斜拉桥主梁钢-混凝土结合段受力分析和传力机理研究.pdf

4 2 桥梁检测与加固 2 0 1 0年第 l 期 斜拉桥主梁钢一混凝土结合段受力分析和传力机理研究 黄彩萍 ( 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要： 结合南昌英雄大桥主梁钢一混凝土结合段模 型试验， 根据钢板与混凝土之间 2 种不同结合方式的假设， 建立 2 个相应的有限元计算模型， 研究斜拉桥主梁钢一混凝 土结合段的应力分布和传力机理。通过模型实测值、 2种有 限元模型计算值三者的对比分析得出： 2 个模型的计算值可 作为模型实测值的上限和下限； 模型顶板钢格室钢板与混凝 土协同工作性能较差， 主要靠剪力钉传力； 模型底板和腹板 钢格室钢板与混凝土协同工作性能较好， 钢格室混凝土密实 性较好； 钢一混凝土结合段混凝土密实性越好， 传递到混凝 土上的力的比例越大， 钢一混凝土结合段安全性能越高。 关键词： 斜拉桥； 主梁； 钢一混凝土结合段； 应力； 传力 机理 为验证其钢一混凝土结合段构造的合理性和承 载能力 ， 设计并制作 了几何缩尺比为 1： 2的钢一混 凝土结合段试验模型 ， 模型横 向截取 7个箱室中的 1 个箱 室， 纵 向取 6 6 I I 1 ， 其 中钢 一混凝 土结 合段 1 5 m， 两端混凝土和钢箱 梁过渡段分别 为 1 6 I T I 和 3 5 m。按照缩尺 比 1： 2换算得到的钢 一混凝 土结合段长 0 7 5 I I 1 ， 混凝 土实体段长 0 8 IT I ， 钢箱 梁过渡段长 1 7 5 m。另外在模型的两端分别取标 准钢箱梁段 0 7 9 5 m， 标准 昆 凝土箱梁段 3 0 3 m， 模型纵向长度为 7 1 2 ,5 m。图 1 为南 昌英雄大桥钢 混凝土结合段设计示意， 图 2为试验模型 。 1 前言 3 传力机理研究与有限元建模 斜拉桥主梁钢一混凝土结合段由钢箱梁和混凝 土箱梁通过剪力钉、 预应力束、 承压板 、 钢格室等多 种构造连接组成 ， 其几何构造复 杂、 传力路径不 明 确， 应力场复杂。 目前 国内外研究资料_I j 和相关 的 桥梁设计规范 2 缺乏对关于钢混凝土结合段受力 和传力机理的阐述和相应条文规定 ， 因此 ， 本文结合 南 昌英雄大桥 ， 通过钢箱梁和混凝土箱梁结合段 的 模型试验和有限元计算分析 ， 了解钢箱梁和混凝土 箱梁结合段力的传递和应力分布， 研究其传力机理。 2 工程与模型试验概况 南 昌英雄大桥 为倾斜独塔空 间扭 曲背索斜拉 桥 ， 跨径组成为( 1 0 9 +1 8 8 +8 8 )m。其 中 1 0 9 m边 跨主梁为预应力混凝土箱梁 ， 塔、 梁、 墩固结。预应 力混凝土箱梁伸过桥塔 1 0 5 m， 通过 1 5 m钢混 凝土结合段与钢箱梁连接。钢一混凝土结合段横向 共 7个箱室 ， 在顶板、 底板、 腹板均设置构造小钢格 室 ， 内焊剪力钉 ， 钢格室内部灌注混凝土 ， 混凝 土箱 梁内贯穿预应力钢束与承压板连接。 南昌英雄大桥组合荷载均由钢箱梁传递到钢一 混凝土结合段 ， 再 由钢一混凝土结合段传递到混凝 塑堕 递 凝土箱梁 。 ( 实体段)( 1 Q 混凝土结合段) 劲肋 ， 。 分界板 承压板 横隔板， 卜 _ 1 底 板 T 形 加 劲 肋 横 隔 板 加 劲 肋 图 1 钢 一混凝土结合段 设计 示意 图 2 试验模型 收稿 品期 ：2 0 1 0 一O 3 2 1 作者简介 ： 黄彩萍 ( 】 9 8 3 一) ， 女 ， 助理工程师 ， 2 0 0 4年毕业 于武汉科技大学土木工程专业 ， 工学学士 ， 2 0 0 7年毕业于华中科 技大学土木工程与 力学学院结构专业 ， 工学硕士。 ， 引 一m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4期 斜拉桥主梁钢一混凝土结合段受力分析和传力机理研究 4 3 土箱梁。