大跨鋼—混凝土結合梁斜拉橋傳力機理

第48卷第3期2013年6月西南交通大學學報JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITYVol.48No.3Jun. 2013

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（50808150）

作者簡介： 衛星（1976-），男，副教授，博士，研究方向為鋼結構橋梁受力行為，E-mail：we_star@home.swjtu.edu.cn

文章編號： 0258-2724（2013）03-0402-07DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.002

摘要： 為探討大跨結合梁斜拉橋中鋼主梁與混凝土板的傳力機理，采用梁段模型試驗與有限元數值分析相結合的方法，對觀音巖長江大橋主梁的受力性能進行了研究.用有限元軟件ANSYS建立標準梁段的空間有限元模型，對不同組合荷載作用下結合梁的應力分布進行了彈性分析；考慮材料的非線性特性和剪力釘荷載-滑移的非線性關系，對設計荷載組合下結合梁的力學行為進行了彈塑性分析.在此基礎上，采用1∶2的縮尺比例進行模型試驗研究，測試了不同荷載組合下結合梁截面的應力.研究結果表明：在設計荷載組合作用下，混凝土板與鋼主梁間的相對滑移較小，剪力釘能有效抗剪，保證結構整體受力性能的要求；結合梁截面應力基本滿足平截面假定，鋼主梁以抗彎為主，混凝土板承擔較大截面壓力.

關鍵詞： 斜拉橋；鋼-混凝土結合梁；模型試驗；有限元法；應力分布

中圖分類號： U448.27 文獻標志碼： A

國內外的工程實踐表明，鋼-混凝土組合結構能充分發揮混凝土抗壓性能好和鋼材抗拉與抗壓強度均較高的材料特性，具有較好的經濟效益[1].鋼-混凝土組合梁中，2種材料交界處變形協調是保證結構在各種荷載作用下處于聯合工作狀態的前提.為保證混凝土橋面板與鋼梁共同受力，它們之間要設置剪力連接件，這樣結構內力根據2種材料的截面剛度以一定比例分配.

國外對鋼-混凝土結合梁的研究起步較早[2]，歐美國家已制定較系統的鋼-混凝土組合結構設計規范[3].20世紀50年代開始，國內學者對受彎狀態下的簡支梁、連續結合梁的內力計算和翼緣的有效寬度進行了較深入的研究，提出了一些計算方法.隨著鋼-混凝土組合梁的廣泛應用，國內外學者開始對復雜受力狀態及長期荷載作用下鋼-混凝土組合梁的受力狀態和設計方法進行了研究[4-7].

目前，鋼-混凝土結合梁已成為大跨斜拉橋主梁的基本形式之一，對于鋼-混凝土結合梁斜拉橋，分析軸力和彎矩共同作用下混凝土橋面板與鋼主梁的聯合作用是十分必要的，因為通過對鋼-混凝土結合梁應力分布規律的研究，可以確定截面上內力分配關系.

1

江津觀音巖長江大橋結合梁受力特點

江津觀音巖長江大橋主橋全長879 m，橋面寬36.2 m，采用縱向半漂浮體系，橋跨布置為35.5 m+186.0 m+436.0 m+186.0 m+35.5 m，如圖1所示.斜拉橋主梁采用雙工字型鋼梁與混凝土板共同受力的結合梁，中間用剪力釘連接.橫橋向2個鋼主梁的中心間距為35.2 m，橋面混凝土板厚26cm，鋼主梁頂部加厚為40cm[8].

其主橋結合梁斜拉橋主梁由鋼縱梁、鋼橫梁構成的鋼梁格結構與混凝土橋面板組成.在工廠制造的鋼梁格頂面焊有抗剪栓釘，在施工現場通過現澆混凝土接縫使混凝土橋面板與鋼梁格連接成整體共同受力.

在鋼-混凝土結合梁中，栓釘剪力連接件是鋼梁與混凝土橋面板共同工作的基礎.由鋼主梁、混凝土板和栓釘剪力連接件組成的結合梁，可能發生的破壞形式包括彎曲破壞、鋼梁失穩破壞、界面縱向剪切破壞等.

結合梁彎曲破壞是在彎曲應力作用下，受壓區混凝土壓碎，鋼梁受拉或受壓屈服，結構在發生強度破壞前沒有發生鋼梁板件失穩和界面剪切破壞；鋼梁失穩破壞是在壓力或剪力作用下鋼主梁局部板件喪失穩定，退出工作；界面縱向剪切破壞是由于剪力連接件抗剪強度不足，在荷載作用下鋼-混凝土界面成為結合梁的薄弱環節，界面喪失抗剪承載能力，產生較大相對滑移.

