陳志軍， 周子培， 張 朋， 彭元誠， 陳楚龍

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 湖北 武漢 430056)

鋼混結(jié)合段是混合梁斜拉橋主梁中連接混凝土梁和鋼梁的關(guān)鍵部位，通常由鋼殼體、剪力連接件、核心混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼絞線等構(gòu)造形成。工程實踐表明，由于結(jié)合段兩端剛度不同，受力存在差異，局部區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯[1]。目前國內(nèi)外建造的大跨度混合梁斜拉橋主梁多采用鋼箱梁，大量的結(jié)合段模型試驗和數(shù)值分析也是針對混凝土-鋼箱結(jié)合段展開的[2]。鋼桁梁結(jié)構(gòu)剛度大、抗風(fēng)性能優(yōu)良，近年來逐漸成為超大跨徑的鐵路、公鐵兩用斜拉橋主要截面形式，但鮮有鋼桁梁混合梁的工程實例。目前對鋼桁梁混合梁的工作機(jī)理尚缺乏可供借鑒的研究成果和計算理論，常規(guī)鋼橋和混凝土橋規(guī)范也沒有相應(yīng)的條文規(guī)定[3,4]。為深入研究混凝土-鋼桁結(jié)合段的力學(xué)特性，驗證這種新型結(jié)構(gòu)構(gòu)造的合理性、安全性和可靠性，保證主梁荷載有效傳遞，變形協(xié)調(diào)一致，有必要對這種連接構(gòu)造形式進(jìn)行詳細(xì)的靜力性能試驗。本文以貴黔高速公路控制性工程鴨池河大橋為工程背景，開展了混凝土-鋼桁結(jié)合段靜力模型試驗，考察結(jié)合段各部分的受力特性、剛度變化及變形特點(diǎn)，從而為鋼桁梁混合梁結(jié)合段的構(gòu)造設(shè)計提供支撐和參考。

1 結(jié)合段構(gòu)造

鴨池河大橋是雙塔雙索面半漂浮鋼桁梁混合梁斜拉橋[5]，全長1466.5 m，跨徑組成為72+72+76+800+76+72+72 m，800 m主跨為鋼桁梁，兩側(cè)72+72+76 m邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。鋼混結(jié)合段長14 m，由4 m(內(nèi)伸至混凝土橫梁的鋼板段)+6 m(鋼箱過渡段)+4 m(鋼桁梁段)組成，鋼混接頭處設(shè)有60 mm厚鋼承壓板。沿箱梁四周及腹板布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線，以使結(jié)合面始終處于均勻受壓狀態(tài)。承壓板及鋼箱梁頂?shù)装宀贾眉袅︶?，連接鋼板與內(nèi)部填充混凝土。鋼箱過渡段頂板設(shè)置漸變U型加勁肋，內(nèi)插變高度T肋，底板布置倒T型加勁肋，腹板布置橫向加勁肋，以實現(xiàn)混凝土梁與鋼梁的過渡。圖1為主梁混凝土-鋼桁結(jié)合段示意。

圖1 實橋混凝土-鋼桁結(jié)合段立面布置/mm

2 模型設(shè)計

2.1 模型概況

主梁混凝土-鋼桁結(jié)合段設(shè)置在主塔靠近鋼桁梁側(cè)，承受內(nèi)力較大。為合理考慮結(jié)合段受力情況，消除因局部加載造成的應(yīng)力集中影響[6,7]，在結(jié)合段兩端增選16 m鋼桁梁段和6 m混凝土梁段。綜合考慮試驗加載場地、加載能力、結(jié)合段構(gòu)造和混凝土粗骨料尺寸等影響，采用1∶5縮尺模型進(jìn)行試驗研究。

