工字梁組合剛構(gòu)橋墩梁節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理與設(shè)計(jì)方法

摘要：工字梁組合剛構(gòu)橋墩梁節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，墩梁節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理與荷載分配規(guī)律尚不明確，且缺乏相應(yīng)的墩梁節(jié)點(diǎn)計(jì)算方法. 通過(guò)對(duì)比工字梁組合剛構(gòu)橋墩梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，采用驗(yàn)證后的實(shí)體有限元計(jì)算模型，根據(jù)墩梁節(jié)點(diǎn)各部件在橋墩軸力、彎矩、剪力單獨(dú)作用下的受力狀態(tài)，分析墩梁節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理和荷載承擔(dān)占比，建立各部件的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并開(kāi)展工字梁組合剛構(gòu)橋試設(shè)計(jì). 結(jié)果表明：墩梁節(jié)點(diǎn)的軸力和彎矩傳遞機(jī)理和路徑接近，剪力傳遞機(jī)理有所區(qū)別；縱梁與橫梁各承擔(dān)45%～55%荷載傳遞，軸壓力和軸拉力作用下縱梁傳力路徑及荷載承擔(dān)占比有所變化，直接由縱梁傳遞的荷載主要通過(guò)縱梁下翼緣傳遞，傳遞至橫梁的荷載主要由橫梁腹板栓釘承擔(dān). 縱梁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮橋墩截面附加應(yīng)力，橫梁按照簡(jiǎn)支梁均布荷載受力模式計(jì)算，橫梁腹板連接件設(shè)計(jì)按承擔(dān)所有傳遞至橫梁的荷載計(jì)算，縱梁腹板栓釘及下翼緣栓釘按照構(gòu)造要求配置. 試設(shè)計(jì)橋梁墩梁節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算滿足要求，有限元分析與理論計(jì)算結(jié)果相符，建立的墩梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法可適用于工字梁組合剛構(gòu)橋設(shè)計(jì).

關(guān)鍵詞：組合橋梁；節(jié)點(diǎn)；有限元分析；傳力機(jī)理；計(jì)算方法

中圖分類號(hào)：U443.37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在我國(guó)橋梁建設(shè)中具有廣泛運(yùn)用［1-3］，然而這類橋型隨著使用年限增加，容易發(fā)生不同程度的病害問(wèn)題，主要表現(xiàn)為混凝土主梁開(kāi)裂以及跨中下?lián)希?］. 組合剛構(gòu)橋能夠避免傳統(tǒng)混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)病害問(wèn)題，節(jié)省成橋運(yùn)營(yíng)后的維護(hù)費(fèi)用［5-6］. 在組合剛構(gòu)橋中，若要使上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力有效地傳遞至橋墩，保證墩梁節(jié)點(diǎn)的牢固性是設(shè)計(jì)關(guān)鍵，構(gòu)造形式應(yīng)滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則，使墩梁節(jié)點(diǎn)的破壞滯后于主梁和橋墩［7］.

為研究工字梁組合剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)節(jié)點(diǎn)的合理構(gòu)造形式及受力特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者依托已有工程案例展開(kāi)試驗(yàn)研究. 結(jié)果表明，墩梁節(jié)點(diǎn)受力性能與其構(gòu)造形式、混凝土約束程度、界面有效連接程度等因素密切相關(guān). Takeshi等［8］針對(duì)鯉川橋的墩梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)墩梁節(jié)點(diǎn)不設(shè)置橫梁連接構(gòu)造時(shí)，鋼混結(jié)合部混凝土受約束程度較低，數(shù)次循環(huán)加載周期后橋墩主筋與混凝土間的黏結(jié)發(fā)生破壞，滯回曲線表明節(jié)點(diǎn)耗能水平較低. Nakamura等［9］以朝見(jiàn)川橋的墩梁節(jié)點(diǎn)為原型展開(kāi)往復(fù)加載試驗(yàn)，構(gòu)件的破壞形態(tài)體現(xiàn)為鋼主梁下翼緣側(cè)的混凝土壓潰且鋼筋屈服. 滯回曲線飽滿，試驗(yàn)表明設(shè)有橫梁連接構(gòu)造的墩梁節(jié)點(diǎn)，結(jié)合部混凝土受約束程度較高，具有良好的耗能能力及結(jié)構(gòu)延性. 我國(guó)學(xué)者白玲等［10-11］、宋曉宇等［12］應(yīng)用有限元軟件MSC.Nastran針對(duì)雙工字組合梁的墩梁節(jié)點(diǎn)展開(kāi)傳力機(jī)制分析，剪力鍵的剪力分布情況表明該構(gòu)造形式可以有效地傳遞墩梁節(jié)點(diǎn)內(nèi)力. Bamrungwong 等［13］和Sato 等［14］對(duì)鋼筋錨固式墩梁節(jié)點(diǎn)展開(kāi)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)鋼混結(jié)合部混凝土處于多向受力的復(fù)雜狀態(tài)，且墩梁節(jié)點(diǎn)的界面特征復(fù)雜，認(rèn)為發(fā)揮墩梁節(jié)點(diǎn)的最大承載能力需要確保鋼與混凝土之間的界面有效連接. Fujiwara等［15］和Minakawa等［16］通過(guò)試驗(yàn)和有限元分析發(fā)現(xiàn)橋墩主鋼筋錨入鋼混結(jié)合部足夠長(zhǎng)度是保證墩梁節(jié)點(diǎn)承載力的關(guān)鍵，并提出橋墩主鋼筋的錨固長(zhǎng)度要求.

目前我國(guó)鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范中尚未有關(guān)于組合剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)規(guī)定，墩梁節(jié)點(diǎn)傳力機(jī)理與荷載分配規(guī)律不明確，相關(guān)設(shè)計(jì)理論較少，不利于這一橋型的工程推廣建設(shè). 為此，本文開(kāi)展墩梁節(jié)點(diǎn)傳力理論分析，通過(guò)對(duì)比工字梁組合剛構(gòu)橋墩梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，采用驗(yàn)證后的實(shí)體有限元計(jì)算模型，根據(jù)墩梁節(jié)點(diǎn)各部件在橋墩軸力、彎矩、剪力單獨(dú)作用下的受力狀態(tài)，分析墩梁節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理和荷載承擔(dān)占比，驗(yàn)證傳力理論的正確性，并建立墩梁節(jié)點(diǎn)各部件設(shè)計(jì)計(jì)算方法. 基于我國(guó)裝配化工字組合梁鋼橋通用圖，開(kāi)展工字梁組合剛構(gòu)橋試設(shè)計(jì)，研究成果可為工字梁組合剛構(gòu)橋墩梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供參考.