2

結合梁鋼-混組合效應有限元分析

國內外學者對鋼-混凝土組合梁的計算方法進行了不少研究[9-13].目前，在國內外設計規范[14-15]中，對鋼-混凝土組合橋進行彈性分析和設計時，一般采用換算截面法.由于鋼-混凝土結合梁斜拉橋主梁的受力不同于普通鋼-混凝土連續梁，換算截面法一般不適用.隨著有限元計算理論的發展和計算機軟硬件計算能力的不斷提高，作為結構分析的重要方法及有效手段，有限元法被用于研究鋼-混凝土組合橋梁.

根據抗剪連接件的實際受力狀態，可將結合梁界面工作的全過程劃分為彈性工作階段和彈塑性工作階段.基于抗剪連接件不同的工作狀態，對結合梁鋼-混凝土組合效應的分析也分為彈性分析和彈塑性分析.

2.1

彈性分析

用有限元軟件ANSYS，采用板、實體混合單元，建立觀音巖長江大橋結合梁標準梁段的空間局部計算模型，見圖2.計算模型采用懸臂結構，橫橋向取全寬36.2 m，順橋向長36.0 m.

對結合梁進行彈性分析時，采用了以下假定：

（1） 鋼材與混凝土材料均采用彈性本構關系；

（2） 混凝土板與鋼梁翼緣板間連接可靠，相對滑移很小，可忽略不計；

（3） 混凝土板全截面受壓，不考慮混凝土板中的鋼筋；

（4） 當混凝土板中施加預應力時，負彎矩區段的混凝土板不開裂，參與主梁整體的組合作用.

根據彈性工作狀態下的上述基本假定，在結合梁局部分析模型中，不考慮剪力釘的滑移，混凝土橋面板與主梁間的剪力釘連接以及混凝土橋面板與橫梁間的剪力釘連接按完全固結考慮.圖3給出了彈性工作狀態時，塔根截面承載力極限狀態最大軸力工況下鋼主梁的應力分布.

為研究結合梁中鋼主梁和混凝土橋面板縱向正應力分布以及二者的應力分配關系，在局部分析模型上沿鋼主梁腹板定義應力路徑，見圖4.

圖5給出了不同設計荷載組合作用下主梁跨中截面、塔根截面鋼主梁及混凝土橋面板沿應力路徑的縱橋向正應力分布.

2.2

彈塑性分析

鋼-混凝土組合結構中，鋼與混凝土組合截面的整體承載力和截面剛度取決于鋼與混凝土界面上剪應力的有效傳遞.隨荷載增大，鋼與混凝土界面間的自然粘結無法保證界面處變形協調，此時需要通過設置抗剪連接件以保證鋼梁與混凝土板共同受力.抗剪連接件一方面承擔鋼梁與混凝土板之間的縱向剪力，限制兩者間的縱向相對滑移，同時也可抵抗兩者之間的豎向脫離作用.

國內外研究表明，鋼梁與混凝土板間豎向掀起作用較小，通常可以忽略，但相對滑移影響較大.鋼-混凝土結合梁中廣泛使用的栓釘連接件屬于柔性連接件，當按部分剪力連接設計時，由于連接件剛度較小，具有較大的塑性變形能力，鋼梁與混凝土翼板之間允許出現相對滑移，并產生縱向剪力重分布，其受力情況比較復雜.

鋼-混凝土結合梁的彈塑性力學行為分析涉及2種材料的非線性特性及界面連接狀態的非線性.對鋼-混凝土結合梁進行彈塑性分析時，應考慮鋼材、混凝土材料的非線性本構關系，并考慮混凝土與鋼梁交界面之間的滑移以及連接件的變形，能考慮混凝土開裂后裂縫的分布及其對結構強度、剛度的影響.針對橋面板較寬的特點，應考慮剪力連接件荷載-位移曲線的非線性.有限元分析時，剪力連接件的非線性荷載-滑移關系一般可考慮為混凝土單元與鋼結構單元間的彈性約束.

對觀音巖大橋結合梁標準梁段進行彈塑性分析時，將鋼材視為理想彈塑性材料，混凝土按非線性材料考慮，混凝土開裂后退出工作；混凝土橋面板與鋼梁間僅通過剪力連接件連接，不考慮混凝土橋面板與鋼梁翼緣板間界面粘結關系，混凝土橋面板與鋼主梁上翼緣之間存在滑移.通過在鋼結構與混凝土結構間引入彈簧單元來模擬栓釘剪力連接件.根據剪力釘推出試驗測試得到的荷載-滑移曲線（圖6），確定彈簧單元的剛度參數.