钢一混凝土结合段在构造上 由钢格室 、 混 凝土 、 预应力钢绞线 、 剪力钉、 承压板 等构件组合而 成 ， 钢一混凝土结合段混凝土的密实程度和钢板 与 混凝土的结合程度影响力的传递。 结合南昌英雄大桥工程主梁钢一混凝土结合段 模型试验结果 ， 对 钢板 与混凝 土的结 合程度有 2 种假设 ： 假设在弹性状态下钢一混凝土结合段钢 板与混凝土粘结完好 、 不分离、 无滑移、 协同受力及 变形 ； 由于纵向预应力作用于承压板与混凝土箱 梁 ， 且承压板紧贴在混凝土横梁的梁端 。假设承压 板与混凝土之间在受压状态下粘结完好 、 不分离 、 无 滑移、 协同受力及变形 ， 但混凝土与其他钢板处于分 离状态 ， 两者的摩擦作用可以忽略不计| 4 j 。 根据以上 2种假设 ， 认为钢一混凝土结合段有 2种不同的传力机理 ： 钢箱梁传递到承压板上 的 力先 以不同的比例分别传递给钢一混凝土结合段钢 格室钢板和混凝土 ， 并最终传递 至混凝土箱梁 ； 钢箱梁传递到承压板上的力一部分传递到钢一混凝 土结合段混凝土、 另一部分是传递 到钢 一混凝土结 合段钢格室钢板， 再 由钢板上的剪力钉传递给钢一 混凝土结合段混凝土 ， 最终传递至混凝土箱梁 。 根据以上 2种假设 和 2种不同的传力机理 ， 钢 一 混凝土结合段的有 限元计算有 2种模拟方式 ： 模 型 1 ， 钢一 昆 凝土结合段钢板 与混凝土节点位移 完全耦合。 模 型 2 ， 钢 一混凝土结合段承压板与 混凝土节点位移完全耦合， 其他钢板不考虑混凝土 分离 ， 通过剪力钉连接 。 采用有限元软件 ANS YS根据设计建立以上 2 个空间有限元模型( 图 3 ) 。其中模型 1和模型 2 钢 格室钢板和钢箱梁采 用空 间板单元模拟， 混凝 土采 用实体单元模拟， 边界条件按实际约束给出； 模型 2 剪力钉采用弹簧单元模 拟( 图 4 ) ， 根据相关试验结 果l_ 5 J ， 弹簧单元抗剪 刚度 K一7 5 6 0 0 N ram， 模型 2 剪力钉设在钢一混凝 土结合段 内表面， 因此外 观与 模型 1一致 ； 其余各材料特性均按实际定义。 4 试验结果与有限元计算结果的对 比分析 4 1 试验结果与有限元计算结果 南昌英雄大桥钢一混凝土结合段的模型试验对 模型分别进行 了正常使用荷载、 承载能力极限荷载、 超载的加载【 3 ， 其加载的荷载 为轴力、 绕 z轴弯矩 和Y方向剪力共同组成的组合荷载( 其中 为截面 横 向， Y 为截 面竖 向 ， z 为顺桥 向) 。 在超 载作用下 ， 图 3 剪力钉 ( 弹簧单元 ) 模型 1 、 2有限元计算模型 图 4 计算模型 2剪力钉模拟 钢 一混凝土结合段各构件仍处于弹性状态， 因此本 文仅将承载能力极 限荷载作用时试验结果与 2种有 限元模型计算结果进行对 比分析。 南 昌英雄大桥钢一混凝土结合段的模型试验应 变测点布置较多 3 ， 本文对 比分析 了钢箱梁 、 钢一混 凝土结合段 、 混凝土箱梁的顶板 、 底板 、 腹板沿 方 向布置应变测点 ( 图 5 ) 实测值 与有限元计 算结果 ( 图 6 ) 。钢箱梁 、 钢一混凝 土结合段 、 混凝土箱梁的 顶板 、 底板、 腹板测点沿纵 向分别 布置在 2 O个横断 面上， 图 6中坐标值 为负 的测点 为钢箱 梁侧 ， 0 1 5 5 m 为钢一混凝土结合段及实体段 ， 1 5 5 2 6 m为混凝土箱梁侧。 腹板第l 腹板第2 腹板第3 顶板 第 l 列测 点 顶 板第 2 列 测 点 底板第1 列测点 底板第2 列测点 单位： m 图 5 顶板 、 底板、 腹板测点布 置横 断面 4 2 2种有限元计算结果对比分析 ( 1 )模型 1和模型 2 最主要的差异是模型 1钢 一 混凝土结合段整个截面参 与抗 压和抗弯， 而模型 2 在钢混凝土结合段混凝土分担 的力是通过剪力 钉传递而来 的， 其钢 一混凝土结合段混凝土不是全 截面参与抗压和抗弯。 ( 2 )钢一混凝土结合段 顶板 z方向应力分析 。 