鋼-混結(jié)合段設(shè)計的有限元分析

鋼-混結(jié)合段設(shè)計的有限元分析

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，混合梁橋的工程實例不斷增多，斜拉橋的應(yīng)用更加顯著，如日本圣口橋、法國諾地板橋、吳漢白沙洲長江橋等?；旌狭簶蚴侵钢髁貉亻L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,而且由于邊跨采用混凝土梁可以起到很好的錨固作用。對于混合梁橋,其具有獨特的結(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)造時特別要注意鋼梁與混凝土梁之間剛度過渡的勻順和應(yīng)力傳遞的順暢,避免產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中和折角,確保橋面經(jīng)久耐用和車輛行駛平穩(wěn)舒適;同時,也要考慮到結(jié)合段施工的方便,在結(jié)合段澆入高流動性混凝土?xí)r要能保證其質(zhì)量。目前國內(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)合段某大橋為一座獨塔自錨式混合型懸索橋,見圖1,主跨為350m鋼箱梁,主跨跨徑是世界同類型橋梁中最大的,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680.20m(含伸縮縫寬),設(shè)計為雙向10車道,主橋主孔橋?qū)挒?×26.1m,設(shè)計車輛荷載為汽-超20、掛-120。鋼-混結(jié)合段位置在M8和M9號墩上(見圖1),是該橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。M8和M9號墩上設(shè)厚度為200cm的混凝土橫梁,向主跨側(cè)伸出150cm;過渡段鋼箱梁采用“U”肋上“∏”型加勁的方式,長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,在肋條上開孔,穿鋼筋形成PBL鍵,通過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)造見圖2。目前,國內(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文獻報道,即使是混合型斜拉橋,也很少有鋼-混結(jié)合段的詳細資料。鋼-混結(jié)合段設(shè)有2種剪力連接鍵:栓釘和PBL鍵,前者已進行了大量研究,后者是自20世紀80年代以來研究發(fā)展的一種開孔鋼板連接件,具有抗剪剛度、強度比較大,且不易受疲勞的影響的優(yōu)點,國內(nèi)對其研究尚處于起步階段。為了對設(shè)計提供依據(jù)和提出建議,確保結(jié)構(gòu)安全,對該橋鋼-混結(jié)合段進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)計的原則為相似理論,要求模型與實橋幾何相似、對應(yīng)截面剛度相似、對應(yīng)鋼-混結(jié)合面受力相似。結(jié)合段兩側(cè)模型長度的選取考慮了圣維南原理,在兩側(cè)模型長度與其寬度相當,并且在兩端設(shè)置用于加載的30cm混凝土實體段。模型混凝土配筋率、預(yù)應(yīng)力、加勁肋等構(gòu)造細節(jié)完全按實橋模擬。在模型設(shè)計時,鋼-混結(jié)合面上的栓釘按豎向總體抗剪剛度相似設(shè)計:nm=ns?kskm?λnm=ns?kskm?λ。其中:nm為模型栓釘個數(shù);ns為實橋栓釘個數(shù);ks為實橋栓釘抗剪剛度;km為模型栓釘抗剪剛度;λ為相似比,實橋設(shè)置369個直徑為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。PBL鍵按面積比相似設(shè)計:實橋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鋼能滿足模型的實驗要求,故模型鋼箱梁采用的是Q235C鋼板,厚度為2~15mm,在鋼箱梁制作過程中嚴格控制鋼構(gòu)件變形。鋼板彈性模量為187GPa,屈服強度為258MPa。實橋混凝土梁采用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),并當混凝土達到相應(yīng)強度后張拉體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋。模型混凝土彈性模量為47.0GPa,立方體強度為67.65MPa。制作完畢的模型長14.935m,寬5.1m,高0.875m,見圖3。