鋼-UHPC組合梁與PC梁結(jié)合段力學(xué)特性研究

摘 要：【目的】研究千米級(jí)混合式斜拉橋鋼混結(jié)合段服役的安全性與可靠性?！痉椒ā恳杂^音寺長江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用ABAQUS建立混凝土箱梁與鋼-UHPC組合梁結(jié)合段的有限元模型，研究鋼混結(jié)合段在最不利荷載工況下的力學(xué)特性，探討結(jié)合段的傳力機(jī)理?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，鋼混結(jié)合段中各構(gòu)件的應(yīng)力水平均在材料容許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備；結(jié)合段內(nèi)力過渡平穩(wěn)，組合梁底板應(yīng)力在組合梁加強(qiáng)段下降了39.2%，結(jié)合段內(nèi)部鋼格室與混凝土的最大壓應(yīng)力分別為40.0 MPa和31.0 MPa，普通混凝土箱梁的應(yīng)力水平沿著遠(yuǎn)離結(jié)合段的方向逐漸減小，隨后保持穩(wěn)定；在經(jīng)過承壓板后，70%的軸力直接傳遞給結(jié)合段混凝土，剩余軸力由鋼構(gòu)件以較為平緩的趨勢(shì)向混凝土傳遞；在組合梁加勁U肋與普通U肋交接位置，結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)420.2 MPa?！窘Y(jié)論】鋼混結(jié)合段整體受力性能良好，建議在設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化加勁構(gòu)造的布置方案。

關(guān)鍵詞：混合梁斜拉橋；鋼-UHPC組合梁；鋼混結(jié)合段；有限元模擬

中圖分類號(hào)：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）21-0057-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.012

Research on the Mechanical Characteristics of the Joint Section

Between Steel-UHPC Composite Beam and PC Beam

PENG Yanqing1 YAO Yan2 LIU Shengzhi3 LIN Yang4 PENG Jianxin1

（1.School of Civil Engineering， Changsha University of Science ＆ Technology， Changsha 410000， China;

2.CCCC Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Guangzhou Branch， Guangzhou 510000， China;

3.Hubei Jiangling Yangtze River Bridge Co.， Ltd.， Jingzhou 434000， China;

4.CCCC Second Highway Survey and Design Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] To study the service safety and reliability of the steel-mixture combination section of kilometer-class hybrid cable-stayed bridge. [Methods] Taking Guanyin Temple Yangtze River Bridge as the research object， the finite element model of the joint section of concrete box girder and steel-UHPC composite beam was established by using ABAQUS， the mechanical characteristics of the joint section under the most unfavorable load conditions were studied， and the force transfer mechanism of the joint section was discussed. [Findings] The results show that the stress levels of each member in the steel-mixture combination section are within the allowable range of the material， and the structure has a certain safety reserve. The internal force of the joint section is stable， and the stress of the bottom plate of the composite beam decreases by 39.2% in the reinforced section of the composite beam. The maximum compressive stress of the steel lattice chamber and the concrete in the joint section is 40.0 MPa and 31.0 MPa， respectively. The stress level of the ordinary concrete box girder gradually decreases in the direction away from the joint section and then remains stable. After passing through the bearing plate， 70% of the axial force is transferred directly to the concrete in the binding section， and the remaining axial force is transferred to the concrete by the steel member in a relatively gentle trend. At the joint position between the stiffened U rib and the ordinary U rib， the structural stress reaches 420.2 MPa. [Conclusions] The overall mechanical performance of the steel-concrete joint section is good， and it is recommended to optimize the layout of the stiffening structure during the design process.

Keywords： hybrid girder cable-stayed bridge; steel-UHPC composite beam; steel concrete joint section; finite element simulation

0 引言

混合梁斜拉橋是指在邊跨采用混凝土梁，在中跨采用鋼梁或組合梁的橋梁結(jié)構(gòu)形式。該橋型可以平衡邊中跨結(jié)構(gòu)的受力，提高橋梁的跨越能力，節(jié)約建造成本，一經(jīng)問世便得到了全世界橋梁設(shè)計(jì)者的青睞［1-2］。鋼混結(jié)合段作為一段連接兩種不同材料主梁的構(gòu)造，對(duì)混合梁斜拉橋的整體受力性能有著極大影響，也是全橋設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)［3］。

