新型无格室钢-UHPC结合段受力性能及参数分析_赵华.pdf

第 卷第 期重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）：新型无格室钢 结合段受力性能及参数分析赵 华，卢珂宇，孙 韬，刘 榕，卢立志（湖南大学 土木工程学院 风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南 长沙；湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙）摘要:为研究新型无格室钢-UH P C结合段的受力性能和传力机理,以主跨2 4 0m的沅水特大桥主桥为研究背景,采用有限元分析方法建立了钢-UHP C结合段局部模型,分析了结构受力以及影响结构传力的构造参数。结果表明:在最不利正弯矩工况下,结构传力平顺,各部分应力基本满足要求;栓钉连接件剪力大小基本呈马鞍状分布,综合剪力最大达2 9.7k N,具有一定的安全储备;承压板承担轴向荷载比例为8 2.3 4%,承担比例随着承压板厚度的增大有所提高;混凝土强度增大和UHP C顶/底板厚度增大均可减小栓钉连接件剪力;UHP C结合段能有效减小栓钉连接件滑移;结合段长度增大的同时不能有效发挥中间栓钉连接件抗剪作用。关 键 词:桥梁工程;无格室钢-UH P C结合段;承压板;栓钉连接件;有限元分析中图分类号:U 4 4 8.2 7文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-0 6 9 6(2 0 2 3)0 1-0 2 7-0 9M e c h a n i c a lP e r f o r m a n c ea n dP a r a m e t r i cA n a l y s i so fN o v e l S t e e l-U H P CJ o i n t sw i t h o u tC e l lZ HAO H u a1,L U K e y u1,S UNT a o1,L I UR o n g2,L UL i z h i2(1.K e yL a b o r a t o r yf o rW i n da n dB r i d g eE n g i n e e r i n go fH u n a nP r o v i n c e,S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,H u n a nU n i v e r s i t y,C h a n g s h a4 1 0 0 8 2,H u n a n,C h i n a;2.H u n a nP r o v i n c i a lC o mm u n i c a t i o n sP l a n n i n g,S u r v e y&D e s i g nI n s t i t u t eC o.L t d.,C h a n g s h a4 1 0 0 8 2,H u n a n,C h i n a)A b s t r a c t:T oi n v e s t i g a t et h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dt h ef o r c et r a n s f e rm e c h a n i s m o ft h en o v e ls t e e l-UH P Cj o i n t sw i t h o u t c e l l,t h em a i nb r i d g eo fY u a n s h u iG r a n dB r i d g ew i t ham a i ns p a no f2 4 0m w a sc i t e da st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d.T h el o c a lm o d e lo fs t e e l-UH P Cj o i n t sw a se s t a b l i s h e db yF EM,a n dt h es t r u c t u r a lf o r c e sa n dt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h es t r u c t u r a l f o r c e t r a n s m i s s i o nw e r ea n a l y z e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t:t