鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究綜述?

唐楊

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 400074)

引言

近年來,中國(guó)的橋梁工程朝著墩高更高、跨徑更大、橋長(zhǎng)更長(zhǎng)的方向蓬勃發(fā)展,其中研究最多的要數(shù)跨徑方面,跨徑的增大必須在材料上和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有創(chuàng)造性的發(fā)展,主要集中在輕質(zhì)高強(qiáng)材料的運(yùn)用和結(jié)構(gòu)上降低自重兩個(gè)方面。在這兩點(diǎn)上鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)得到了充分的發(fā)揮,而鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)就是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的杰出代表。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)造見圖1。

鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)思來源于波形鋼腹板混凝土組合結(jié)構(gòu),由于大跨徑橋梁的截面較高,采用波形鋼板容易出現(xiàn)局部穩(wěn)定性問題,同時(shí)大截面的波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁的抗風(fēng)能力效果不好,從而出現(xiàn)了采用鋼腹桿代替鋼腹板的設(shè)想[1,2]。鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)也繼承了波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)自重輕、預(yù)應(yīng)力效率高、懸臂施工方便、施工時(shí)間短、工業(yè)化程度高、環(huán)境效果佳[3]等優(yōu)點(diǎn),適用于大跨度結(jié)構(gòu)橋梁的建造。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在國(guó)外發(fā)展較早,大約出現(xiàn)在20 世紀(jì)80 年代,而我國(guó)的發(fā)展是在21世紀(jì)初期。在國(guó)外,1985 年法國(guó)建成了世界上第一座鋼腹桿- 混凝土組合結(jié)構(gòu)橋——Arbois 橋,1997 年又建成了Boulonains 橋[4],之后相繼建成了Shitsumi 橋、Sarutagawa 橋、Tomoegawa 橋等鋼腹桿-混凝土組合連續(xù)梁橋,2003 年日本建成了首座鋼腹桿- 混凝土組合結(jié)構(gòu)橋——Kinokawa橋。葡萄牙建成了世界上首座采用鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)為主梁的斜拉橋——Europe 橋[5]。在國(guó)內(nèi),深圳大學(xué)1 號(hào)橋采用雙層橋面預(yù)應(yīng)力混凝土鋼腹桿- 混凝土組合結(jié)構(gòu)[6],2010 年建成通車的上海閔浦大橋[7]的邊跨主梁也運(yùn)用了鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)[8]。從國(guó)內(nèi)外鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)中可以看出,這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)運(yùn)用到了連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋、懸索橋等大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)中[9-11]。從國(guó)內(nèi)外橋梁建造的實(shí)例對(duì)比來看,國(guó)外對(duì)此種新型結(jié)構(gòu)的運(yùn)用已經(jīng)較多,并且運(yùn)用到各種橋梁結(jié)構(gòu)體系,而中國(guó)剛剛處于起步階段。

本文將針對(duì)鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納分析,主要針對(duì)此種組合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究和受力特性研究進(jìn)行整理歸納,從中了解目前該組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)其研究重點(diǎn)以及需要進(jìn)一步深入研究的問題。

1 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究

鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法主要有理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算建模,理論計(jì)算方法致力于得到較為便捷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,數(shù)值計(jì)算方法在考慮計(jì)算成本的前提下致力于建立準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算模型。

1.1 理論計(jì)算方法

浙江大學(xué)的王彤[12]等通過抗剪等效為原則的等厚腹板換算,引入上、下翼板獨(dú)立軸向位移自由度的手法,基于一般箱梁的計(jì)算理論,建立了鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的基本微分方程和單元?jiǎng)偠确匠?推導(dǎo)了單元?jiǎng)偠染仃嚨挠?jì)算公式。該方法基于平面桿系結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法,通過與有限元分析結(jié)果對(duì)比,其計(jì)算結(jié)果能夠較為精確地反映結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力以及腹桿軸力,在工程設(shè)計(jì)中具有較好的實(shí)用性。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),一般認(rèn)為鋼腹桿- 混凝土組合結(jié)構(gòu)的腹板不連續(xù),使得頂、底板縱向應(yīng)變的平截面假定不成立,不能采用單一的梁?jiǎn)卧M整個(gè)鋼腹桿-混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)[13],同時(shí)從橋面板局部設(shè)計(jì)考慮,橋面板處于點(diǎn)支承受力狀態(tài),按照現(xiàn)行橋規(guī)的橋面板計(jì)算圖示進(jìn)行計(jì)算分析可能存在較大差異。

