呂存杰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

組合桁梁橋是混凝土橋面板與鋼桁架有機(jī)結(jié)合的一種組合結(jié)構(gòu)橋梁，如圖1所示。組合桁梁橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于剪力連接件和組合節(jié)點(diǎn)的受力分析［1］。組合節(jié)點(diǎn)是組合桁梁橋中桁架弦桿的交匯點(diǎn)，即鋼腹桿與上下弦桿的連接體，是結(jié)構(gòu)的“關(guān)節(jié)”［2］，為保證節(jié)點(diǎn)在各種受力狀態(tài)下均具有可靠的傳力性能，需要對組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入研究。目前，大多實(shí)際工程采用的是試驗(yàn)研究法和有限元分析法。采用有限元分析方法可以考慮多種非線性因素，以最大程度地模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)［3-4］。

圖1 組合桁梁橋(晉陜黃河特大橋)

由于組合節(jié)點(diǎn)的形式、受力狀態(tài)等較為復(fù)雜，有必要對新建項(xiàng)目中采用的組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。本文以大西線晉陜黃河特大橋鋼桁加勁組合結(jié)構(gòu)為例，通過有限元軟件對該組合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)區(qū)域的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，以取得組合節(jié)點(diǎn)區(qū)傳力模式、荷載位移曲線、應(yīng)力分布特點(diǎn)，為模型試驗(yàn)提供對比。

1 工程背景

大西線晉陜黃河特大橋采用2×108 m單T剛構(gòu)加勁鋼桁組合結(jié)構(gòu)，加勁鋼桁采用無豎桿式三角形桁架，加勁長度為60 m，桁間距11 m，桁高9.35 m，節(jié)間長度12 m，兩主桁間共設(shè)3道橫撐。截面形式:上弦桿為槽形截面;端斜桿為箱形截面，寬×高為0.8 m×0.6 m，板厚為18 mm;腹桿為工字形截面，寬×高為0.6 m×0.6 m，板厚為18 mm。上弦端節(jié)點(diǎn)采用整體節(jié)點(diǎn)，上弦其他節(jié)點(diǎn)采用直埋式節(jié)點(diǎn)，主梁頂節(jié)點(diǎn)采用預(yù)埋鋼板焊接節(jié)點(diǎn)。直埋式及預(yù)埋鋼板焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對簡單，施工方便，用鋼量較?。?］。該橋鋼—混結(jié)合段處采用PBL剪力鍵連接。PBL鍵具有抗剪剛度大、承載力高、疲勞強(qiáng)度高、延性好等優(yōu)點(diǎn)［6］，可使型鋼和混凝土兩種材料協(xié)同工作。

設(shè)計(jì)鋼—混結(jié)合段時(shí)，需要進(jìn)行模型試驗(yàn)和有限元分析。通過計(jì)算分析找出全橋桁梁內(nèi)力最大節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)是桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要對該節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行模型試驗(yàn)研究［7］。桁梁組合節(jié)點(diǎn)靜載試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?∶2的比例進(jìn)行縮尺，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀缮舷覘U和斜腹桿組成，上弦桿為鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，由槽鋼和混凝土塊組成，槽鋼內(nèi)填充C55微膨脹混凝土;斜腹桿為工字型截面，采用Q370qE鋼材。

圖2 組合節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸?jié)點(diǎn)有限元分析

2.1 計(jì)算模型

ANSYS有限元分析模型按照試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建模，如圖3所示。模型全部采用實(shí)體單元，考慮到混凝土的開裂和壓碎影響，計(jì)入材料非線性?；炷敛捎肧olid65單元模擬［8］，鋼板采用Solid45單元模擬。由于試驗(yàn)著重研究的是節(jié)點(diǎn)區(qū)的破壞，因此試驗(yàn)中斜腹桿底部與底座鉸接，在有限元模型中用鋼臂單元模擬鉸與斜腹桿底部的連接，將鋼臂端部采用鉸接約束，釋放其轉(zhuǎn)動(dòng)約束［9］。

圖3 節(jié)點(diǎn)幾何模型示意

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO模擬，同時(shí)采用William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，彈性模量取3.55×104MPa，泊松比取0.2，抗拉強(qiáng)度為2.72 MPa，抗壓強(qiáng)度為35.5 MPa。混凝土單軸受壓的應(yīng)力—應(yīng)變曲線采用Hongnestad公式計(jì)算［1］。

鋼板本構(gòu)關(guān)系采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO模擬，強(qiáng)化階段的材料切線模量E=0.01ES=0.01×2.1×105=2.1×103MPa(ES鋼筋屈服前的彈性模量)，泊松比取0.3，鋼板采用Q370qE橋梁鋼，屈服強(qiáng)度為370 MPa。