圖7為彈塑性分析得到的塔根截面承載力極限狀態最大軸力工況下鋼主梁的應力分布.

計算結果表明，彈簧單元對鋼梁與混凝土橋面板間的滑移模擬效果較好，混凝土橋面板上應力重分配現象較明顯.若不考慮剪力連接件的非線性滑移關系，橋面板邊緣會出現較大的應力集中，這與實際情況不符.

通過比較最不利設計荷載組合下彈塑性分析結果與彈性分析結果發現，2種分析方法得到的結合梁主梁、橫梁及混凝土橋面板的應力分布基本相近.在最不利設計荷載組合下，結合梁混凝土橋面板與鋼梁間的栓釘連接件連接可靠，混凝土橋面板與鋼梁間發生的相對滑移較小.

3

結合梁梁段模型試驗

3.1

試驗模型設計

根據實橋標準梁段構造，按 1∶2 的縮尺比例制作標準梁段試驗模型，對結合梁鋼-混凝土組合效應進行模型試驗研究.試驗模型橫向采用半幅梁段，縱橋向包含3道橫梁，為加載方便試驗模型上設計了主梁加載梁、對稱約束構件、主體與剪力墻的連接構件、支墩等輔助結構，見圖8.

主梁板件選取范圍根據圣維南原理及加載的需要確定，在標準梁段的3個橫梁之間取2個節間，在邊橫梁外側各取1/2個節間，試驗梁段模型縱向長6 m，該長度能夠保證主梁和橫梁腹板的應力狀態和屈曲模態與實橋基本相同.

為了較準確地模擬實際梁段結構的力學邊界條件，對試驗模型的混凝土板采用張拉鋼絞線的方式施加軸力，用千斤頂施加剪力和彎矩；對于工字形鋼主梁，在主梁加載梁上用千斤頂通過調整加載點位置施加軸力、剪力和彎矩.為模擬實際梁段結構的位移邊界條件，試驗模型橫梁自由端處通過輔助構件與剪力墻連接，中間設置聚四氟乙烯板模擬梁段中心線處的對稱約束；此外，采用輔助構件通過張拉鋼絞線將試驗模型一端錨固在剪力墻上，形成懸臂結構.

3.2

加載及測試方案

根據斜拉橋主梁受力特點，梁段同時受軸力、彎矩及剪力作用，不同位置處截面在不同荷載組合下，處于不同的內力組合狀態.試驗模型通過千斤頂施加軸力和彎矩，圖9為試驗模型加載情況.

為研究不同設計荷載組合下梁段截面的應力狀態和鋼-混凝土截面的受力特征，模型試驗中，截面內力按分項加載按需組合的原則設計.根據試驗研究內容確定試驗加載工況，各加載工況下的荷載值根據斜拉橋全橋分析結果確定，見表1.

考慮了4種加載工況對江津觀音巖長江大橋結合梁梁段進行模型試驗，分別為跨中截面正常使用最大軸力組合、跨中截面承載能力最小彎矩組合、根部截面承載能力最大軸力組合、根部截面承載能力最大彎矩組合.

試驗模型正式加載前對模型進行預加載，按設計荷載的50%進行加載、卸載2次.各試驗加載工況中，為保證測試數據的穩定性，在各級荷載作用下保持5 min，再進行應變測試.

圖10為鋼主梁上應變測點的分布情況.

根據結構受力特點，在試驗模型上合理設置應變測點.根據有限元數值分析結果，對于應變變化梯度較大的區域布置較密的測點.為研究主梁主要板件的應力變化規律，在試驗模型上設置5個斷面進行分析.在研究斷面的混凝土橋面板、鋼主梁翼緣板和腹板、橫梁腹板和翼緣板、加勁肋上布置應變測點.其中受力狀態復雜的測點采用三軸應變花，受力狀態簡單的測點采用單軸應變片.試驗模型上共布置了220個測點，應變片布置在主梁、橫梁、混凝土板及剪力釘上，應變花布置在橫梁與主梁連接處的拼接板上.

3.3

試驗測試結果

圖11給出了按跨中截面正常使用極限狀態最大軸力組合加載和按塔根截面承載能力極限狀態最大軸力組合加載時，試驗模型部分測點的應力隨荷載的變化.