根據(jù)鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),目前采用的模型計(jì)算方法有平面桁架模型、板-桁混合模型、空間梁格模型和實(shí)體模型。

平面桁架模型是將上下混凝土板簡(jiǎn)化為上、下弦桿和鋼腹桿組成平面桁架結(jié)構(gòu),能夠較為精確地計(jì)算整體的受力行為,無法模擬結(jié)構(gòu)的空間受力。

板-桁混合模型是將混凝土板采用板殼單元模擬,鋼腹桿采用梁?jiǎn)卧M,能夠反映結(jié)構(gòu)的空間受力,但是結(jié)果只有應(yīng)力輸出,對(duì)于上、下混凝土板按照規(guī)范進(jìn)行配筋極為不便。

黃華琪等[14]通過對(duì)比平面桁架模型和板-桁混合模型,提出了既能有效計(jì)算全橋整體受力又能模擬結(jié)構(gòu)空間受力的空間梁格模型?？臻g梁格模型將上、下混凝土板離散為正交梁格模型,不同于考慮寬箱梁的Hambly 平面梁格,Hambly平面梁格只是橫橋向有多個(gè)梁格,縱橋向僅為一個(gè)梁格,黃華琪采用的空間梁格模型是同時(shí)在橫橋向和縱橋向有多個(gè)梁格?？v向梁格按照頂、底板劃分的橫截面形狀建立,橫向梁格的寬度小于橋面板的荷載有效分布寬度即可。研究表明,當(dāng)沿橫橋向頂、底板截面劃分的縱向梁格較為稀疏時(shí),空間梁格模型只能精確地反映結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力和跨中撓度,當(dāng)加密縱向梁格時(shí),空間網(wǎng)格模型也能較為精確地反映橫橋向應(yīng)力。與黃華琪的研究思路相似,陳維[15]通過建立實(shí)體模型與簡(jiǎn)單梁格模型和精細(xì)化的梁格模型對(duì)鋼腹桿-混凝土組合箱梁進(jìn)行對(duì)比受力分析,研究表明梁格模型具有足夠的精確度。

實(shí)體模型是最為直接的建模方法,上、下混凝土板采用實(shí)體單元建模,鋼腹桿采用梁?jiǎn)卧?該方法可以精確反映結(jié)構(gòu)的整體受力和局部受力,但是網(wǎng)格劃分較密時(shí)計(jì)算分析較為困難,同時(shí)計(jì)算結(jié)果與板-桁混合模型一樣,只有應(yīng)力而沒有內(nèi)力結(jié)果,不便于進(jìn)行下一步的結(jié)構(gòu)配筋。綜合來看,該方法只適用于學(xué)術(shù)研究,不適用于工程實(shí)際。

2 受力特性研究

鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)采用鋼腹桿代替了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁厚重的腹板,其受力特性必將產(chǎn)生較大的變化,下面將對(duì)鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪、抗扭、剪力滯效應(yīng)、節(jié)點(diǎn)局部受力、極限承載能力以及動(dòng)力特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行整理分析。

2.1 抗彎性能

雷聰[16,17]通過對(duì)一座簡(jiǎn)支鋼腹桿-混凝土組合梁橋進(jìn)行抗彎分析,研究表明當(dāng)梁承受純彎或者剪力較小時(shí),整個(gè)截面內(nèi)縱向正應(yīng)變分布近似符合平截面假定; 截面的剪應(yīng)力對(duì)縱向正應(yīng)力的分布影響較大,對(duì)于彎剪作用均較大的截面其縱向正應(yīng)變呈三折線分布; 截面的抗彎主要由上、下混凝土承擔(dān)。同時(shí),研究表明鋼腹桿-混凝土組合梁的翼緣板可以提高抗彎承載能力,剪力鍵的數(shù)量和排布方式對(duì)組合結(jié)構(gòu)的抗彎能力影響很大。

蔡芬芳[18]以深圳南山大橋?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原型,對(duì)鋼腹桿-混凝土組合梁橋進(jìn)行試設(shè)計(jì),研究表明在恒載相差不大的條件下,鋼腹桿-混凝土組合梁橋的恒載撓度是波形鋼腹板組合梁橋的1.5倍,其結(jié)構(gòu)抗彎剛度明顯偏低。

