大值为4.9μm。在各级加载过程中,没有在混凝土梁上发现裂缝。这些都说明模型钢-混结合段的结合非常可靠。5混合式钢-混凝土结合段的设计1)大桥钢-混凝土结合段刚度变化匀顺,传力顺畅,结合可靠,有很强的承载力。在荷载为恒载+活载时,结合段处于弹性受力状态;当荷载加至恒载+二倍活载时,结合段仍完好无损。2)钢-混结合段采用了钢箱梁