從圖11可見，在設計荷載作用下，梁段處于彈性工作狀態，測點應力隨荷載增大基本呈線性關系變化.

圖12～14分別給出了工況2、3、4荷載組合下，試驗模型截面沿結合梁高度方向測點應力的變化情況.

通過比較試驗模型測試應力與計算應力沿梁高的變化情況可以看出，各荷載工況下截面應力峰值大致相同，應力分布規律基本一致，結合梁截面應力基本滿足平截面假定.

假定應力在橋面板內沿厚度方向均勻分布，板件長度方向按線性插值計算，由模型試驗得到的測點應力可以近似合成截面上鋼主梁和混凝土橋面板所分配的內力.計算表明，在設計荷載作用下，鋼主梁承擔約80%的彎矩和約40%的軸力，其余由混凝土板承受.

4

結論

根據本文進行的觀音巖長江大橋梁段模型試驗及有限元數值模擬計算結果，可以得到以下結論：

（1） 在設計荷載組合作用下，觀音巖長江大橋結合梁處于彈性工作狀態，截面應變（力）基本滿足平截面假定.

（2） 設計荷載作用下，混凝土橋面板與鋼主梁間的相對滑移較小，混凝土橋面板與鋼梁翼緣之間栓釘連接可靠，滿足結構整體受力性能的要求.

（3） 在設計荷載作用下，截面彎矩主要由鋼主梁承擔，截面軸力主要由混凝土板承擔.

（4） 鋼梁與混凝土板界面上剪應力的有效傳遞是結合梁整體工作性能的保證.彈塑性分析時，可以將剪力釘模擬成混凝土與鋼結構之間的彈簧（彈性）約束，而彈簧參數一般可以由推出試驗確定.

參考文獻：

[1]嚴國敏. 現代斜拉橋[M]. 成都：西南交通大學出版社，1996： 93-95.

[2]NEWMARK N M， SIESS C P， VIEST I M. Test and analysis of composite beams with incomplete interaction[J]. Experimental Stress Analysis， 1951，9（6）： 896-901.

[3]European Committee for Standardization （CEN）. Eurocode 4 Design of composite steel and concrete structures， part 2： composite bridges[S]. Brussels： European Committee for Standardization， 1994.

[4]毛學民. 鋼-混凝土組合梁界面特性分析與加勁板-混凝土組合板荷載分布寬度試驗研究[D]. 成都：西南交通大學土木工程學院，2006.

[5]杜振華. 大跨度斜拉橋鋼-混結合梁組合效應研究[D]. 成都：西南交通大學土木工程學院，2009.

[6]黃鋮. 大跨度結合梁斜拉橋的鋼-混凝土組合效應研究[D]. 福州：福州大學土木工程學院，2003.

[7]PU Qianhui， BAI Guangliang. Internal force distribution in steel-concrete composite structure for pylon of cable-stayed bridge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University： English Edition， 2009， 17（2）： 95-100.

[8]西南交通大學土木工程學院. 大跨結合梁斜拉橋穩定性及鋼-混凝土組合效應研究報告[R]. 成都：西南交通大學土木工程學院，2009.

[9]雷宇，趙雷，黎曦. 大跨度組合梁斜拉橋極限承載力影響因素分析[J]. 西南交通大學學報，2009，44（6）： 812-816.

LEI Yu， ZHAO Lei， LI Xi. Influencing factors of ultimate load-bearing capacity of long-span composite girder cable-stayed bridge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2009， 44（6）： 812-816.

[10]OLIVEIRA PEDRO J J， REIS A J. Nonlinear analysis of composite steel concrete cable-stayed bridges[J]. Engineering Structures， 2010， 32（9）： 2702-2716.

[11]NAKAMURA S， MOMIYAMA Y， HOSAKA T， et al. New technologies of steel-concrete composite bridges[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2002， 58： 99-130.

[12]AMADIO C， FEDRIGO C， FRAGIACOMO M， et al. Experimental evaluation of effective width in steel-concrete composite beams[J]. Journal of Construc-tional Steel Research， 2004， 60： 199-220.

[13]CHUNG W， SOTELINO E D. Nonlinear finite-element analysis of composite steel girder bridges[J]. Journal of Structural Engineering， 2005， 131（2）： 304-313.

[14]中華人民共和國交通部. JTJ025—86 公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S]. 北京：人民交通出版社，1988.

[15]American Association of State Highway and Transpor-tation Officials （AASHTO）. AASHTO LRFD bridge design specifications[S]. Washington DC： American Association of State Highway and Transportation Officials， 2005.