時(shí)至今日，已有諸多學(xué)者通過模型試驗(yàn)或有限元模擬的手段對(duì)鋼混結(jié)合段進(jìn)行了相關(guān)研究。在結(jié)合段合理位置方面，王治均等［4］對(duì)比了國內(nèi)外典型混合梁斜拉橋的設(shè)計(jì)方法，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)合理的邊主跨比例關(guān)系來選擇混凝土梁和鋼梁的連接位置；張鵬等［5］將結(jié)構(gòu)受力、施工條件、工程造價(jià)設(shè)定為三個(gè)評(píng)價(jià)要素，采用定性比較和定量計(jì)算結(jié)合的關(guān)鍵要素評(píng)價(jià)法，對(duì)橋梁初步設(shè)計(jì)成果進(jìn)行分析，最后確定鋼混結(jié)合段的合理位置。在結(jié)合段承載能力方面，李小珍等［6］和姚亞東等［7］依托具體的工程實(shí)例進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果均表明結(jié)合段具有充足的安全儲(chǔ)備；韋鋒等［8］和秦鳳江等［9］分別基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和縮尺試驗(yàn)評(píng)估了鋼混結(jié)合段的受力性能，并驗(yàn)證了局部有限元模擬的可靠性。在結(jié)合段傳力方面，林一寧等［10］通過縮尺試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了鋼混結(jié)合段的傳力規(guī)律，得出結(jié)合段截面混凝土的豎向應(yīng)力呈凹曲線分布，縱向應(yīng)力由結(jié)合段向混凝土段遞減的結(jié)論；劉明虎等［11］對(duì)鋼混結(jié)合段進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)承壓板傳遞軸力最多，約52%，PBL連接件傳遞約32%的軸力，剩余軸力由剪力釘傳遞；蒲黔輝等［12］對(duì)結(jié)合段傳力過程中承壓板的作用進(jìn)行了具體的探討，指出承壓板分擔(dān)荷載比例隨其厚度及剪力釘間距的增加而提高，承壓板合理厚度取值為40～80 mm。

盡管目前已有大量針對(duì)鋼混結(jié)合段的研究成果，但尚未形成完整的理論用于評(píng)估其受力性能［13］。同時(shí)，隨著橋梁跨度的不斷增長，越來越多的新型材料和新型結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在混合梁斜拉橋中［14］，這也對(duì)鋼混結(jié)合段的構(gòu)造設(shè)計(jì)提出了新的要求。本研究以觀音寺長江大橋?yàn)槔⒒炷料淞号c鋼-UHPC組合梁結(jié)合段精細(xì)化有限元模型，分析結(jié)合段的力學(xué)特性，探討結(jié)合段的傳力機(jī)理，研究成果可為同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用提供參考。

1 工程概況

1.1 全橋立面布置

觀音寺長江大橋采用對(duì)稱式雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨江主橋跨徑布置為（62+64+2×72+80+1 160+96+72+2×64+54）m=1 860 m。主橋中跨為鋼-UHPC組合梁，長度為1 106 m，兩邊邊跨為混凝土箱梁，長度均為377 m。大橋主梁寬41 m（含風(fēng)嘴及錨固區(qū)），截面中心高度為4 m，采用單層橋面布置，雙向6車道高速公路，車輛荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。大橋總體布置情況如圖1所示。

1.2 混凝土梁與組合梁結(jié)合段

混凝土梁與鋼-UHPC組合梁結(jié)合段位于圖1中的鋼混結(jié)合面位置處，距離橋塔中心線27 m，該鋼vgYyyntS2Dqab6HyLHR61DnKPT1nuEj5AgsM/wUa4CA=混結(jié)合段長度為7.75 m，包括組合梁加強(qiáng)段2.5 m，結(jié)合段3.75 m及混凝土梁過渡段2 m。組合梁頂板混凝土采用UHPC160，厚度為350 mm；在組合梁加強(qiáng)段設(shè)置2 m長的加腋段，使頂板混凝土厚度由350 mm過渡至500 mm，底板U肋采用變高度倒T形加勁肋進(jìn)行過渡；結(jié)合段現(xiàn)澆混凝土采用UHPC160，設(shè)置多格室結(jié)構(gòu)，鋼格室在結(jié)合面組合梁側(cè)1.25 m，在結(jié)合面混凝土梁側(cè)0.75 m，高度取0.8 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度取800 mm；在中腹板位置設(shè)置多個(gè)伸入混凝土的開孔鋼腹板；該橋梁通過預(yù)應(yīng)力筋、承壓板、剪力釘、PBL剪力鍵及鋼板與混凝土的黏結(jié)力傳遞結(jié)構(gòu)軸力、剪力和彎矩。鋼混結(jié)合段具體構(gòu)造形式如圖2、圖3所示。

