剪力釘集束式與均布式布置下鋼-混 組合梁橋受力分析

劉沐宇， 萬 杰， 張 強(qiáng)

(1.武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

鋼-混組合梁橋是通過剪力釘連接混凝土橋面板與鋼主梁，以保證二者共同作用。目前，剪力釘布置方式主要采用均布式，其剪力釘受力具有比較均勻的特征，但是也造成混凝土橋面板分塊和濕接縫較多，引起施工不便和增加工期。港珠澳大橋鋼-混組合連續(xù)箱梁的剪力釘采用了新穎的集束式布置方式，它可以對橋面板進(jìn)行分塊預(yù)制整體拼裝，具有施工速度快、安裝質(zhì)量好、鋼-混組合梁整體性能優(yōu)越的特點(diǎn)。但是，剪力釘集束式布置對鋼-混組合梁橋整體受力性能的影響和剪力釘?shù)氖芰π阅艹蔀闃蛄涸O(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問題。據(jù)此，開展剪力釘集束式和均布式布置下鋼-混組合梁橋受力特性分析研究，對掌握鋼-混組合梁橋的設(shè)計(jì)方法和營運(yùn)性能具有重要的理論意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對大跨徑鋼-混組合梁橋結(jié)構(gòu)性能開展了相關(guān)的研究。周偉翔[1]等對上海長江大橋組合箱梁建立有限元模型進(jìn)行全橋仿真分析，并用彈簧單元模擬剪力釘。分析最不利荷載下組合梁邊跨的受力性能，并對剪力釘?shù)某休d力進(jìn)行了驗(yàn)算和復(fù)核；蘇慶田等[2,3]以上海長江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用通用有限元ANSYS程序?qū)λ魉⒖臻g模型，采用彈簧單元模擬剪力釘，分析了索塔內(nèi)剪力釘在斜拉索索力作用下的力學(xué)性能。王正陽等[4]以某槽型鋼-混組合梁斜拉橋?yàn)檠芯繉ο?，采用彈簧單元模擬剪力釘，建立全橋空間有限元模型，分析了剪力釘縱、橫橋向受剪性能。

由上可知，剪力釘?shù)哪M方法主要采用彈簧單元來實(shí)現(xiàn)，然而彈簧單元存在以下問題。

(1)彈簧單元的剛度k取值主要來自推出試驗(yàn)的結(jié)果，而剪力釘在推出試驗(yàn)條件下的受力狀況與鋼-混組合梁橋剪力釘?shù)氖芰顩r是存在差異的。

(2)彈簧單元只能提取剪力釘單向受力情況，而不能提取剪力釘?shù)膽?yīng)力情況。因此，用彈簧單元模擬剪力釘會由于剛度k的取值不同而產(chǎn)生較大的誤差。采用梁單元模擬剪力釘，由于輸入?yún)?shù)為剪力釘?shù)膹椥阅Ａ縀、泊松比μ、截面面積A、以及長度L，它取值精準(zhǔn)，克服了上述不足。

本文針對港珠澳大橋非通航孔6×85 m組合連續(xù)梁橋開展受力性能分析，采用Beam188梁單元模擬剪力釘、Solid45實(shí)體單元模擬混凝土橋面板、Shell163殼單元模擬鋼箱梁，在最不利邊跨建立了精細(xì)的空間有限元模型(按剪力釘實(shí)際數(shù)量建立梁單元)，采用生死單元法模擬港珠澳大橋的實(shí)際施工過程，即大節(jié)段整體吊裝、簡支變連續(xù)、支點(diǎn)頂升與回落、支點(diǎn)縱向預(yù)應(yīng)力張拉以及二期恒載的全過程。按照剪力釘集束式布置和剪力釘均布式布置兩種方式，分別計(jì)算了鋼-混組合梁橋受力性能和剪力釘?shù)氖芰顩r，為鋼-混組合梁橋剪力釘集束式布置提供分析依據(jù)。

1 工程概況

港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋分幅方案采用6×85m連續(xù)組合鋼箱梁，如圖1所示。橋面總寬33.1 m，兩幅主梁中心距16.8 m，單幅橋面寬16.3 m，橋面橫坡2.5%，如圖2所示。