張妙平[19]以深圳南山大橋?yàn)楣こ瘫尘?通過對(duì)比PC 混凝土組合箱梁、波形鋼腹板組合箱梁和鋼腹桿-混凝土組合箱梁在彈性階段的跨中截面撓度,發(fā)現(xiàn)鋼腹桿-混凝土組合箱梁的撓度最大。

根據(jù)以上鋼腹桿-混凝土組合箱梁的抗彎性能研究現(xiàn)狀,說明鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗彎剛度偏低,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該引起足夠重視。為了改善抗彎剛度偏低的情況,由于結(jié)構(gòu)的抗彎主要由上、下混凝土板承擔(dān)[20],可以考慮增大截面高度,以此來增加截面的慣性矩從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。

2.2 抗剪性能

雷聰[17]通過對(duì)一座鋼腹桿-混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋跨中施加集中荷載,分析結(jié)果顯示在L/4 截面附近的混凝土頂板有節(jié)點(diǎn)的截面,混凝土板承擔(dān)全部剪力的40%,其余截面混凝土板承擔(dān)的剪力僅僅占總剪力的10%。由此可見,鋼腹桿-混凝土組合梁的剪力主要由鋼腹桿承擔(dān),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮混凝土的抗剪能力。

試驗(yàn)分析表明,鋼腹桿-混凝土組合梁的失效模式都是典型的彎曲破壞,抗剪承載力具有足夠的安全度。由此可見結(jié)構(gòu)的抗剪設(shè)計(jì)一般偏于保守,由于鋼腹桿的穩(wěn)定性較好,不易發(fā)生屈曲破壞,所以對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗剪性能研究較少。

2.3 抗扭性能

方映平[21]對(duì)鋼腹桿-混凝土組合箱梁的抗扭性能進(jìn)行研究,研究表明合理布置橫隔板能夠顯著提高鋼腹桿-混凝土組合箱梁的抗扭性能。

雷聰[17]對(duì)偏心活載作用下的鋼腹桿-混凝土組合箱梁橋進(jìn)行扭轉(zhuǎn)分析,研究表明此種結(jié)構(gòu)的偏載效應(yīng)顯著,不適宜采用經(jīng)驗(yàn)值1.15,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)放大,建議采用1.4。

日本的預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)建立了鋼腹桿-混凝土組合箱梁的抗扭剛度公式[22]。

從以上研究成果來看,鋼腹桿-混凝土組合箱梁與鋼腹板-混凝土組合箱梁一樣存在抗扭剛度下降較多的問題,橋梁結(jié)構(gòu)在約束扭轉(zhuǎn)作用下會(huì)產(chǎn)生不小的附加正應(yīng)力,對(duì)此應(yīng)該引起足夠重視,需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析。

2.4 剪力滯效應(yīng)

王猛[23]通過MIDAS CIVIL 對(duì)某鋼腹桿- 混凝土組合連續(xù)梁橋進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)果表明恒載作用下全橋縱向都存在較為明顯的剪力滯效應(yīng),在縱橋向不同橫截面位置其不均勻性也有差異。

雷聰[17]通過對(duì)一座簡(jiǎn)支鋼腹桿-混凝土組合梁橋和一座兩跨連續(xù)鋼腹桿-混凝土組合梁橋進(jìn)行剪力滯對(duì)比分析,研究不同結(jié)構(gòu)形式下的鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的剪力滯效應(yīng)。從簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的鋼腹桿- 混凝土組合梁橋剪力滯分析發(fā)現(xiàn),在跨中集中荷載作用下,遠(yuǎn)離荷載作用的截面基本不受影響,而在跨中集中荷載作用的位置剪力滯系數(shù)最大,部分截面還會(huì)出現(xiàn)負(fù)剪力滯的現(xiàn)象; 在均布荷載作用下,頂板剪力滯呈現(xiàn)正負(fù)交替變化,但負(fù)剪力滯接近于1,支座截面的剪力滯系數(shù)達(dá)到最大。從連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的鋼腹桿-混凝土組合梁橋剪力滯分析發(fā)現(xiàn),在兩跨跨中集中荷載作用下,遠(yuǎn)離荷載作用的截面基本不受影響,僅在跨中位置剪力滯系數(shù)最大,同時(shí)在中支座位置出現(xiàn)負(fù)剪力滯; 在全橋均布荷載作用下,靠近中支座的負(fù)剪力滯效應(yīng)十分突出,應(yīng)該給予高度重視。

