大跨徑組合梁斜拉橋鋼混界面連接研究

陳 亮，邵長宇

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

在鋼與混凝土組合梁中，鋼梁和混凝土板之間由于剪力連接件產(chǎn)生變形，導(dǎo)致混凝土板和鋼梁的變形不協(xié)調(diào)，從而產(chǎn)生相對(duì)滑移?；频漠a(chǎn)生將導(dǎo)致組合梁的剛度減小，而現(xiàn)有的換算截面法沒有考慮這一不利影響。文獻(xiàn)[1]采用實(shí)體單元精細(xì)化建模對(duì)浙江省椒江二橋剪力釘剪力分布進(jìn)行了研究，用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]對(duì)主跨420 m組合梁斜拉橋承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行分析，得出了剪力釘滑移通常不會(huì)影響正常使用狀態(tài)主梁的變形及內(nèi)力分配，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響也較小的結(jié)論。鑒于組合梁斜拉橋的良好力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性能，其最大跨徑有望實(shí)現(xiàn)大幅提高[3-4]。一般情況下，組合梁斜拉橋設(shè)計(jì)通常忽略剪力釘?shù)娜嵝?，但?duì)近千米級(jí)組合梁斜拉橋而言，該界面滑移影響程度如何，能否在設(shè)計(jì)中忽略，是斜拉橋跨徑加大到一定范圍后需要明確回答的問題。本文基于考慮滑移的組合梁單元，結(jié)合主跨800m組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì)，在組合梁斜拉橋連接件設(shè)計(jì)方法及連接件滑移影響兩個(gè)方面，開展鋼混界面連接相關(guān)研究。

本文組合梁單元中鋼梁和橋面板被視為同一單元的不同層，假定混凝土橋面板分部及鋼梁分部具有各自位移，滑移量則由協(xié)調(diào)性自動(dòng)得到。筆者在文獻(xiàn)[5]中，基于Newmark模型，通過形函數(shù)表達(dá)梁體位移的有限單元法[6-10]，推導(dǎo)了考慮縱向滑移效應(yīng)的10自由度鋼混組合梁單元及其幾何非線性、收縮徐變、偏心結(jié)點(diǎn)等有限元列式，并編寫了用于計(jì)算組合梁及組合梁斜拉橋的相關(guān)程序。根據(jù)組合梁縱向任意鋼混界面抗剪剛度定義，可以得到各工況下界面連接剪力；對(duì)考慮滑移的組合梁單元定義結(jié)點(diǎn)偏心，可以模擬實(shí)際存在的各種索梁錨固。

在大跨徑組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì)方面，擬定的主跨800m組合梁斜拉橋基本方案概略如圖1所示。按雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，主梁寬度為36 m（不含風(fēng)嘴），梁高3 m，標(biāo)準(zhǔn)索距13.5 m，具體參數(shù)及相關(guān)驗(yàn)算參見文獻(xiàn)[4]。

圖1 主跨800 m 組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì)概略[4]（單位：m）

目前鋼與混凝土之間常用焊釘連接，對(duì)鋼混界面連接進(jìn)行研究，離不開連接件抗剪剛度及容許承載力相關(guān)取值[11-12]。本文結(jié)合文獻(xiàn)[12]及上海長江大橋剪力釘相關(guān)試驗(yàn)[13]，對(duì)單個(gè)直徑22mm剪力釘抗剪剛度按400 kN/mm取值，對(duì)應(yīng)滑移量為0.2mm，抗剪容許承載力偏保守按50 kN取值。部分已建組合梁斜拉橋連接件設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)資料見表1。剪力釘常規(guī)為均勻布置，縱橋向剪力釘下限值約75個(gè)/m，對(duì)應(yīng)連接剛度為3×107kN/m2，本文將以此為基礎(chǔ)進(jìn)行相關(guān)界面連接研究。

1 連接件設(shè)計(jì)方法

1.1 簡單荷載作用下界面剪力分布

首先取試設(shè)計(jì)斜拉橋中跨跨中段組合梁截面，分別進(jìn)行組合梁在豎向荷載及水平荷載作用下界面剪力分布研究。

表1 已建組合梁斜拉橋鋼混界面連接件統(tǒng)計(jì)

1.1.1 豎向荷載作用下界面剪力分布

在豎向荷載作用下,主梁受力類似于多跨連續(xù)梁，本文取3根拉索支撐下2跨結(jié)構(gòu)（跨徑為標(biāo)準(zhǔn)索距）進(jìn)行研究，假定豎向荷載集度為500 kN/m（近似模擬組合梁斜拉橋恒活載），界面抗剪剛度Ks分別取3×108、3×107、8×106kN/m2。豎向荷載作用下計(jì)算工況示意及界面剪力計(jì)算結(jié)果見圖2。由圖2可見，組合梁在豎向荷載作用下的界面剪力與界面抗剪剛度有關(guān)，界面抗剪剛度越大，界面剪力分布形狀與豎向剪力分布形狀越一致。