圖1 6×85 m連續(xù)組合梁橋跨總布置圖/cm

圖2 連續(xù)組合梁截面/mm

大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)公路等級：主橋采用雙向八車道。

(2)設(shè)計(jì)荷載：公路I級。

(3)設(shè)計(jì)壽命：120年。

(4)設(shè)計(jì)安全等級：一級。

(5)環(huán)境類別：I類。

2 建立鋼-混組合梁橋有限元模型

本文以港珠澳大橋6×85 m鋼-混組合連續(xù)梁橋?yàn)榉治鰧ο螅捎萌珮蚝喕Ｐ蛦慰缇?xì)模型，即Ansys子模型技術(shù)。剪力釘集束式和均勻式單跨精細(xì)子模型選取全橋模型中剪力釘受力最不利的85 m邊跨，采用生死單元法模擬港珠澳大橋的實(shí)際施工過程，即大節(jié)段整體吊裝、簡支變連續(xù)、支點(diǎn)頂升與回落、支點(diǎn)縱向預(yù)應(yīng)力張拉以及二期恒載的全過程，以全橋簡化模型切割邊界上的位移作為精細(xì)模型的邊界條件。

鋼-混組合梁橋精細(xì)有限元模型采用Beam188梁單元模擬剪力釘、Solid45實(shí)體單元模擬混凝土橋面板、Shell163殼單元模擬鋼箱梁。剪力釘集束式空間精細(xì)有限元模型共包含單元84666個(gè)，節(jié)點(diǎn)90856個(gè)；剪力釘均布式空間精細(xì)有限元模型共包含單元90156個(gè)，節(jié)點(diǎn)98232個(gè)，有限元模型如圖3和圖4所示。

圖3 剪力釘集束式精細(xì)有限元模型

圖4 剪力釘均布式精細(xì)有限元模型

港珠澳組合連續(xù)梁材料參數(shù)見表1。

表1 有限元分析主要材料參數(shù)

3 組合梁計(jì)算結(jié)果及分析

分析組合梁空間受力狀態(tài)考慮的荷載工況如下：

(1)成橋階段恒載工況；

(2)最不利活載工況；

(3)荷載組合工況：成橋階段恒載+活載。

3.1 成橋階段恒載工況

由圖5與圖6可知，成橋階段恒載工況下剪力釘集束式與均布式跨中最大撓度分別為202.5 mm和202.7 mm。

圖5 剪力釘集束式位移

圖6 剪力釘均布式位移

圖7 剪力釘集束式跨中混凝土橋面板應(yīng)力

圖8 剪力釘均布式跨中混凝土橋面板應(yīng)力

由圖7與圖8可知，成橋階段恒載工況下兩種剪力釘布置形式跨中混凝土橋面板最大應(yīng)力都位于橋面板頂面，集束式最大應(yīng)力為-10.7 MPa，均布式最大應(yīng)力為-10.5 MPa。

圖9 剪力釘集束式跨中鋼梁應(yīng)力

圖10 剪力釘均布式跨中鋼梁應(yīng)力

由圖9與圖10可知，成橋階段恒載工況下兩種剪力釘布置形式跨中鋼梁最大拉應(yīng)力都位于鋼梁底板，集束式最大應(yīng)力為145.4 MPa，均布式最大應(yīng)力為145.2 MPa；跨中鋼梁最大壓應(yīng)力都位于鋼梁頂板，集束式最大應(yīng)力為-37.8 MPa，均布式最大應(yīng)力為-37.4 MPa。

3.2 最不利活載工況和組合工況

剪力釘集束式與均布式在最不利活載工況與組合工況下，組合梁邊跨跨中最大撓度、混凝土橋面板最大應(yīng)力、鋼梁最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別列于表2和表3中。

表2 最不利活載工況邊跨跨中組合梁受力特性

表3 組合工況邊跨跨中組合梁受力特性

4 剪力釘計(jì)算結(jié)果及分析

分析剪力釘受力狀態(tài)考慮的荷載工況：

(1)成橋階段恒載工況；

(2)最不利活載工況；

(3)荷載組合工況：成橋階段恒載+活載。

考慮結(jié)構(gòu)橫向?qū)ΨQ，僅取邊跨85 m梁一側(cè)的剪力釘進(jìn)行結(jié)果分析。結(jié)果坐標(biāo)系以縱梁頂板與腹板交點(diǎn)作為原點(diǎn)，縱向?yàn)閤軸，橫向?yàn)閥軸。且考慮到剪力釘數(shù)目縱多，因此每個(gè)工況下剪力釘?shù)氖芰H取最大值所在列的結(jié)果列于圖表中。