劉朵[24]以一座35m 長(zhǎng)的簡(jiǎn)支鋼腹桿-混凝土組合梁橋?yàn)楣こ瘫尘?研究了該橋在自重作用下的剪力滯,同時(shí)研究了頂、底板厚度和鋼管厚度對(duì)剪力滯效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明在相近的截面位置,有節(jié)點(diǎn)的截面比無節(jié)點(diǎn)的截面剪力滯效應(yīng)顯著,同一截面頂板的剪力滯效應(yīng)比底板的剪力滯效應(yīng)顯著。混凝土頂板的厚度對(duì)剪力滯的影響較大,而混凝土底板和鋼管厚度對(duì)剪力滯的影響不大。

張瑩瑩[25]等對(duì)一座兩跨連續(xù)鋼腹桿-混凝土組合箱梁橋的剪力滯研究發(fā)現(xiàn),在恒載作用下,橋墩截面、橋臺(tái)截面的正應(yīng)力不均勻程度比其他截面更為顯著,這是由于這兩個(gè)截面的約束情況不同于其他截面造成的。

鄭尚敏[26]等通過建立三維ANSYS有限元模型對(duì)波形鋼腹板組合梁和鋼腹桿-混凝土組合梁的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明鋼腹桿-混凝土組合梁的剪力滯效應(yīng)在集中荷載作用下要比均布荷載作用下更明顯; 相同荷載作用下,波形鋼腹板組合梁的頂、底板正應(yīng)力大于鋼腹桿-混凝土組合梁頂、底板正應(yīng)力; 不同荷載工況下,兩種組合梁的剪力滯系數(shù)橫向分布大致相同。

孫偉斌[27]以節(jié)點(diǎn)為中心研究了簡(jiǎn)支鋼腹桿-混凝土組合梁的剪力滯效應(yīng),研究表明不同節(jié)點(diǎn)之間,靠近橋端的剪力滯效應(yīng)最為明顯,向跨中呈降低趨勢(shì); 以節(jié)點(diǎn)中心為界限,受壓腹桿一側(cè)的橋面板出現(xiàn)負(fù)剪力滯效應(yīng),受拉腹桿一側(cè)的橋面板出現(xiàn)剪力滯效應(yīng); 剪力滯與負(fù)剪力滯在節(jié)點(diǎn)處最高,向中間逐漸降低,在中間剪力滯與負(fù)剪力滯消失。

根據(jù)以上研究發(fā)現(xiàn),鋼腹桿-混凝土組合梁的剪力滯效應(yīng)較為明顯,剪力滯效應(yīng)同時(shí)受到結(jié)構(gòu)形式、截面約束情況、荷載布置、混凝土板厚、鋼腹桿厚度以及截面位置的影響。除了以上影響因素以外,可能還存在其他影響因素需要進(jìn)一步研究。

2.5 極限承載能力

張妙平[19]以深圳南山大橋(簡(jiǎn)支鋼腹桿-混凝土組合梁橋)為工程背景,在僅僅改變腹板結(jié)構(gòu)形式的情況下,建立PC 混凝土箱梁、波形鋼腹板混凝土組合箱梁的有限元模型,在L/3 和2L/3(L為簡(jiǎn)支試驗(yàn)梁計(jì)算跨徑)施加兩點(diǎn)對(duì)稱荷載進(jìn)行極限承載能力分析。在加載初期,PC 混凝土箱梁、波形鋼腹板混凝土組合箱梁和鋼腹桿-混凝土組合箱梁的跨中撓度比值為0.55:0.71:1; 在加載后期,PC 混凝土箱梁腹板開裂,撓度增大的速率加快,而波形鋼腹板混凝土組合箱梁和鋼腹桿- 混凝土組合箱梁的撓度比值沒有什么變化,達(dá)到極限荷載時(shí),三者的跨中撓度比值為0.95:0.97:1。以體外預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服為標(biāo)準(zhǔn),三者的極限承載能力相近,比值為1.02:1.04:1。由此可見鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)同樣具有較高的極限承載能力。

福州大學(xué)的董潔燦[28,29]等對(duì)鋼腹桿-混凝土組合箱梁的抗扭極限承載能力進(jìn)行試驗(yàn)研究,并且基于空間變角軟化桁架模型,提出了計(jì)算鋼腹桿-混凝土組合箱梁抗扭極限承載能力的簡(jiǎn)化公式,與ANSYS有限元軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比,誤差控制在10%以內(nèi),可以應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。