h es t r u c t u r eh a ss m o o t hs t r u c t u r a l f o r c e t r a n s m i s s i o na n d t h e s t r e s s e s i ne a c hp a r t b a s i c a l l ym e e t t h e r e q u i r e m e n t s e v e nu n d e r t h em o s tu n f a v o r a b l ep o s i t i v eb e n d i n gm o m e n t c o n d i t i o n;t h e s h e a r f o r c e o f s t u d s i sb a s i c a l l yd i s t r i b u t e d i ns a d d l e s h a p e,a n dt h em a x i m u mc o m p r e h e n s i v es h e a r f o r c e i su pt o2 9.7 k N,w i t hac e r t a i ns a f e t yr e s e r v e;t h ep r o p o r t i o no fa x i a ll o a db o r n eb yt h ep r e s s u r eb e a r i n gp l a t ei sa b o u t8 2.3 4%,a n dt h ep r o p o r t i o no fa x i a l l o a db o r n eb yt h ep r e s s u r eb e a r i n gp l a t e i n c r e a s e sa si t st h i c k n e s si n c r e a s e s;t h ei n c r e a s eo ft h ec o n c r e t es t r e n g t ha n dt h et h i c k n e s s e so ft h eUHP Ct o pa n db o t t o mp l a t e sc a nr e d u c e t h es h e a r f o r c eo f s t u d s;t h eUH P Cj o i n t sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h es l i po ft h es t u d s;w h e nt h el e n g t ho ft h ej o i n t si n c r e a s e s,t h es h e a rr e s i s t a n c eo ft h em i d d l es t u d sc a n n o tb ee f f e c t i v e l ye x e r t e d.K e yw o r d s:b r i d g ee n g i n e e r i n g;s t e e l-UH P Cj o i n t sw i t h o u t c e l l;p r e s s u r eb e a r i n gp l a t e;s t u d s;F EM 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）第一作者：赵 华（），男，湖北松滋人，教授，博士，主要从事新型桥梁结构、既有桥梁的评定及维护，及桥梁动态称重系统研究。：通信作者：卢珂宇（），女，河南南阳人，硕士研究生，主要从事新型桥梁结构研究。：引 言混合梁桥可以充分发挥钢材和混凝土材料特点，既有利于增强主跨的跨越能力，又能利用边跨混凝土梁自重大的特点起到压重与平衡结构内力的作用，近年来已广泛应用于各种大跨桥中。钢混结合段位于混合梁桥截面突变位置，是混合梁受力关键部分，在设计时应予以高度重视。目前，国内外学者针对钢混结合段的研究大多基于实桥工程，通过模型试验及有限元分析验证实桥结合段的安全性与可靠度。秦凤江等基于重庆鹅公岩轨道专用桥，开展了 缩尺模型试验，研究了大跨自锚式悬索桥钢混结合段的受力性能；姜文基于乌江特大桥的钢混结合段，将 缩尺模型试验结果与有限元计算结果进行对比，分析了钢混结合段的应力分布规律以及各部分荷载分担比例；黄彩萍基于南昌英雄大桥和武汉二七长江大桥，通过缩尺模型试验和有限元分析，研究了不同形式钢混结合段的力学行为和传力性能；等基于潭江特大桥钢混结合段，设计了 缩尺比的试验模型，研究了钢混结合段的应力分布、变形特征、开裂模式和失效模式等结构响应性能；等设计了足尺局部节段模型，分析了力的传递机制及钢加劲段长度对结构受力的影响；伍彦斌等应用 有限元软件分析了红水河特大桥在 倍超载工况下钢混结合段的受力情况。