混合結構拱腳設計方法研究

胡健琛

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

鋼混組合結構因能夠極大地發揮材料優勢而備受青睞，本文研究的對象就是一種由鋼結構拱肋以及混凝土基座結合形成的混合結構拱腳。鋼結構拱肋是大跨拱橋首選形式，混凝土基座則充分利用拱腳存在的預壓力，兩者通過剪力連接件相連形成整體。

混合結構拱腳是上下部傳力的關鍵，鋼混兩種材料的連接、剛度漸變、傳力途徑順暢都需要通過合理的構造、計算原則予以保證。基于上述目的，本文提供了一種混合結構拱腳設計方法，以一座五跨組合結構拱橋——漳州東環馬洲大橋（主跨150 m）為背景，采用有限元軟件Abaqus建立拱腳節段空間模型，通過分析計算結果驗證該拱腳設計方法的可靠性。

1 混合結構拱腳設計

混合結構拱腳包含鋼拱肋、混凝土基座、剪力連接件以及預應力載體等多種構件，設計方法主要從連接形式、構造形式及計算原則方面對上述構件進行研究。

1.1 連接形式

本文提出的混合結構拱腳設計方法屬于全截面連接完全承壓傳剪形式，即拱腳混合結構設計需同時考慮彎矩、軸力及剪力的傳遞。通過合理布置構件連接形式，將拱腳埋入混凝土基座一定深度，從而使前后承壓板、構件側壁以及剪力連接件承受彎矩、軸向及切向拉壓作用。

1.2 剪力連接件設計

剪力連接件可采用圓柱頭焊釘及開孔板連接件，優勢各異。焊釘屬于柔性連接件，通過變形使受力重分布，且滿足構件各向受力要求。開孔板又稱PBL連接件，由德國建筑師Leonhardt首先運用[1]。相較于前者，其抗剪承載能力更高，不易疲勞破壞，為剛性連接件。

剪力連接件是混合結構能夠協同受力的關鍵，本文提出的混合結構拱腳設計綜合運用開孔板及圓柱頭焊釘連接件，可以歸結如下：

（1）在鋼拱肋埋置段主要受力板件上開孔并穿入鋼筋實現鋼混結構傳力。

（2）在鋼拱肋埋置段板件加勁板上布置圓柱頭焊釘實現鋼混結合及剛度漸變。

當使用材料強度不變，影響開孔板連接件抗剪性能的主要因素為開孔以及貫穿鋼筋直徑[2-3]。為了保證圓孔內鋼筋發揮消栓作用，開孔大小需要同時保證骨料及鋼筋通過，一般而言孔徑可取60～80 mm。剪力連接件間距過小會影響其抗剪性能，同時給施工帶來難度；圓柱頭焊釘縱橫向間距宜為其直徑的10～15倍，開孔間距以不發生破壞為基準，可取 220～250 mm。

1.3 計算原則

混合結構主要構件受力分析可以分為鋼、混凝土兩部分，通過下文混合結構拱腳空間模型計算結果可知，考慮剪力連接件剛度是否直接影響鋼結構拱腳以及混凝土基座受力情況，因此需要確定開孔板及圓柱頭焊釘剛度以及驗算其抗剪承載力。圓柱頭焊釘及開孔板連接件抗剪承載力以及剛度試驗數據的離散性較大[2-3]，一般而言，抗剪極限承載能力設計值可取其極限承載力的0.8倍，正常使用階段承載力為其極限承載力的0.5倍。同時取鋼混0.2 mm相對位移為其彈性階段抗剪剛度，在此基礎上考慮一定的結構安全度可依據表1進行取值。

2 設計實例及計算模型

2.1 結構總體布置

馬洲大橋為35 m+100 m+150 m+100 m+35 m=420 m的五跨連續拱橋，采用拱梁固結體系。主跨拱肋矢高33.3 m，矢跨比0.222；次中跨拱肋矢高20 m，矢跨比0.2。左右側兩片拱肋采用平行方式布置，且出于行車景觀考慮，在保證拱肋受力安全和側向穩定前提下，全橋不設平聯及橫撐；拱肋截面寬度均為2.5 m，高度由各拱拱頂高度2 m按弧長線性變化至拱腳處4 m，且分別在中墩（次中墩）處與墩柱固結。吊桿拉索采用平行鋼絲索，索距8 m。主梁由矩形雙邊箱鋼梁與混凝土橋面板結合而成，結構全寬56.6 m，拱肋處主梁高4.14 m，雙邊箱寬2.5 m。為了平衡拱腳水平力，主梁系桿采用平行鋼絞線。其立面布置形式如圖1所示。