圖2 豎向荷載作用下計(jì)算工況示意及不同界面抗剪剛度下的界面剪力

1.1.2 水平荷載作用下界面剪力分布

水平荷載作用下，取1跨結(jié)構(gòu)（跨徑為2倍標(biāo)準(zhǔn)索距）進(jìn)行研究，假定水平集中荷載為5 000 kN（模擬典型拉索水平分力）。

1.1.2.1 組合梁邊界條件影響

水平荷載作用于組合梁形心軸高度處，分別進(jìn)行3種工況界面剪力分布計(jì)算。工況A：一端自由、一端固定，集中力作用于梁端；工況B：一端自由、一端固定，集中力作用于跨中；工況C：兩端固定，集中力作用于跨中。界面抗剪剛度取3×107kN/m2。各工況計(jì)算示意及界面剪力計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 水平荷載作用下不同工況示意及界面剪力分布

比較圖3（a）、圖3（b）可知，當(dāng)荷載作用于梁長一半位置時(shí)，界面最大剪力恰好為作用于梁端時(shí)界面最大剪力的一半。比較圖3（b）、圖3（c）可以看出，當(dāng)水平荷載作用于組合梁形心高度時(shí)，不同邊界條件下，組合梁中鋼梁和混凝土橋面板的軸力各有不同，但界面剪力的分布完全一致，即界面剪力與邊界條件無關(guān)。

1.1.2.2 水平荷載作用高度影響

當(dāng)水平荷載作用于鋼梁頂、組合梁形心、鋼梁形心、鋼梁底時(shí)，2種極端邊界條件下的界面剪力分布見圖4。由圖4可知，水平荷載作用于組合梁不同高度時(shí)，界面滑移力有較大區(qū)別。作用點(diǎn)距橋面板越近，界面滑移力越大。另外，除作用于組合梁形心時(shí)的界面滑移力與邊界條件無關(guān)外，水平荷載偏心作用時(shí)，不同邊界條件下的界面滑移力有所不同。

1.1.2.3 組合梁界面抗剪剛度影響

對(duì)應(yīng)于兩端固定邊界條件，水平集中荷載作用于組合梁形心高度計(jì)算工況，分別計(jì)算界面抗剪剛度Ks取3×108、3×107、8×106kN/m2時(shí)的界面剪力分布，結(jié)果見圖5。由圖5可見，組合梁在軸向荷載作用下的界面剪力在荷載施加位置處最大，然后迅速衰減，一定長度之后，界面剪力接近于零。界面連接件抗剪剛度越大，軸向荷載作用點(diǎn)處剪力越大，衰減速度也越快。

圖4 水平荷載作用于不同高度時(shí)的界面剪力分布

圖5 水平荷載作用下不同界面抗剪剛度時(shí)的界面剪力

實(shí)際上，界面剪力分布影響因素較多，與組合梁截面特性、材料特性、界面連接件布置、水平荷載作用高度均有關(guān)系。豎向荷載引起的剪力可根據(jù)文獻(xiàn)[14]，忽略界面滑移影響進(jìn)行簡化計(jì)算。文獻(xiàn)[15]則基于解析方法，得出考慮梁體剪切變形、水平集中荷載作用于組合梁形心高度時(shí)引起的最大剪力及剪力傳遞長度。

1.2 組合梁斜拉橋連接件設(shè)計(jì)優(yōu)化

本文組合梁斜拉橋有限元模型中，主梁采用考慮滑移的組合梁單元模擬。現(xiàn)提出組合梁斜拉橋連接件設(shè)計(jì)的循環(huán)迭代方法，基本步驟為：

（1）對(duì)組合梁全長鋼混界面抗剪剛度賦初值3×108kN/m2，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，得到各工況下界面剪力分布，并對(duì)不同工況下界面剪力進(jìn)行組合。

（2）按單個(gè)焊釘容許承載力為50 kN，確定主梁縱向焊釘布置數(shù)量。

（3）按單個(gè)焊釘?shù)目辜魟偠葹?00 kN/mm，重新確定主梁縱向連接剛度。

多次循環(huán)步驟（1）~（3），可得考慮滑移后，滿足連接件承載力的焊釘縱向布置。一般循環(huán)3次左右，即可得到滿意結(jié)果。

對(duì)主跨800m組合梁斜拉橋，剪力釘優(yōu)化后布置與常規(guī)布置對(duì)比如圖6所示。對(duì)比可見，采用本文連接件設(shè)計(jì)方法，全橋剪力釘數(shù)量可從常規(guī)均勻布置的114 000個(gè)減少為30 455個(gè)，剪力釘布置個(gè)數(shù)可減少約70%。