4.1 縱向剪力計(jì)算結(jié)果分析

(1)成橋階段恒載工況

圖11為成橋階段恒載工況下，兩種布置形式剪力釘縱向剪力最大值所在列的剪力分布圖，都為靠近腹板所在列，可見靠近腹板的剪力釘承擔(dān)了比遠(yuǎn)離腹板的剪力釘更多的剪力。由此可見，恒載工況下均布式剪力釘縱向剪力比集束式縱向剪力分布連續(xù)均勻。由于港珠澳大橋采用整體吊裝、支點(diǎn)頂升及回落和負(fù)彎矩區(qū)橋面板張拉預(yù)應(yīng)力等施工工藝，兩種布置形式的剪力釘都在新老混凝土交界處縱向剪力較大，最大值出現(xiàn)在x=63.4 m處，其中集束式剪力釘最大縱向剪力為57.54 kN，均布式為60.87 kN。

圖11 成橋階段恒載工況剪力釘縱向剪力分布

(2)最不利活載工況

根據(jù)成橋階段恒載工況下剪力釘縱向受力最不利位置，選取x=63.4 m按照該截面建立影響線進(jìn)行最大縱向剪力加載。

由圖12可見，最不利活載工況下均布式剪力釘縱向剪力比集束式剪力釘縱向剪力分布連續(xù)均勻。在x=63.4 m處集束式剪力釘最大縱向剪力為6.95 kN，均布式為7.11 kN。

圖12 最不利活載工況剪力釘縱向剪力分布

(3)荷載組合工況

由圖13可見荷載組合工況下兩種布置形式剪力釘在x=63.4 m縱向剪力最大，其中集束式剪力釘最大縱向剪力為64.49 kN，均布式為67.98 kN，比集束式大3.49 kN。

圖13 荷載組合工況剪力釘縱向剪力分布

4.2 拉拔力計(jì)算結(jié)果分析

(1)成橋階段恒載工況

圖14 成橋階段恒載工況剪力釘軸力分布

圖14為成橋階段恒載工況下兩種布置形式剪力釘拉拔力最大值所在列的軸力分布圖。由圖可見，兩種布置形式剪力釘軸力都以受壓為主，但由于施工過程的影響，兩種布置形式剪力釘在x=61.4 m附近產(chǎn)生部分拉拔力，其中集束式剪力釘最大拉拔力為14.9 kN，均布式為14.83 kN。

(2)最不利活載工況

根據(jù)組合梁拉拔力產(chǎn)生機(jī)理，在x=61.4 m處對組合梁邊跨進(jìn)行最不利加載，如圖15所示。

圖15 有限元模型懸臂端偏載示意

圖16 最不利活載工況剪力釘軸力分布

由圖16可見，最不利活載工況下兩種布置形式剪力釘產(chǎn)生的最大拉拔力都發(fā)生在腹板橫向加勁肋附近最內(nèi)側(cè)一列剪力釘，其中集束式剪力釘最大拉拔力為30.45 kN，均布式為28.84 kN。

(3)荷載組合工況

由圖17可見荷載組合工況下，兩種布置形式剪力釘在x=61.4 m拉拔力最大，其中集束式剪力釘最大拉拔力為45.44 kN，均布式為43.67 kN，比集束式小1.77 kN。

圖17 荷載組合工況剪力釘軸力分布

5 結(jié) 論

(1)鋼-混組合梁采用梁單元模擬剪力釘可以有效避免彈簧單元的不足，使計(jì)算結(jié)果更加精確，為模擬剪力釘提供一種新途徑。

(2)鋼-混組合連續(xù)梁橋施工過程直接影響剪力釘受力情況，因此對剪力釘模擬過程中應(yīng)依照組合連續(xù)梁全橋?qū)嶋H施工過程進(jìn)行建模，并且采用Ansys子模型技術(shù)能夠考慮全橋施工過程對最不利邊跨剪力釘受力的影響。

(3)有限元分析得到組合荷載工況下剪力釘集束式與均布式組合梁跨中最大撓度分別為224.4 mm和224.7 mm，混凝土橋面板最大應(yīng)力分別為-11.9 MPa和-11.6 MPa，鋼梁最大應(yīng)力分別為161.2 MPa和161.0 MPa，比較發(fā)現(xiàn)兩種剪力釘布置形式組合梁受力基本相同。組合荷載工況下剪力釘集束式與均布式布置最大縱向剪力分別為64.49 kN和67.98 kN，最大拉拔力分別為45.44 kN和43.67 kN，可以得到兩種布置形式剪力釘受力都滿足正常使用要求，而且差異較小。

(4)考慮到剪力釘集束式布置可以對橋面板進(jìn)行分塊預(yù)制整體拼裝，因此港珠澳大橋鋼-混組合連續(xù)梁橋剪力釘選擇集束布置更為合理。

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