2.3 加載方案

有限元模型荷載的施加方式參照試驗(yàn)的加載方式。試驗(yàn)是靜力破壞試驗(yàn)，不考慮動(dòng)力及疲勞效應(yīng)。試驗(yàn)中模型采用1∶2縮尺試驗(yàn)，試驗(yàn)加載力按照幾何相似和應(yīng)力相似原理采用原來?xiàng)U件力的1/4，即394.038 kN。由于試驗(yàn)要求至少采用4倍以上安全系數(shù)，即加載力1 576.152 kN以上，同時(shí)考慮到試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的極限承載力和節(jié)點(diǎn)剛度等力學(xué)特性以及試驗(yàn)條件的限制，最終采用5 000 kN千斤頂進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)采用單調(diào)加載，按200 kN步長加載，即從初始開始按200 kN一級逐級施加荷載，直至加載到5 000 kN為止，總共分為25個(gè)荷載步。故在用有限元軟件計(jì)算分析時(shí)，也按25個(gè)荷載步進(jìn)行加載。

2.4 組合節(jié)點(diǎn)受力特性分析

2.4.1 荷載位移曲線

利用有限元軟件ANSYS對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行加載［10］，得到荷載—縱向位移曲線見圖4。

圖4 荷載—縱向位移曲線

由圖4可見:①荷載值＜4 400 kN時(shí)，荷載—縱向位移曲線近似呈線性狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)區(qū)變形小，剛度大，具有良好的承載力，節(jié)點(diǎn)加載端和自由端的位移差1.56 mm;②荷載值＞4 400 kN以后端點(diǎn)位移隨著荷載的增加迅速增大，說明節(jié)點(diǎn)達(dá)到屈服狀態(tài)，已經(jīng)進(jìn)入塑性破壞階段，位移繼續(xù)擴(kuò)展但承載能力不會(huì)增加［11］。

2.4.2 桿件各部位應(yīng)力分析

本次有限元模擬對節(jié)點(diǎn)弦桿混凝土應(yīng)力、鋼構(gòu)件應(yīng)力、斜腹桿應(yīng)力進(jìn)行了分析，以期找出其應(yīng)力變化，對重要部位進(jìn)行加強(qiáng)。下面僅對節(jié)點(diǎn)弦桿混凝土和斜腹桿的應(yīng)力進(jìn)行分析。

弦桿混凝土的應(yīng)力分布見圖5。

由圖5(a)可知，弦桿混凝土的縱向壓應(yīng)力從加載端到自由端逐漸減小。由于處于加載端及受橫隔板的約束作用，使得此處存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，壓應(yīng)力略大;然而靠近自由端受壓相對較小，說明橫隔板的傳力效果較好?？拷?jié)點(diǎn)連接處受力較為復(fù)雜，在此范圍內(nèi)混凝土存在一定的拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力相對較小。

由圖5(b)可知，加載端上緣兩側(cè)拉應(yīng)力較大，這是由于加載引起的相對滑移所致。節(jié)點(diǎn)位置處混凝土與斜腹桿的連接使得節(jié)點(diǎn)受力較為復(fù)雜，產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，部分位置存在較為明顯的拉應(yīng)力作用。

斜腹桿的應(yīng)力分布見圖6。由圖6可以看出:受壓腹桿及受拉腹桿均符合應(yīng)力分布規(guī)則，且受力較為均勻，壓拉應(yīng)力均在270 MPa左右，左右基本對稱;斜腹桿底部由于邊界條件的約束作用，使得此位置處的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，實(shí)際工程中底部是通過節(jié)點(diǎn)板連接，不會(huì)出現(xiàn)試驗(yàn)中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以不予考慮。

圖5 弦桿混凝土應(yīng)力分布(單位:MPa)

圖6 斜腹桿應(yīng)力分布(單位:MPa)

3 結(jié)語

由節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊治隹芍?

1)在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入屈服階段之前，結(jié)構(gòu)整體受力特性良好，屈服點(diǎn)荷載約在4 400 kN左右，加載至5 000 kN時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)屈服破壞，破壞位置為受拉斜腹桿與上弦桿連接處，此處主拉應(yīng)力最大，會(huì)出現(xiàn)裂縫開裂現(xiàn)象。對破壞位置模型試驗(yàn)中應(yīng)重點(diǎn)觀察。

2)弦桿混凝土、鋼構(gòu)件及斜腹桿的應(yīng)力分布基本符合受力規(guī)則，即加載端大于自由端，節(jié)點(diǎn)處受力較為復(fù)雜，左右腹桿受力基本對稱。

3)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那c(diǎn)荷載及應(yīng)力變化規(guī)律不僅可以指導(dǎo)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)，還能與模型試驗(yàn)結(jié)果相比對，最終驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的合理性。由于該試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殪o力加載模型，因此，在以后的節(jié)點(diǎn)研究中需考慮實(shí)際工程中存在的動(dòng)力及疲勞因素。

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