圖6 剪力釘優(yōu)化布置與常規(guī)布置比較（單位：個(gè)/m）

組合梁斜拉橋界面連接件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮豎向荷載、拉索索力、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變等荷載的作用及組合，尤其應(yīng)注意輔助墩處、拉索錨固點(diǎn)、預(yù)應(yīng)力束端部等位置的剪力釘合理布置。本文剪力釘優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可將剪力釘布置于關(guān)鍵受力部位，如梁端（收縮徐變引起）、輔助墩附近（活載引起）、索梁錨固各區(qū)域（恒載下中跨跨中及梁端拉索水平分力較大）等。本文采用考慮滑移的組合梁單元，在確定連接件布置上無疑具有明顯優(yōu)勢(shì)，可大大減少連接件施工工作量，并有利于鋼主梁頂板等的進(jìn)一步優(yōu)化。

2 界面滑移影響分析

現(xiàn)結(jié)合主跨800m組合梁斜拉橋試設(shè)計(jì)，考察不同鋼混界面抗剪剛度下，滑移對(duì)斜拉橋整體受力性能的影響。表2為4種連接件布置形式，典型計(jì)算結(jié)果見圖7~圖9。

表2 4 種連接件布置形式

2.1 對(duì)界面滑移位移的影響

典型荷載作用下界面滑移位移見圖7。

圖7 典型荷載作用下界面滑移位移（單位：m）

圖8 恒+活+收縮徐變組合下單釘剪力分布（單位：kN）

圖9 典型荷載作用下主梁應(yīng)力分布（單位：MPa）

由圖7可見：在恒載作用下，由于拉索集中錨固于鋼梁，在索梁錨固點(diǎn)處產(chǎn)生了較大的滑移位移，且隨著拉索水平力的增大，滑移位移逐漸增大，主塔處由于拉索間距較大，也會(huì)有較大的滑移響應(yīng)；收縮徐變會(huì)在梁端產(chǎn)生較大的滑移位移；在中跨滿布活載作用下，輔助墩附近拉索索力有較大變化，引起該處產(chǎn)生較大滑移。注意到收縮徐變引起的滑移位移方向與恒載下滑移位移方向相反，A、B、C這3種剪力釘布置形式下，在荷載組合后能滿足0.2mm的滑移允許值要求，而剪力釘布置形式D不能滿足。

2.2 對(duì)界面剪力的影響

恒+活+收縮徐變組合下單釘剪力分布見圖8。

由圖8可見：剪力釘布置形式A條件下，各處單釘承載力均有較大余量；布置形式B時(shí)，輔助墩頂區(qū)域、主塔兩側(cè)局部區(qū)域承載力略微不足，而其他區(qū)域則有一定余量；布置形式C時(shí)，單釘剪力分布較為均勻，最大值為53.4 kN，可認(rèn)為能滿足單釘抗剪承載力要求；布置形式D則大多區(qū)域無法滿足剪力釘承載力要求。

2.3 對(duì)結(jié)構(gòu)其他部件靜力響應(yīng)的影響

典型荷載作用下對(duì)應(yīng)于不同剪力釘布置形式的主梁應(yīng)力分布圖見圖9。

由圖9可見，在不同剪力釘布置形式下，主梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致。弱連接布置形式D與完美連接布置形式A相比，各工況橋面板上緣應(yīng)力最大差值為0.33MPa，鋼梁下緣應(yīng)力最大差值為1.35MPa。常規(guī)布置形式B及優(yōu)化布置形式C與完美連接布置形式A相比，橋面板和鋼梁的應(yīng)力差值更小。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)于剪力釘滑移，主要是要考慮其對(duì)剪力釘自身受力的影響，而基本不需考慮對(duì)主梁鋼結(jié)構(gòu)及混凝土橋面板等其他結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的影響。

3 結(jié) 語

（1）當(dāng)水平荷載作用于組合梁形心高度時(shí)，界面剪力分布與邊界條件無關(guān)；水平荷載偏心作用時(shí)，界面剪力分布與邊界條件相關(guān)；拉索水平荷載作用點(diǎn)距橋面板越近，界面剪力越大。

（2）界面剪力在拉索水平荷載作用位置處最大，然后迅速衰減，一定長度之后，界面剪力接近于零；界面抗剪剛度越大，軸向荷載作用點(diǎn)處剪力越大，衰減速度也越快。

（3）基于考慮滑移的組合梁單元，采用本文組合梁斜拉橋主梁剪力釘優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可將剪力釘布置于關(guān)鍵受力部位，大大減少連接件數(shù)量。

（4）在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)于剪力釘滑移，主要是要考慮其對(duì)剪力釘自身受力的影響，而基本不需考慮對(duì)主梁鋼結(jié)構(gòu)及混凝土橋面板等其他結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的影響。