混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計方法研究

胡健琛

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

鋼混組合結(jié)構(gòu)因能夠極大地發(fā)揮材料優(yōu)勢而備受青睞，本文研究的對象就是一種由鋼結(jié)構(gòu)拱肋以及混凝土基座結(jié)合形成的混合結(jié)構(gòu)拱腳。鋼結(jié)構(gòu)拱肋是大跨拱橋首選形式，混凝土基座則充分利用拱腳存在的預(yù)壓力，兩者通過剪力連接件相連形成整體。

混合結(jié)構(gòu)拱腳是上下部傳力的關(guān)鍵，鋼混兩種材料的連接、剛度漸變、傳力途徑順暢都需要通過合理的構(gòu)造、計算原則予以保證?；谏鲜瞿康模疚奶峁┝艘环N混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計方法，以一座五跨組合結(jié)構(gòu)拱橋——漳州東環(huán)馬洲大橋（主跨150 m）為背景，采用有限元軟件Abaqus建立拱腳節(jié)段空間模型，通過分析計算結(jié)果驗證該拱腳設(shè)計方法的可靠性。

1 混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計

混合結(jié)構(gòu)拱腳包含鋼拱肋、混凝土基座、剪力連接件以及預(yù)應(yīng)力載體等多種構(gòu)件，設(shè)計方法主要從連接形式、構(gòu)造形式及計算原則方面對上述構(gòu)件進(jìn)行研究。

1.1 連接形式

本文提出的混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計方法屬于全截面連接完全承壓傳剪形式，即拱腳混合結(jié)構(gòu)設(shè)計需同時考慮彎矩、軸力及剪力的傳遞。通過合理布置構(gòu)件連接形式，將拱腳埋入混凝土基座一定深度，從而使前后承壓板、構(gòu)件側(cè)壁以及剪力連接件承受彎矩、軸向及切向拉壓作用。

1.2 剪力連接件設(shè)計

剪力連接件可采用圓柱頭焊釘及開孔板連接件，優(yōu)勢各異。焊釘屬于柔性連接件，通過變形使受力重分布，且滿足構(gòu)件各向受力要求。開孔板又稱PBL連接件，由德國建筑師Leonhardt首先運(yùn)用[1]。相較于前者，其抗剪承載能力更高，不易疲勞破壞，為剛性連接件。

剪力連接件是混合結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同受力的關(guān)鍵，本文提出的混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計綜合運(yùn)用開孔板及圓柱頭焊釘連接件，可以歸結(jié)如下：

（1）在鋼拱肋埋置段主要受力板件上開孔并穿入鋼筋實現(xiàn)鋼混結(jié)構(gòu)傳力。

（2）在鋼拱肋埋置段板件加勁板上布置圓柱頭焊釘實現(xiàn)鋼混結(jié)合及剛度漸變。

當(dāng)使用材料強(qiáng)度不變，影響開孔板連接件抗剪性能的主要因素為開孔以及貫穿鋼筋直徑[2-3]。為了保證圓孔內(nèi)鋼筋發(fā)揮消栓作用，開孔大小需要同時保證骨料及鋼筋通過，一般而言孔徑可取60～80 mm。剪力連接件間距過小會影響其抗剪性能，同時給施工帶來難度；圓柱頭焊釘縱橫向間距宜為其直徑的10～15倍，開孔間距以不發(fā)生破壞為基準(zhǔn)，可取 220～250 mm。

1.3 計算原則

混合結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件受力分析可以分為鋼、混凝土兩部分，通過下文混合結(jié)構(gòu)拱腳空間模型計算結(jié)果可知，考慮剪力連接件剛度是否直接影響鋼結(jié)構(gòu)拱腳以及混凝土基座受力情況，因此需要確定開孔板及圓柱頭焊釘剛度以及驗算其抗剪承載力。圓柱頭焊釘及開孔板連接件抗剪承載力以及剛度試驗數(shù)據(jù)的離散性較大[2-3]，一般而言，抗剪極限承載能力設(shè)計值可取其極限承載力的0.8倍，正常使用階段承載力為其極限承載力的0.5倍。同時取鋼混0.2 mm相對位移為其彈性階段抗剪剛度，在此基礎(chǔ)上考慮一定的結(jié)構(gòu)安全度可依據(jù)表1進(jìn)行取值。

2 設(shè)計實例及計算模型

2.1 結(jié)構(gòu)總體布置

馬洲大橋為35 m+100 m+150 m+100 m+35 m=420 m的五跨連續(xù)拱橋，采用拱梁固結(jié)體系。主跨拱肋矢高33.3 m，矢跨比0.222；次中跨拱肋矢高20 m，矢跨比0.2。左右側(cè)兩片拱肋采用平行方式布置，且出于行車景觀考慮，在保證拱肋受力安全和側(cè)向穩(wěn)定前提下，全橋不設(shè)平聯(lián)及橫撐；拱肋截面寬度均為2.5 m，高度由各拱拱頂高度2 m按弧長線性變化至拱腳處4 m，且分別在中墩（次中墩）處與墩柱固結(jié)。吊桿拉索采用平行鋼絲索，索距8 m。主梁由矩形雙邊箱鋼梁與混凝土橋面板結(jié)合而成，結(jié)構(gòu)全寬56.6 m，拱肋處主梁高4.14 m，雙邊箱寬2.5 m。為了平衡拱腳水平力，主梁系桿采用平行鋼絞線。其立面布置形式如圖1所示。