2 鋼混結(jié)合段有限元模型的建立

2.1 建模概述

采用空間混合有限元方法建立鋼混結(jié)合段Abaqus三維節(jié)段模型，分析結(jié)合段在最不利荷載工況下的力學(xué)特性?？紤]圣維南原理，選取5 m組合梁段、2.5 m組合梁加強(qiáng)段、3.75 m結(jié)合段、4.75 m混凝土梁段，共16 m梁段進(jìn)行分析。為提高計(jì)算效率，以橫橋向中心面為對(duì)稱軸，取半幅梁段進(jìn)行建模，不考慮混凝土中的普通鋼筋和橫向預(yù)應(yīng)力筋的作用。

有限元模型中的混凝土、鋼板、預(yù)應(yīng)力筋分別用實(shí)體單元C3D8R、殼單元S4R和線單元模擬?；炷僚c鋼構(gòu)件的材料屬性均設(shè)置為線彈性本構(gòu)關(guān)系?；炷亮憾尾捎肅60混凝土，彈性模量為3.60×104，泊松比為0.2；組合梁鋼板采用Q500qD鋼材，彈性模量為2.06×105，泊松比為0.3；UHPC彈性模量為4.62×104，泊松比為0.2；預(yù)應(yīng)力筋采用1860鋼絞線，彈性模量為1.95×105，泊松比為0.3，采用降溫法施加預(yù)應(yīng)力。

2.2 邊界條件及荷載

由于結(jié)合段位置靠近橋塔，承受較大的拉索水平分力，因此邊界條件設(shè)置為約束混凝土梁一側(cè)的所有自由度，釋放組合梁側(cè)所有自由度，并在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束［15］。假設(shè)組合梁遠(yuǎn)端符合平截面假定，將組合梁側(cè)剛性面耦合在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，用于施加等效荷載。等效荷載取Midas全橋模型中最不利荷載工況對(duì)應(yīng)位置的截面內(nèi)力，包括軸力213 428 kN、彎矩83 621 kN。由于結(jié)合段內(nèi)布置了大量剪力釘用于防止鋼板與混凝土之間的滑移，故在有限元模型中采用綁定約束模擬剪力釘?shù)淖饔?，預(yù)應(yīng)力筋及鋼格室腹板與混凝土的黏結(jié)作用采用約束方程模擬。

3 鋼混結(jié)合段力學(xué)特性分析結(jié)果

3.1 鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

在最不利荷載工況下，鋼混結(jié)合段有限元模型中鋼結(jié)構(gòu)的mise應(yīng)力云圖如圖4、圖5所示。

由應(yīng)力云圖可知，橫隔板對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較小，主要作用是增大結(jié)構(gòu)的剛度及穩(wěn)定性；鋼結(jié)構(gòu)下部應(yīng)力水平高于上部，在結(jié)構(gòu)底板倒T形加勁U肋與普通U肋交接處發(fā)生了比較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)420.2 MPa，原因是結(jié)構(gòu)剛度在該位置變化較大，但最大應(yīng)力低于Q500qD鋼材的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài)。除該區(qū)域外，鋼結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力處于較低水平，組合梁底板應(yīng)力水平在106～210 MPa范圍內(nèi)，越靠近風(fēng)嘴位置，應(yīng)力越小。由于建模過程中未在預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固位置設(shè)置剛性墊片，因此承壓板在對(duì)應(yīng)位置及與中腹板交接的位置有明顯的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為182.8 MPa，其余部位應(yīng)力水平均在70 MPa以內(nèi)。

各構(gòu)件應(yīng)力沿著縱橋向的變化趨勢(shì)（取構(gòu)件截面中間部位）如圖6所示。由圖6可知，組合梁加強(qiáng)段底板應(yīng)力水平呈下降趨勢(shì)，在靠近承壓板位置處，應(yīng)力下降至128.2 MPa，下降幅度達(dá)39.2%，說明設(shè)置倒T形加勁肋可以有效擴(kuò)散結(jié)構(gòu)應(yīng)力，有利于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的平順過渡。由于結(jié)構(gòu)底部剛度增大，中腹板在組合梁加強(qiáng)段的受力較組合梁段更為明顯。結(jié)合段內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)與混凝土共同作用，鋼格室腹板應(yīng)力水平在40 MPa以內(nèi)，在靠近承壓板位置應(yīng)力最大，在施工過程中要保證該位置混凝土的密實(shí)度。