超高性能混凝土（）因其高弹模、高强度，和良好的徐变特性等优点，被作为钢混结合段灌注材料的研究。贺绍华针对怒江二桥钢混结合段进行了 缩尺模型试验，发现采用 作为灌注材料的钢混结合段，其强度和安全系数满足受力需求，结合段承载力得到提高，长期性能得到改善；嘉鱼长江公路大桥主桥也是采用 作为钢混结合段的灌注材料，作者对结合段水化热、应力场等进行了研究，提出了相关施工建议。目前，国内已建混合梁桥多数为有格室钢混结合段结构形式。有格室内部采用 和栓钉共同抗剪，对内部混凝土形成三向受力，钢板与内部混凝土接触面积更大，整体性更好，但有格室钢混结合段结构复杂，内部空间狭小，钢梁焊接施工性差，混凝土浇筑质量不易保证。而 材料由于其优异的力学特性、自密实、免振捣施工及早期强度高等优点，用于钢混结合段灌注可简化结合段构造。笔者设计了一种仅用栓钉连接件作为剪力连接件的无格室钢 结合段（图），并以拟建主跨 的连续刚构桥 沅水特大桥主桥（其跨中 钢箱梁和混凝土箱梁之间采用钢混结合段过渡）为工程背景，采用有限元方法针对无格室钢 结合段的受力性能和相关影响参数进行分析，研究证明了所设计结构的可行性。图 无格室钢 结合段示意 工程概况拟建沅水特大桥主桥采用跨径为（）连续刚构桥，总体布置如图。主梁边跨和部分中跨为单箱单室直腹板混凝土箱梁，中跨 （包括 个 长钢 结合段）为钢箱梁，结合段承压板截面位于主梁中跨侧距离桥墩中心线 处。图 拟建沅水特大桥立面布置（单位：）钢 结合段采用无格室顶、底板与端部承压板式构造，承压板厚 ，承压板位置处梁高为。顶、底板厚 ，腹板厚 ，钢板和 之间采用直径 、高 的栓钉连接件连接，纵横向间距均为 。结合段 与混凝土连接侧通过混凝土梁隔板处预留钢筋连为一体。结合段预应力钢束均为 钢束，锚固于承压板以及混凝土梁的腹板和顶底板齿 重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷块上。结合段两端各有长 的混凝土梁过渡段及 钢梁过渡段，具体构造如图。图 钢 结合段构造及承压板截面示意 钢 结合段有限元分析 建 模采用 有限元软件对钢 结合段进行建模分析。根据 公路钢混组合桥梁设计与施工规范规定及原始结构尺寸，依据圣维南原理，笔者设计结合段有限元模型共，包括 普通混凝土梁段、混凝土梁过渡段、钢 结合段、钢箱梁过渡段及 钢箱梁段。考虑结构对称性，建立 模型进行分析，共计 个节点，个单元，如图。图 钢 结合段有限元模型 普通混凝土和 均采用三维实体单元 和 模拟，钢箱梁采用壳单元 和 模拟，纵向预应力筋采用桁架单元 模拟。钢板与 之间仅考虑法向“硬”接触，不考虑切向接触，将切向摩擦力作为安全储备考虑。考虑到结合段预应力短束的作用，承压板和 的相互作用采用节点耦合方式模拟，其他钢板与 之间的栓钉连接件采用 弹簧单元连接 和钢板对应节点位置进行模拟，根据式（）可得到荷载滑移（）曲线：（）式中：为栓钉直径，；为滑移值，；为栓钉抗剪承载力，。节段模型仅考虑弹性阶段受力，因此，材料本构均为线性。模型材料性能参数如表。表 有限元模型材料性能 材料弹性模量 容重 （）泊松比 钢材预应力筋 加 载采用悬臂方式加载，在模型对称面施加对称约束，并约束混凝土梁端部所有节点自由度。在钢箱梁端部形心处建立参考点，与端部节点耦合。提取全桥整体分析模型中对应截面计算结果，得到有限元模型钢箱梁端部形心参考点施加荷载：轴力 ，剪力 ，弯矩 （荷载工况未考虑预应力作用，并已经考虑由于剪力施加位置远离承压板截面所引起的附加弯矩）。受力分析 钢结构受力分析钢 结合段在最大正弯矩作用下钢结构、钢梁顶 底板、承压板及钢 结合段腹板 应力（）云图如图，由式（）计算得到（均为正值）：（）（）（）（）式中：、分别为第一、第二、第三主应力，。第 期赵 华，等：新型无格室钢 结合段受力性能及参数分析图 钢结构、钢箱梁顶 底板、承压板及钢 结合段腹板 应力云图 ，由图 可见：）由于标准段 肋和纵肋变为变高度 肋，钢箱梁受力面积增加、刚度增大，因此，由标准段至刚度过渡段钢箱梁 应力逐步降低图（），除过渡段顶板 肋、底板纵肋转为变高度 肋处存在应力集中现象外，大部分 应力低于，满足设计要求。）在钢 结合段图（），由于钢板与 共同作用，该处钢板 应力进一步降低，且与过渡段应力水平有明显分界线。）钢箱梁顶 底板应力沿横桥向分布不均匀，在纵腹板附近更显著，剪力滞效应明显。