圖1 馬洲大橋總體布置圖（單位：mm）

2.2 拱腳結(jié)構(gòu)形式

拱腳鋼構(gòu)件主要由拱肋腹板及豎、橫向隔板組成。其中，邊腹板為主要傳力板件，中腹板通過凹形邊界形式實現(xiàn)鋼混交界面剛度漸變，橫隔板則可視為前后承壓板件?；旌辖Y(jié)構(gòu)拱腳通過拱座與承臺連接，分批澆筑內(nèi)填混凝土，露出層間粗骨料，增加交界面結(jié)合力。連接件主要通過在板件開孔、貫穿鋼筋的形式予以實現(xiàn)?；旌辖Y(jié)構(gòu)拱腳具體布置形式如圖2所示。

圖2 馬洲大橋中跨拱腳結(jié)構(gòu)布置示意圖（單位：mm）

2.3 計算模型簡介

運(yùn)用空間有限元軟件Abaqus對混合結(jié)構(gòu)拱腳按照實際尺寸進(jìn)行建模，鋼結(jié)構(gòu)拱腳采用板單元模擬，混凝土基座則采用塊單元模擬。限于篇幅，本文僅以彎矩最大工況為例進(jìn)行說明。為了體現(xiàn)剪力連接件剛度對于結(jié)構(gòu)受力的影響，分別建立鋼混構(gòu)件共節(jié)點(diǎn)模型一及采用彈簧單元為連接件的模型二（見圖3），通過比較主要板件受力差異分析影響程度。

圖3 彈簧單元鋼混連接模型二（局部）

3 混合結(jié)構(gòu)拱腳受力分析

表1 剪力連接件抗剪承載力及剛度

混合結(jié)構(gòu)拱腳受力分析通過拱腳鋼構(gòu)件、混凝土基座、剪力連接件三部分進(jìn)行。由于建立彈簧連接單元工作煩瑣，初步設(shè)計階段可利用簡化計算結(jié)果設(shè)計剪力連接件。

3.1 混合結(jié)構(gòu)拱腳鋼構(gòu)件

混合結(jié)構(gòu)拱腳鋼結(jié)構(gòu)包含拱肋及埋置段兩部分，由于橋面寬度較大，拱肋在運(yùn)營時呈內(nèi)傾狀態(tài)，內(nèi)側(cè)腹板較不利。其受力情況如圖4所示?？紤]剪力連接件剛度影響后，模型二較模型一埋置段附近板件受力均有不同程度的增加，尤其是內(nèi)腹板局部倒圓角處應(yīng)力超過275 MPa，因范圍較小，同時基于鋼材塑性特點(diǎn)，依然能夠滿足要求。同時可以看出，鋼結(jié)構(gòu)埋置段底緣應(yīng)力較小，說明其埋置深度能夠滿足傳力要求。

圖4 混合結(jié)構(gòu)拱腳鋼結(jié)構(gòu)主要傳力板件受力情況（單位：MPa）

3.2 混凝土基座

在最不利荷載作用下，基座局部最大會產(chǎn)生4 MPa拉應(yīng)力，如圖5所示。為簡化拱腳構(gòu)造，該設(shè)計不考慮設(shè)置預(yù)應(yīng)力束，通過布置普通鋼筋能夠使基座滿足承載能力及使用狀態(tài)抗壓及裂縫控制要求。

圖5 混合結(jié)構(gòu)拱腳混凝土基座受力情況（單位：MPa）

3.3 剪力連接件（PBL）

混合結(jié)構(gòu)拱腳如何實現(xiàn)傳力順暢也是設(shè)計重點(diǎn)之一。由圖4可以看出，鋼結(jié)構(gòu)埋置段應(yīng)力變化平順，說明剪力連接件能夠有效傳遞拱肋荷載，使混合結(jié)構(gòu)共同受力。

按照PBL實際位置提取剪力（見圖6），現(xiàn)只列出最不利剪力位置V1～V4、H1～H4數(shù)值，具體結(jié)果如圖7所示。其中，偏保守僅考慮穿鋼筋開孔板連接件剛度影響。

混凝土基座為偏壓構(gòu)件，由圖7可以看出，根據(jù)彈簧單元計算結(jié)果，開孔板最大剪力出現(xiàn)在拱腳跨中側(cè)內(nèi)緣，其最大剪力設(shè)計值為520 kN，小于規(guī)范抗剪設(shè)計限值524 kN，因此可以認(rèn)為剪力連接件設(shè)計安全可靠。

圖6 彈簧單元內(nèi)力提取位置（俯視平面圖）

圖7 彈簧單元剪力隨深度分布情況

4 結(jié) 語

（1）研究結(jié)果表明，混合結(jié)構(gòu)拱腳設(shè)計需綜合考慮拱腳各構(gòu)件，鋼拱肋、混凝土拱座及剪力鍵受力情況。

（2）在建立有限元模型分析時，考慮剪力連接件是否將對拱腳構(gòu)件受力結(jié)果有較大影響。

（3）本文提供的一種混合結(jié)構(gòu)拱腳能夠較好地傳遞拱肋內(nèi)力。