3.2 混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

在最不利荷載工況下，鋼混結(jié)合段有限元模型中混凝土結(jié)構(gòu)沿縱橋向的軸向正應(yīng)力云圖如圖7所示。

由圖7可知，組合梁中UHPC頂板的軸向正應(yīng)力范圍為-33.9～-7.5 MPa（負(fù)值表示受壓），在邊界拐角位置存在應(yīng)力集中，考慮邊界設(shè)置帶來的計(jì)算誤差，由于應(yīng)力集中的區(qū)域極小，因此并不影響結(jié)構(gòu)整體的受力性能。在布設(shè)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的起始截面，UHPC頂板的壓應(yīng)力變大，隨后穩(wěn)定在-15.2～-18.5 MPa，壓應(yīng)力在頂板加厚區(qū)域有明顯降低，說明增加UHPC頂板的厚度可以有效擴(kuò)散截面應(yīng)力。鋼格室內(nèi)填UHPC的軸向正應(yīng)力范圍為-31.0～3.2 MPa，高應(yīng)力區(qū)主要集中在與鋼隔室腹板結(jié)合位置及預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固位置，最大壓應(yīng)力發(fā)生在鋼混結(jié)合面頂部截面變化處。由于上下預(yù)應(yīng)力筋的作用，鋼混結(jié)合段截面中部混凝土受力不明顯，在極少區(qū)域內(nèi)處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力為3.2 MPa。結(jié)合段總體處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力分布比較均勻，無明顯突變，說明結(jié)構(gòu)內(nèi)力在結(jié)合段的過渡比較平順?；炷亮旱妮S向正應(yīng)力范圍為-2.3～-18.6 MPa，沿著遠(yuǎn)離結(jié)合段的方向，應(yīng)力逐漸減小，隨后保持均勻，在邊界拐角位置有局部應(yīng)力集中。

綜上所述，混凝土結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)，各部分軸向正應(yīng)力均處于較低水平，相較于材料容許值具有充分的富余，結(jié)構(gòu)具有充足的安全儲(chǔ)備。

3.3 鋼混結(jié)合段傳力分析

鋼混結(jié)合段主要承受較大的軸力與彎矩，彎矩可等效為作用在結(jié)構(gòu)上下緣的壓力或拉力［16］，故本節(jié)僅對(duì)結(jié)合段內(nèi)各構(gòu)件的軸向力進(jìn)行分析。

本研究取鋼混結(jié)合段內(nèi)的多個(gè)截面作為軸力傳遞過程中的參考面，采用對(duì)節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行積分的方式得到混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)在各截面位置所傳遞軸力的占比，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在經(jīng)過承壓板之后，70%的軸力直接傳遞給結(jié)合段內(nèi)填混凝土，軸力在靠近承壓板位置傳遞較快，隨后在PBL剪力鍵及混凝土與鋼結(jié)構(gòu)之間黏結(jié)力的作用下，以較為平緩的趨勢(shì)向混凝土梁方向傳遞；在鋼混結(jié)合面位置處，由于混凝土截面積的增大，混凝土的傳力占比出現(xiàn)明顯增加；經(jīng)過鋼混結(jié)合面之后，軸力傳遞速度加快，至結(jié)合段末端，剩余軸力全部傳遞給混凝土梁，傳力過程平穩(wěn)。

4 結(jié)論

本研究對(duì)觀音寺長江大橋混凝土梁與鋼-UHPC組合梁結(jié)合段進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析其在最不利荷載工況下的受力性能，得出以下結(jié)論。

①在最不利荷載工況下，鋼混結(jié)合段各構(gòu)件的應(yīng)力水平均在材料極限強(qiáng)度范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體受力性能良好，具有一定的安全儲(chǔ)備。

②結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力在組合梁加強(qiáng)段有明顯的下降，最大下降幅度達(dá)39.2%；在結(jié)合段內(nèi)部，鋼格室應(yīng)力水平在40 MPa以內(nèi)，UHPC應(yīng)力水平在-31.0 MPa以內(nèi)；混凝土梁的應(yīng)力水平沿著遠(yuǎn)離結(jié)合段的方向逐漸減小，隨后趨于穩(wěn)定，說明鋼混結(jié)合段內(nèi)力過渡平順，設(shè)計(jì)合理。

③在經(jīng)過承壓板后，70%的軸力直接傳遞給混凝土，剩余軸力由鋼結(jié)構(gòu)以較為平緩的趨勢(shì)向混凝土傳遞。

④在組合梁底板加勁U肋與普通U肋交接位置處，存在明顯的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)420.2 MPa，初步考慮為加勁T肋導(dǎo)致的截面剛度突變，建議在設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化此處加勁構(gòu)造的布置方案。

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