结合段承压板除底板变高 肋处与承压板作用产生较大应力集中 外，大 部 分 应 力 均 小 于 图（）。因此，在施工时应保证焊接工艺，减小结构残余应力。承压板与过渡段变高 肋接触位置及与腹板接触位置的应力水平大于板内部位置的应力水平，这是由于荷载大小按照刚度分配所致。）结合段腹板的 应力沿力的传递方向逐渐减小图（），说明荷载通过栓钉连接件逐渐向 传递。受力分析钢 结合段 纵向应力 如图，图中，“”表示压应力。图 钢 结合段 顶 底板纵向应力 由图 可见：）在正弯矩作用下，顶板纵向压应力大于底板的，最大纵向压应力为 ，位于顶板预应力筋锚固点，其余大部分纵向压应力均低于。）绝大部分承受纵向压应力，且受力从外部向内部传递，仅在承压板接触面产生由于采用绑定连接所导致的局部纵向拉应力。需要说明的是，由于将 腹板和顶底板分开建模，导致板与腹板交界位置产生较大应力集中 重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷现象，但整体应力水平仍较低。图 为截面距承压板的距离 、，距顶板上缘的距离、处，顶板纵向应力 分布曲线。图中，横坐标 为距桥梁中心线距离。图 钢 结合段 应力分布曲线 由图 可见：在承压板界面附近，由于预应力和钢腹板的影响，纵向应力呈现明显的不均匀性，在钢腹板附近位置应力偏高；随着荷载向混凝土过渡段传递，特别是与承压板间距离超过 之后，箱梁内部顶板各个横截面相应高度处的应力分布逐渐均匀，体现了结合段的应力分布作用。刚度平稳度分析图 为顶板中心线处竖向位移，图中横坐标 为距混凝土梁端距离。图 主梁竖向位移 由图 可见：在最不利正弯矩工况下，竖向位移 总体无明显突变，在结合段两侧过渡较为平顺。混凝土梁固定端 ，从固定端至结合段承压板附近竖向位移呈线性上挠；至钢箱梁刚度过渡段位移平稳过渡；至钢箱梁标准段由于刚度减小且靠近加载端，竖向位移明显增大。传力比例分析在钢 结合段中，荷载从钢箱梁侧依次经承压板、剪力连接件传递给结合段，再传递给混凝土梁。在各个横截面处对各构件的纵向应力进行积分，得到截面处钢结构和 各自承担的轴向荷载，承担轴向荷载的比例 如图。图 钢 结合段承担轴向荷载比例 第 期赵 华，等：新型无格室钢 结合段受力性能及参数分析由图 可见：在钢箱梁过渡段，轴向荷载完全由钢结构承担；在承压板截面处，钢结构承担轴向荷载比例突然减小，其中约 的轴向荷载由承压板直接传递给，另外 的轴向荷载则通过栓钉连接件以剪力形式逐步传递给。表明承压板是钢 结合段的主要传力构件，承压板直接传力和栓钉连接件传力的传力比按照核心混凝土压缩刚度和栓钉连接件群总体刚度比的关系进行分配。合理的传力比例有利于结构受力，保证结构安全性。具有较高的强度和弹性模量，因此截面处直接承担荷载比例较大，栓钉连接件承担荷载比例较小，可防止栓钉连接件滑移过大，造成界面破坏。栓钉连接件受力分析在最不利荷载作用下，钢 结合段栓钉连接件沿纵桥向、横桥向及栓钉连接件轴向的剪力均呈不均匀分布，其中横桥向及栓钉连接件轴向的剪力均较小。图 为沿纵桥向的剪力，的“”“”仅代表方向，当 受来自钢箱梁的压力时 为“”，反之为“”。图 栓钉连接件纵向剪力分布 由图 可见：）栓钉连接件的纵向剪力大小基本呈两端大、中间小的马鞍状分布。从承压板至混凝土梁端，钢箱梁所受荷载逐渐减小，钢箱梁的纵桥向变形增长变缓，而 所受荷载逐渐增大，累计纵向变形增长加快，两者之间的相对位移逐渐增大，至结合段末端，两者纵桥向相对位移最大，因此，结合段末端栓钉连接件剪力最大。）计算栓钉连接件在 个剪切方向上的矢量和，其中栓钉剪力以底板靠近桥中心位置处最大，为，栓钉的安全系数为。钢 结合段参数分析为便于分析，在建立钢 结合段有限元模型时均选择轴向力荷载 ，且不考虑预应力的作用。混凝土强度笔者应用有限元法对比分析了、和 种强度混凝土结合段的受力性能，除了栓钉连接件荷载滑移曲线不同外，其他模型参数相同。结合段混凝土承担轴向荷载比例 及各排栓钉连接件剪力合力 分布如图。重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷图 混凝土承担轴向荷载比例及各排栓钉连接件剪力分布 由图 可见：）承压板截面处混凝土承担轴向荷载的比例随着混凝土强度的增大而增大，而栓钉连接件承担轴向荷载的比例则有所降低；结合段轴向荷载承担比例及增长幅度均较大。）各排栓钉连接件剪力随着混凝土强度的增大而减小，最后一排栓钉连接件剪力值较大，减小幅度也较大。钢 结合段的栓钉连接件抗剪刚度更大，可有效减小钢板与混凝土之间的滑移，保证结构安全。承压板厚度承压板厚度 的钢 结合段，承担轴向荷载比例 如图。有限元分析模型的其他参数不变。