雷聰[17]制作了3 片鋼腹桿-混凝土組合梁,組合梁采用了3 種不同的連接件構(gòu)造,以此來研究連接件構(gòu)造對(duì)鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)極限承載能力的影響,試驗(yàn)表明不同的連接件構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)的極限承載能力影響很大。

鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的極限承載能力研究在拱橋中也有相關(guān)研究。朱樸[30]從寧德嶺兜大橋的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),鋼腹桿的壁厚不是越大越好,它存在一個(gè)合理的取值范圍,鋼腹桿的傾角越大其極限承載能力越低,采用雙N 字形布置鋼腹桿的鋼腹桿- 混凝土組合拱的豎向剛度最高。

從以上研究成果發(fā)現(xiàn),鋼腹桿-混凝土組合梁的極限承載能力研究進(jìn)行了不少試驗(yàn),同時(shí)得到了鋼腹桿-混凝土組合梁的極限承載能力、破壞模式以及一些可以運(yùn)用于工程實(shí)踐的計(jì)算公式,但沒有出現(xiàn)極限承載能力的影響因素研究,同時(shí)試驗(yàn)還比較單一,需要更為豐富的試驗(yàn)研究。鋼腹桿-混凝土組合拱的極限承載能力研究目前相對(duì)較少,還有待進(jìn)一步深入研究。

2.6 節(jié)點(diǎn)局部受力特性

在鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)中,鋼腹桿與混凝土板之間的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力復(fù)雜,當(dāng)鋼腹桿軸力過大,上、下混凝土板容易出現(xiàn)沖切破壞。這就成了較多專家學(xué)者研究的重點(diǎn),同濟(jì)大學(xué)、中南大學(xué)、東南大學(xué)以及一些交通科研院所都對(duì)節(jié)點(diǎn)局部構(gòu)造的受力性能進(jìn)行了分析研究[31]。

尹安國(guó)[32]等通過對(duì)3 個(gè)PBL 連接件鋼-混凝土組合桁架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水平單調(diào)加載,研究了外接式節(jié)點(diǎn)的受力特性、破壞模式和極限承載能力。通過研究發(fā)現(xiàn)PBL 連接件傳力效果明顯,增加鋼腹桿的厚度可以提高節(jié)點(diǎn)屈服后的強(qiáng)度以及極限承載能力,同時(shí)尹安國(guó)提出了腹桿不對(duì)稱(不等厚)的設(shè)計(jì)方法,使得試件破壞順序能夠與理想順序相吻合。

歐陽輝來[33]以西平鐵路上的實(shí)橋?yàn)楣こ瘫尘?利用MIDAS FEA 對(duì)鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性分析,得到了節(jié)點(diǎn)部位的應(yīng)力等值線圖、荷載-應(yīng)力曲線以及應(yīng)力-應(yīng)變曲線,從而對(duì)節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行了精確的設(shè)計(jì)。端茂軍[34]等也對(duì)鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的K 形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)及仿真分析,得到了節(jié)點(diǎn)區(qū)域受剪破壞的主要原因,并通過試驗(yàn)提出了鋼筋及螺栓直剪的多折線荷載-位移本構(gòu)模型。

鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是此類橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,閻衛(wèi)國(guó)[35,36]對(duì)中國(guó)第一座鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,并對(duì)該橋的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行了介紹,該橋采用改進(jìn)型的PBL 連接件,首先對(duì)鋼腹桿的端部進(jìn)行切割,縱向焊接一塊鋼板,并采用螺栓連接,橫向焊接兩塊鋼板,同樣采用螺栓連接,同時(shí)在鋼板穿孔,貫穿橫向鋼筋,該橋的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。閻衛(wèi)國(guó)[37]對(duì)T-PBL 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析和反復(fù)荷載作用下的破壞試驗(yàn)研究,研究發(fā)現(xiàn)這種新型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造有較高的極限承載能力,同時(shí)破壞屬于延性破壞。端茂軍[38]開發(fā)了一種便于快速組裝的PBL-鋼管節(jié)點(diǎn),可以有效提高節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力,同時(shí)通過試驗(yàn)研究提出了偏于安全的抗剪承載力簡(jiǎn)化公式,可用于實(shí)際的鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上研究成果可以看出,鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造影響橋梁的整體受力、極限承載能力以及結(jié)構(gòu)破壞模式。就重要性程度來說,目前對(duì)于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的研究相對(duì)較少,需要更多地改進(jìn)現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗破壞性。