圖1 馬洲大橋總體布置圖（單位：mm）

2.2 拱腳結構形式

拱腳鋼構件主要由拱肋腹板及豎、橫向隔板組成。其中，邊腹板為主要傳力板件，中腹板通過凹形邊界形式實現鋼混交界面剛度漸變，橫隔板則可視為前后承壓板件。混合結構拱腳通過拱座與承臺連接，分批澆筑內填混凝土，露出層間粗骨料，增加交界面結合力。連接件主要通過在板件開孔、貫穿鋼筋的形式予以實現。混合結構拱腳具體布置形式如圖2所示。

圖2 馬洲大橋中跨拱腳結構布置示意圖（單位：mm）

2.3 計算模型簡介

運用空間有限元軟件Abaqus對混合結構拱腳按照實際尺寸進行建模，鋼結構拱腳采用板單元模擬，混凝土基座則采用塊單元模擬。限于篇幅，本文僅以彎矩最大工況為例進行說明。為了體現剪力連接件剛度對于結構受力的影響，分別建立鋼混構件共節點模型一及采用彈簧單元為連接件的模型二（見圖3），通過比較主要板件受力差異分析影響程度。

圖3 彈簧單元鋼混連接模型二（局部）

3 混合結構拱腳受力分析

表1 剪力連接件抗剪承載力及剛度

混合結構拱腳受力分析通過拱腳鋼構件、混凝土基座、剪力連接件三部分進行。由于建立彈簧連接單元工作煩瑣，初步設計階段可利用簡化計算結果設計剪力連接件。

3.1 混合結構拱腳鋼構件

混合結構拱腳鋼結構包含拱肋及埋置段兩部分，由于橋面寬度較大，拱肋在運營時呈內傾狀態，內側腹板較不利。其受力情況如圖4所示。考慮剪力連接件剛度影響后，模型二較模型一埋置段附近板件受力均有不同程度的增加，尤其是內腹板局部倒圓角處應力超過275 MPa，因范圍較小，同時基于鋼材塑性特點，依然能夠滿足要求。同時可以看出，鋼結構埋置段底緣應力較小，說明其埋置深度能夠滿足傳力要求。

圖4 混合結構拱腳鋼結構主要傳力板件受力情況（單位：MPa）

3.2 混凝土基座

在最不利荷載作用下，基座局部最大會產生4 MPa拉應力，如圖5所示。為簡化拱腳構造，該設計不考慮設置預應力束，通過布置普通鋼筋能夠使基座滿足承載能力及使用狀態抗壓及裂縫控制要求。

圖5 混合結構拱腳混凝土基座受力情況（單位：MPa）

3.3 剪力連接件（PBL）

混合結構拱腳如何實現傳力順暢也是設計重點之一。由圖4可以看出，鋼結構埋置段應力變化平順，說明剪力連接件能夠有效傳遞拱肋荷載，使混合結構共同受力。

按照PBL實際位置提取剪力（見圖6），現只列出最不利剪力位置V1～V4、H1～H4數值，具體結果如圖7所示。其中，偏保守僅考慮穿鋼筋開孔板連接件剛度影響。

混凝土基座為偏壓構件，由圖7可以看出，根據彈簧單元計算結果，開孔板最大剪力出現在拱腳跨中側內緣，其最大剪力設計值為520 kN，小于規范抗剪設計限值524 kN，因此可以認為剪力連接件設計安全可靠。

圖6 彈簧單元內力提取位置（俯視平面圖）

圖7 彈簧單元剪力隨深度分布情況

4 結 語

（1）研究結果表明，混合結構拱腳設計需綜合考慮拱腳各構件，鋼拱肋、混凝土拱座及剪力鍵受力情況。

（2）在建立有限元模型分析時，考慮剪力連接件是否將對拱腳構件受力結果有較大影響。

（3）本文提供的一種混合結構拱腳能夠較好地傳遞拱肋內力。