图 不同承压板厚度 工况 承担轴向荷载比例 由图 可见：）随着承压板厚度 的增加，承压板处 承担的轴向荷载比例 有一定程度的提高，但当 ，提高幅度变小；当 ，的变化对 和钢结构传力比例基本无影响。）对于无格室钢 结合段，承压板厚度 时已具有较高的传力比例。综上，鉴于承压板须同时抵抗预应力锚固和加劲肋传递的局部作用力，为避免应力集中引起结构局部疲劳破坏，应保证承压板具有足够的面外刚度，因此，笔者建议承压板合理厚度为 。顶 底板厚度选择顶 底板厚度 、的钢 结合段模型进行分析。根据 顶 底板厚度，适当调整钢结构部分变高加劲肋的高度，以保证变高加劲肋端部高度小于顶 底板厚度，模型其他参数不变。图 为不同顶 底板厚度工况下，承压板截面处 承担轴向荷载比例 及各排栓钉连接件承担剪力 曲线。可见：）承压板截面处 承担轴向荷载比例 随着 顶 底板厚度 的增大而增大。）各排栓钉连接件承担的剪力 随着 的减小而增大，当 ，靠近混凝土梁侧的增大了。因此，选择顶 底板厚度时应考虑栓钉连接件剪力的变化。笔者建议 顶 底板厚度 最大取。第 期赵 华，等：新型无格室钢 结合段受力性能及参数分析 图 承压板截面处 承担轴向荷载比例及栓钉连接件剪力分布 钢 结合段长度为研究钢 结合段长度 对结合段受力的影响，在保证结合段结构不变的基础上，分别选取、的结合段进行分析。建模时，通过适当调整栓钉连接件排数以及混凝土过渡段长度来实现钢 结合段长度的变化，同时保证栓钉连接件间距以及其余参数不变。图 为不同结合段长度 工况下，承担轴向荷载比例，图中：横坐标为截面距承压板的距离与结合段长度之比。可见，随着结合段长度的增加，承压板截面位置处 承载比例，即通过承压板直接传递给 结构的荷载减少，而通过栓钉连接件传递给 结构的荷载增大。这是由于随着结合段长度的增大，栓钉连接件数量增多，刚度变大，因此，栓钉传力比例加大。图 不同钢 结合段长度 工况 承担轴向荷载比例 图 为顶 底板距中心线 位置处，栓钉连接件的纵向剪力 与钢 结合段长度 的关系曲线。图 栓钉连接件剪力分布与结合段长度关系 由图 可见：）、结合段上，分别布设了、排栓钉，结果显示，排数越多，中间几排栓钉的纵向剪力 越小，这表明较长的结合段会影响中间栓钉连接件的抗剪效率。）种结合段长度，栓钉连接件的纵向剪力均在距承压板距离 最远处达到最大，并且随着 的增长而增大，在 时达到峰值，当 重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 后，有明显降低。因此，在设计确定结合段合理长度时，应综合考虑传力均匀性、栓钉连接件抗剪效率等多方面因素，笔者建议 。结 论通过建立有限元模型，分析了笔者提出的无格室钢 结合段的受力性能及其传力机理，研究了影响钢 结合段传力性能的构造参数，得到主要结论如下：）在最不利正弯矩工况下，结构应力及刚度过渡平顺，各部分应力基本满足要求；栓钉连接件基本呈两端 大、中 间 小 的 马 鞍 状 分 布，剪 力 最 大 值，安全系数，栓钉连接件受力满足设计要求，具有一定的安全储备。）钢 结合段承压板处，传递轴向荷载比例约为，传力效果显著，余下轴向荷载通过栓钉传递给。）承压板承担轴向荷载比例随着钢 结合段混凝土强度的增大而增大；与普通混凝土相比，承担轴向荷载比例更大，结合段栓钉连接件滑移更小。）承压板承担轴向荷载比例随着承压板厚度或结合段 顶 底板厚度的增大而增大，但承压板厚度的影响相对较小。建议承压板厚度 ，顶底 板厚度 。）结合段长度的增加有利于平稳传力，但随着长度的增加，中部栓钉连接件受剪作用减弱，不能有效发挥栓钉连接件的抗剪作用。设计时应综合考虑传力均匀性、栓钉连接件抗剪效率等来确定结合段合理长度。参考文献（）：高翔，周尚猛，陈开利 混合梁斜拉桥钢混结合段试验研究技术新进展 钢结构，（）：，（）：秦凤江，周绪红，梁博文，等大跨度自锚式悬索桥主梁钢混结合段模型试验 中国公路学报，（）：，（）：姜文 混合梁斜拉桥钢混结合段受力分析 长沙：湖南大学，：，黄彩萍 混合梁斜拉桥钢混结合段受力性能的试验研究与理论分析 武汉：华中科技大学，：，：，：伍彦斌，黄方林 红水河特大桥主梁钢混结合段传力机理分析 桥梁建设，（）：，（）：，：，：贺绍华混合梁斜拉桥高性能钢混结合段受力性能试验研究 长沙：湖南大学，：，李浩混合梁斜拉桥 宽箱梁施工过程受力分析 长沙：湖南大学，：，刘玉擎混合梁接合部设计技术的发展世界桥梁，（）：，（）：，：徐海鹰混合梁斜拉桥钢混结合段研究中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第 届（）学术交流会暨教学研讨会论文集 宁波：中国钢结构协会，（）：，（责任编辑：田文玉）第 期赵 华，等：新型无格室钢 结合段受力性能及参数分析