大跨勁性骨架鋼管混凝土拱橋新型栓焊節點疊合構件偏壓力學性能研究

摘要：在地形復雜、條件惡劣地區的大跨鋼管混凝土拱橋建設中，拱肋采取傳統焊縫連接施工難度高且節點質量無法保障.在此基礎上提出了一種新型栓焊節點，有效降低施工難度的同時保障了節點質量.采用鋼管混凝土新型栓焊節點與外包混凝土組成的勁性骨架（疊合構件）作為拱肋不僅能提升結構承載力，還能改善節點與外包混凝土之間的黏結性能，具有廣闊應用前景.由于拱肋受力特點為小偏心受壓，為研究鋼管混凝土新型栓焊疊合構件的偏壓力學性能，開展了縮尺鋼管混凝土疊合構件偏壓試驗，研究不同節點形式下（焊縫連接、栓焊連接）疊合構件之間的力學性能差異，并通過有限元分析進一步探討了疊合構件的力學行為以及栓焊節點設計的影響.結果表明，小偏壓下鋼管混凝土部分提供疊合構件的主要承載力，增加外包混凝土中配筋數量能有效提高疊合構件承載力.新型栓焊節點在滿足節點安全施工的前提下為疊合構件提供了更加優良的節點性能，提高節點穩定性的同時增強了節點與外包混凝土之間的相互作用，保證疊合構件承載力的同時又提升了延性.當采用鋼管混凝土栓焊節點連接形式時，栓焊弧長比應控制在2.00以內.

關鍵詞：勁性骨架鋼管混凝土拱橋；栓焊節點；疊合構件；偏壓；力學性能；數值分析

中圖分類號：TU389.9 文獻標志碼：A

拱橋在我國經歷了上千年的發展，從隋朝的趙州橋到如今跨度575 m的平南三橋，從側面體現了我國經濟實力與科學技術［1］的騰飛.特別是近20年來，伴隨著對新材料和新結構的深入研究，以及西部大開發戰略實施，我國逐漸在地形、地貌、水文條件復雜的地區建成了數以百計的大跨拱橋［2-3］.其中，鋼管混凝土勁性骨架拱橋得益于其結構剛度大、維護成本低和經濟性好，逐漸成為我國大跨橋梁中的主要橋型［4-5］.

與傳統的鋼筋混凝土拱橋相比，采用鋼管混凝土疊合構件作為拱橋拱肋提供了一種新的成拱方式，且鋼管混凝土和外包混凝土之間的相互作用使其有更高的承載力和更好的變形能力［6-7］.對于鋼管混凝土疊合構件的軸壓性能，前人已經做了充分的研究［8-10］.但在鋼管混凝土勁性骨架拱橋中，拱肋的受力以小偏心受壓為主，更關注其疊合構件的偏壓性能.郭全全等人［11］通過對鋼管混凝土疊合短柱進行偏壓試驗，表明偏壓下鋼管混凝土疊合短柱的正截面受力過程與鋼筋混凝土短柱相似，破壞形態分為大、小偏心受壓破壞及界限破壞三種.柯曉軍等人［12］通過對鋼管混凝土組合柱進行偏壓試驗也得到了類似的結論.Lee 等人［13］研究發現提高鋼管強度后，高強圓鋼管混凝土疊合試件在偏壓試驗早期雖然受壓側出現了豎向裂縫，但在混凝土破碎后仍表現出良好的延性.在此基礎上，還有一些相關的力學性能研究涉及在鋼管混凝土結構外增加一層碳纖維混凝土［14］、在核心混凝土內配置鋼筋［15］、管內澆筑超高性能混凝土［16］或設計雙層鋼管混凝土結構［17］.結果表明通過增加碳纖維、鋼筋、鋼管以及澆筑超高性能混凝土可以提高結構承載力，同時還能提升結構延性.

上 述研究更多關注整體疊合構件，對節點連接形式的影響討論較少.在大跨勁性骨架鋼管混凝土拱橋中，拱肋處疊合構件往往帶有節點連接.傳統的焊縫連接在地形復雜、環境惡劣地區的大跨鋼管混凝土拱橋建設中施工困難，基于此，作者團隊提出了一種新型栓焊節點連接形式.無外包的鋼管混凝土拱肋采用新型栓焊節點連接，省去了節點切割法蘭盤再焊接的步驟，避免應力重分布的同時有效降低了施工難度且縮短了工期，具有良好的承載力與變形能力，這在之前的工作中已得出結論［18］.