相似理論是模型試驗的理論基礎(chǔ)，為試驗提供指導(dǎo)[5]。模型采用與原橋相同的鋼材和混凝土，材料彈性模量Em與原橋彈性模量Es相同，按照相似理論，在彈性范圍內(nèi)，模型應(yīng)變εm和原橋應(yīng)變εs相等時，由物理關(guān)系可知兩者應(yīng)力相同，即模型與原橋應(yīng)力狀態(tài)保持一致，模型試驗結(jié)果可推算出實橋結(jié)構(gòu)相應(yīng)結(jié)果。

本試驗幾何縮尺比為1∶5，根據(jù)相似關(guān)系可知，模型與原橋的軸力和剪力相似比為1∶25，彎矩相似比為1∶125，模型與原橋的索力相似比為1∶25。實橋混凝土-鋼桁結(jié)合段長32 m，高8 m，寬28 m，按照1∶5比例縮小，考慮結(jié)構(gòu)對稱，橫向取半結(jié)構(gòu)，故模型總長6.4 m，高1.6 m，寬2.8 m，如圖2所示。

2.2 模型材料

模型鋼梁材質(zhì)為Q345，彈性模量為2.05×105Mpa，混凝土材質(zhì)為C55，彈性模量為3.96×104Mpa，剪力釘材質(zhì)為ML15，混凝土內(nèi)普通鋼筋采用直徑10或12 mm的HRB335級熱軋帶肋鋼筋。

原橋結(jié)合段使用7φj15.2，15φj15.2和19φj15.2三種規(guī)格的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力合計99453 kN，按照軸力相似比換算，模型預(yù)應(yīng)力為3978 kN。由于模型混凝土段長僅2 m，張拉鋼絞線不易施工，故改用7根JL32精扎螺紋粗鋼筋施加預(yù)應(yīng)力，按照實橋預(yù)應(yīng)力形心位置對應(yīng)布置，保持荷載作用效應(yīng)一致。

圖2 混凝土-鋼桁結(jié)合段模型立面布置/mm

2.3 模型制作

結(jié)合段模型制作采用現(xiàn)場焊接和澆筑的方法，在鋼結(jié)構(gòu)加工廠車間完成鋼結(jié)構(gòu)焊接定位制作，并運(yùn)輸至試驗加載場地，現(xiàn)場澆筑混凝土梁和結(jié)合段核心混凝土部分(圖3)，并養(yǎng)護(hù)28 d至標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。

圖3 模型制作過程

3 靜力試驗

3.1 測點(diǎn)布置

試驗主要測量鋼桁梁、鋼箱過渡段、結(jié)合段和混凝土梁的縱向應(yīng)變，以及結(jié)合段底板的豎向撓度。加載前先選取模型測點(diǎn)，測點(diǎn)布置以滿足研究結(jié)合段主要構(gòu)件的應(yīng)力分布及傳力途徑為原則。模型以縱向受力為主，故各測點(diǎn)沿縱向布置應(yīng)變片，在鋼桁梁豎腹桿及斜腹桿處，沿軸向布置應(yīng)變片，由于腹桿交匯節(jié)點(diǎn)板處橫向應(yīng)力相對較大，布置應(yīng)變花以測試剪應(yīng)力大小。其中應(yīng)變數(shù)據(jù)通過優(yōu)泰uT7160靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集，撓度由數(shù)顯指示表測試。靜載試驗測點(diǎn)如圖4～7所示。

圖4 模型立面應(yīng)變測點(diǎn)布置/mm

圖5 模型頂部應(yīng)變測點(diǎn)布置/mm

圖6 模型底部應(yīng)變測點(diǎn)布置/mm

圖7 模型底部撓度測點(diǎn)布置/mm

3.2 試驗設(shè)計

混凝土-鋼桁結(jié)合段受到Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz六個力作用[7](x、y、z分別表示縱橋向、橫橋向、豎橋向)，試驗加載時僅考慮作用效應(yīng)較大的軸力Fx、剪力Fz和彎矩My作用，并按相似比換算后分級加載，具體值見表1所示。