模型 l 顶板 2方 向应力为 1 1 3 一2 6 MP a ， 模 型 2顶板 方向应力为1 4 7 一6 5 MP a ； 模型 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 桥梁检测与加固 2 O l O年第 1期 一 20 0 差 超 O 日 一1 0 臭 1 5 - 3 0 坐 标 田 ( 1 ) 顶板第1 列测点 4 1 8 1 2 0 6 0 0 8 1 2 1 8 2 4 3 坐标 岫 ( 3 ) 底板第1 列测点 4 一 1 8 - 1 2 - 0 6 0 0 6 1 2 1 8 2 4 3 坐标 功 ( 5 ) 腹板第1 列测点 坐标 ( 2 ) 顶板第2 列测点 坐标 m ( 6 ) 腹板第2 列测点 坐标 皿 ( 7 ) 腹板第3 列测点 图 6顶板、 底板、 腹板测点 z 方 向应力对 比 顶板 方向应力均较模型 l 的大， 但变化趋势较为4 3 试验结果与有限元计算结果对比分析 平缓， 其原因是模型 1 截面抗压和抗弯刚度沿顺桥 ( 1 )由于钢箱梁端部为加载端， 钢箱梁侧各顶 向在承压板和分界板处的变化对 方向应力影响较 板 、 底板 、 腹板测点实测结果与计算值有所差异 ， 但 大， 模型 2在钢一混凝土结合段是 由剪力钉逐步将 其余各测点实测结果与计算值吻合得较好。 力传递给混凝土， 抗弯和抗压刚度沿顺桥向的变化 ( 2 )钢一混凝土结合段顶板各测点 z 方 向应力 对钢一混凝土结合段应力的影响较小。 实测值与模型 1 计算值 的误差范 围为 8 4 7 ， ( 3 ) 钢一混凝土结合段底板 z 方向应力分析。 与模型 2 计算值的误差范围为 1 9 6 l 6 9 6 ， 钢混 模型 1 底板 方向应力为3 1 9 一1 7 2 MP a ， 模 凝土结合段顶板各测点 z 方向应力实测值与模型 2 型 2底板 z 方 向应力为-4 5 6 44 7 MP a ； 模型 1 较为接近， 说明在顶板钢格室钢板与混凝土协 同工 底板 方向应力变化幅度较模型 2的小 ， 其原因是 作性能较差 ， 主要靠剪力钉来传递力 。 模型 1 钢一混凝 土结合段整个截面参与抗压和抗 ( 3 )钢一混凝土结合段底板各测点 方 向应力 弯 ， 模型 2 钢一混凝土结合段不是全截面参与抗压 实测值与模型 1计算值的误差范 围为 1 3 3 ， 和抗弯 。 与模型 2 计算值相差较大， 钢一混凝土结合段底板 ( 4 )钢一混凝土结合段腹板 2方向应力分析。 各测点 方向应力实测值 与模型 1较为接近， 说明 模型 1腹板 方向应力为 1 3 6 一0 1 3 MP a ， 模 在底板钢格室钢板 与混凝土协 同工作性能较好 ， 底 型 2 顶板 方向应力为 一1 5 9 一3 4 MP a ， 两者 板钢格室混凝土密实性较好。 变化趋势相似 ， 腹板 3 列 测点 的计算值均是沿截面 ( 4 )钢一混凝土结合段腹板各测点 方向应力 高度方向由上往下增大。 实测值与模型 1 计算值的误差范围为 1 1 oA4 3 oA， ( 5 )总体上说， 模型 1与模型 2的差异在于两者 与模型 2计算值 的误差范 围为 5 2 3 9 6 ， 钢 混 的传力机理不同， 但由于预应力的作用占整个组合 凝土结合段腹板各测点 z 方向应力实测值与模型 2 荷载效应的比例较大 ， 模型 2中预应力是通过承压 较为接近， 说明在腹板钢格室钢板与混凝土协同工 板直接传递给钢 一 昆 凝土结合段混凝土的， 预应力 作性能较好 ， 腹板钢格室混凝土密实性较好。 的传递途径与模型 1 相同， 所以两者差别不是很大。 ( 5 )总体上说， 钢一混凝土结合段钢格室钢板 加5 0 锄 0 哪瑚枷 铷 0 咖 芎 弓 啪 咖 咖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 期 斜拉桥主梁钢一混凝土结合段受力分析和传力机理研究 4 5 与混凝土协同工作性 能、 混凝土密实性对其传力机 理影响较大 。 