2.7 動(dòng)力特性

1.自振特性

目前,對(duì)于鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)自振特性的研究較少。楊偉[39]以一座簡(jiǎn)支鋼腹桿- 混凝土組合箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,研究了鋼腹桿剛度、空腹比、節(jié)間高寬比對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響,研究表明空腹比對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性影響最大,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要首先根據(jù)梁高確定空腹比。陳福斌[40]對(duì)一座實(shí)橋進(jìn)行了特征值分析,得到了反映該橋?qū)嶋H工作狀況的動(dòng)力學(xué)參數(shù),在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)使固有頻率避開第一階固有頻率,避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。由此可見,鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)中,有必要對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行研究。

朱志輝[41]等人對(duì)一座新建鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行了行車動(dòng)力響應(yīng)分析,分析了節(jié)點(diǎn)剛域?qū)蛄鹤哉裉匦缘挠绊?研究了節(jié)點(diǎn)剛域和行駛線路對(duì)列車走行性及橋梁整體和局部桿件動(dòng)力響應(yīng)的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)考慮節(jié)點(diǎn)剛域后橋梁的自振頻率有所增大,最大增幅達(dá)到19.7%; 考慮節(jié)點(diǎn)剛域之后,列車引起的橋梁振動(dòng)位移和加速度顯著降低; 為了能夠準(zhǔn)確分析該類橋型的車橋耦合振動(dòng),建議考慮節(jié)點(diǎn)剛域建模。

2.抗震性能

韋建剛[42]同樣以主跨為160m 的寧德嶺兜大橋?yàn)樵?對(duì)鋼腹桿-混凝土組合拱橋進(jìn)行試設(shè)計(jì),通過計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)拱圈自重較混凝土拱橋降低32%,采用鋼腹桿-混凝土組合拱有利于提高抗震性能。同時(shí),以寧德嶺兜大橋?yàn)楣こ瘫尘?對(duì)其抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)分析,研究表明鋼腹桿-混凝土組合拱的面內(nèi)基頻、面外基頻、橫向應(yīng)力響應(yīng)、縱向彎矩以及軸向應(yīng)力相比于混凝土拱均有所降低,采用鋼腹桿-混凝土組合拱對(duì)于抵抗豎向震動(dòng)有一定作用[43]。

以上的鋼腹桿-混凝土組合拱橋抗震分析是假定各支承點(diǎn)一致激勵(lì)和結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下處于彈性階段,地震響應(yīng)中的多點(diǎn)激勵(lì)、行波效應(yīng)以及非線性行為對(duì)鋼腹桿-混凝土組合拱橋抗震性能的影響有待進(jìn)一步研究[44]。

3 總結(jié)

通過以上研究成果的歸納整理可以看出,鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)還有以下幾點(diǎn)需要進(jìn)一步研究:

1.鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算方法目前較少,還有待進(jìn)一步研究便捷的計(jì)算理論方便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.鋼腹桿的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜,在車輛荷載作用下的疲勞問題目前尚沒有相關(guān)研究成果。

3.目前已有研究表明鋼腹桿-混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)的抗扭剛度偏低,采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的偏載系數(shù)明顯不能滿足設(shè)計(jì)要求,目前尚無試驗(yàn)研究以及更多的數(shù)值模擬研究,需要對(duì)更多的鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行抗扭性能對(duì)比分析以及試驗(yàn)研究。

4.鋼腹桿與混凝土的節(jié)點(diǎn)位置是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱位置,容易造成節(jié)點(diǎn)沖切破壞,此處的節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步研究,以增強(qiáng)抗破壞性。

5.對(duì)于鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗震性能研究目前僅僅針對(duì)拱橋結(jié)構(gòu),對(duì)梁橋尚無相關(guān)研究成果,需要進(jìn)一步對(duì)比研究鋼腹桿-混凝土組合梁橋與PC 混凝土梁橋、波形鋼腹板混凝土組合梁橋的抗震性能。同時(shí),鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性研究較少,需要更多的工程實(shí)例進(jìn)行研究分析。

6.由于鋼和混凝土的熱膨脹系數(shù)不同,目前尚無針對(duì)溫度荷載、溫度梯度荷載對(duì)鋼腹桿-混凝土組合結(jié)構(gòu)的受力分析,溫度可能造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大,還需要進(jìn)一步研究。

7.PC 混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在混凝土收縮徐變作用下會(huì)產(chǎn)生較大撓度,造成混凝土開裂,目前尚無混凝土收縮徐變對(duì)鋼腹桿-混凝土組合連續(xù)剛構(gòu)橋的影響研究。