3模型測試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、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滑移模型加載方案見圖4。模型體外預(yù)應(yīng)力N外,豎向力P1和P2均用千斤頂進行多點加載,堆重用混凝土塊堆砌加載,實驗時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(百分表),每排8個;鋼箱梁和混凝土結(jié)合面的周邊布置了11個千分表,測鋼與混凝土之間的縱向和豎向相對滑移;在模型A,B,C,D,E,F,G,I,J,K截面上共布置252個電測測點,見圖5;在鋼箱梁的縱隔板、端隔板及HG1橫隔板上布置12個應(yīng)變花。3.3鋼-混結(jié)合面初始受力經(jīng)有限元分析可知實橋結(jié)合面處的彎矩、剪力和軸力分別為Ms,Qs和NS,則對應(yīng)模型結(jié)合面處內(nèi)力分別為Mm=Ms/43,Qm=Qs/42,Nm=NS/42。加載過程中,要求模型鋼-混結(jié)合面處的內(nèi)力與實橋?qū)?yīng)位置相似,實驗荷載分17個加載步,分別模擬實橋鋼-混結(jié)合面在不同荷載時的受力情況,見表1。表中D表示模擬實橋恒載值,L表示模擬實橋活載值。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裂,所以先施加荷載P2,使實驗?zāi)Ｐ统跏际芰顟B(tài)為Dm+N內(nèi)+堆載q+P2(2×150KN)。試驗測得的是荷載變化引起的模型應(yīng)力和位移的變化值,模型實際應(yīng)力應(yīng)為(試驗值+初始值),初始值通過有限元分析確定。4拉應(yīng)力及壓應(yīng)力在各級荷載下對模型進行觀測,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;豎向位移向下為正;D,D1,D2,D3分別對應(yīng)荷載D,D+L,D+1.93L,D+2.57L,實測值為試驗測得值,理論值為有限元分析值。4.1級荷載下的豎向位移圖6所示為模型在D+L,D+1.5L及D+2L3級荷載下的豎向位移圖?？梢钥闯?豎向位移的試驗值和理論值較吻合,豎向位移沿模型長度方向的曲線分布比較均勻,說明模型結(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,可看出試驗結(jié)果和理論計算吻合較好。圖7所示表示的是模型混凝土梁段A截面頂板7個測點在17個加載步下每級荷載下的順橋向應(yīng)力值;圖8所示表示的是D截面混凝土底板各測點在D,D1,D2,D3四級荷載下的順橋向應(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截面各測點在D,D1,D2,D3四級荷載下順橋向應(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,A截面頂板最大拉應(yīng)力為3.85MPa?；炷料淞憾蔚装逶谠囼灪奢d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-15.73MPa。鋼箱梁段頂板在恒載D作用下受壓,當荷載逐漸增加至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)力分布無突變,結(jié)合面受力狀態(tài)較好,傳力比較勻順。4.3點橫橋向應(yīng)力圖10所示為模型部分橫橋向應(yīng)力分布,可看出試驗結(jié)果和理論計算吻合較好。圖10所示為D截面混凝土頂板各測點橫橋向應(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越離散。另外,鋼-混結(jié)合段橫橋向應(yīng)力分布無突變,結(jié)合面受力狀態(tài)較好,傳力比較勻順。4.4d+2.5.2實驗測得模型鋼箱梁內(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。試驗結(jié)果和理論計算結(jié)果較吻合。4.5混凝土抗滑移性能在各級荷載作用下測得模型鋼-混結(jié)合面相對滑移值,可看出相對滑移值非常小:結(jié)合段側(cè)面豎向相對滑移值在恒載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。在各級加載過程中,沒有在混凝土梁上發(fā)現(xiàn)裂縫。這些都說明模型鋼-混結(jié)合段的結(jié)合非?？煽俊?混合式鋼-混凝土結(jié)合段的設(shè)計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,有很強的承載力。在荷載為恒載+活載時,結(jié)合段處于彈性受力狀態(tài);當荷載加至恒載+二倍活載時,結(jié)合段仍完好無損。2)鋼-混結(jié)合段采用了鋼箱梁