5 钢一混凝土结合段传力比 在有 限元计算模型 1中， 钢箱梁传递到承压板 上的力先以不同的比例分别传递给钢一混凝土结合 段钢格室钢板和混凝土 ， 并最终传递至混凝土箱梁 ； 计算模型 2中， 钢箱梁传递到承压板上的力一部分 传递到钢 一混凝土结合段混凝土、 另一部分是传递 到钢 一混凝土结合段钢格室钢板， 再 由钢板上 的剪 力钉传递给钢一混凝土结合段混凝土 ， 最终传递至 混凝土箱梁。在力 的传递过程中， 钢一混凝土结合 段钢格室钢板与混凝土各分配了不 同比例的力 ， 本 文定义钢格室钢板传递的力与混凝土传递的力之 比 为传力比。 图 7 、 图 8分别为有限元计算模 型 1 、 2在预应 力、 轴力、 弯矩单独作用及组合荷载作用时， 钢格室 钢板与混凝土的传力 比。 0 0 坐 标 图 7 模型 1 钢格 室钢板 与混凝土传力比 8 蓑 3 啦3 8 坐标值 m m 图 8模型 2钢格 室钢板与 混凝 土传 力比 比较 2 种有限元计算结果可知 ： ( 1 )有限元计算模型 1 、 2在预应力、 轴力、 弯矩 单独作用及组合荷载作用 时， 通过承压板传递给钢 格室钢板和混凝土的各种内力的比例见表 l 。 ( 2 )模型 1中， 分 配给钢板 的力相对模型 2较 少 ， 大部分的力是直接传递给混凝土的， 表 明钢混 凝土结合段混凝土密实性好 ， 钢 一混凝土结合段安 全性能高。 ( 3 )模型 1中， 各 内力经过一小段距离 的传递 后 ， 钢板与混凝土的传力比沿 z方向变化较小 ， 趋于 稳定 ； 在钢一混凝土结合段截面突变处 ， 传力比也有 突 变 。 ( 4 ) 模型 2中， 各内力由钢板传递给混凝土的 距离较长 ， 在钢一混凝土结合段的端部 ， 钢板上的力 才全部地传递给混凝土。 表 1 各工况作 用下钢格 室钢 板和 混凝土传递各种 内力的比例 6结论 ( 1 )由试验与有 限元模型计算结果对 比分析来 看， 模型各构件应力实测结果不与任何一种计算模 型完全一致。其中顶板、 腹板 方向的实测值与模 型 2的计算值较接近， 说明顶板钢格室钢板与混凝 土协 同工作性能较差 ， 主要靠剪力钉传递力 ， 腹板钢 格室钢板与混凝土协 同工作性能较好 ， 腹板钢格室 混凝 土密实性较好 ， 底板 z方向的实测值与模 型 1 的计算值较接近 ， 说明在底板钢格室钢板与混凝土 协同工作性能较好 ， 底板钢格室 昆 凝土密实性较好 。 ( 2 )2种模型中各个构件的应力计算值可 以认 为是实测值的上限和下 限， 本文 的有限元计算方法 和传力机理的假设可作为构造类似钢一混凝土结合 段设计 、 计算的一种参考。 ( 3 )钢一混凝土结合段钢格室钢板 与混凝土协 同工作性能、 混凝土密实性直接关系到钢混凝土 结合段传力路径及传力 比， 钢 一混凝土结 合段混凝 土密实性越好 ， 由剪力钉传递到混凝土的力 的比例 越大 ， 钢一混凝土结合段安全性能越高。 参考文献 ： E 1 3 J T G D6 0 -2 0 0 4 ， 公路桥涵设计通用规范E S 3 E 2 3 J T G D6 5 一O 1 2 0 O 7 ， 公路斜拉桥设计细 J E s 3 E 3 3 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司南昌 市英雄大桥北主桥钢一混凝土结合段受力和传力行为 研究及模型试验 R 2 0 0 8 4 陈开利， 王戒躁 ， 安群慧舟山桃天门大桥钢与混凝土 结合段模型试验研究 J 土木工程学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 3 )： 8 6 9 0 5 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司济南 黄河大桥剪力钉静力与疲劳模型试验研究报告 R 2 00 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m