表1 混凝土-鋼桁結(jié)合段模型加載值

試驗過程中，加載架為結(jié)合段提供所需荷載。軸力加載分為預(yù)應(yīng)力和外荷載兩部分，在混凝土梁段張拉JL32精扎螺紋粗鋼筋提供預(yù)應(yīng)力，通過縱向貫穿模型的預(yù)應(yīng)力鋼絞線分級加載提供外荷載；剪力加載采用兩點(diǎn)對稱加載方式；彎矩加載由剪力引起的彎矩和不對稱軸力形成的偏心矩兩部分提供?；炷料淞憾瞬吭O(shè)置兩根端錨桿以提供固結(jié)約束，結(jié)合段處設(shè)置支墩提供豎向支撐。試驗加載過程分為三級加載，第一級體內(nèi)預(yù)應(yīng)力加載，第二級設(shè)計荷載加載，第三級在設(shè)計荷載值基礎(chǔ)上，逐級增加至1.6倍設(shè)計荷載加載。

試驗開始前先預(yù)加載，測試模型加載性能，以力控制模式加載，至預(yù)定值后持荷3 min并卸載，采用千斤頂實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線和剪力分級加載，荷載由壓力傳感器控制。測試結(jié)束后開始正式加載，每級荷載持荷約3 min，加載至設(shè)計荷載值后，觀察模型結(jié)合段撓度變化和混凝土梁頂?shù)装辶芽p開展情況，然后繼續(xù)勻速緩慢加載至1.6倍設(shè)計荷載，詳細(xì)記錄每級加載各測點(diǎn)的應(yīng)變和結(jié)合段底板的撓度，靜載加載裝置如圖8所示。

圖8 靜載試驗加載裝置

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 應(yīng)力-荷載曲線

在軸力Fx、剪力Fz和彎矩My共同作用下，混凝土-鋼桁結(jié)合段各測點(diǎn)沿縱向的應(yīng)力-荷載曲線如圖9所示，從圖中可以看出，整個試驗過程中，結(jié)合段測點(diǎn)應(yīng)力水平較低，隨著加載荷載增大，各測點(diǎn)的應(yīng)力-荷載曲線基本呈線性關(guān)系，表明模型大部分結(jié)構(gòu)均處于彈性工作狀態(tài)，材料具有足夠的安全儲備。

試驗過程中，靠近預(yù)應(yīng)力張拉端附近的縱梁出現(xiàn)局部范圍屈曲，是試驗時為模擬拉索水平力作用，對鋼桁梁端面集中施加體外預(yù)應(yīng)力造成的，而實橋主梁兩側(cè)對稱設(shè)置拉索，并無體外預(yù)應(yīng)力束集中加載，故實橋主梁不會出現(xiàn)類似彎曲現(xiàn)象。

由圖9a，9b可知，頂部鋼板測點(diǎn)縱向全為壓應(yīng)力，最大為-88.9 MPa，自結(jié)合段向鋼桁梁段沿縱向逐漸減小，應(yīng)力分布流暢，在荷載傳遞過程中，承壓板附近鋼板應(yīng)力較大，是因為鋼箱過渡段增加T肋導(dǎo)致截面剛度增大。底部鋼板測點(diǎn)縱向全為壓應(yīng)力，最大為-102.4 MPa，沿縱向至承壓板處壓應(yīng)力呈減小趨勢，承壓板處未見明顯應(yīng)力突變，鋼箱過渡段底板設(shè)置T肋及K型加勁鋼板，應(yīng)力沿橫向從兩邊至中間逐漸減小，分布均勻，底板橫向整體性得到增強(qiáng)。

由圖9c～9e可知，頂部混凝土測點(diǎn)應(yīng)力沿縱橋向先增大后減小，頂部混凝土為全截面受壓，最大壓應(yīng)力為-12.7 MPa；底部混凝土測點(diǎn)應(yīng)力沿縱橋向逐漸減小，底部混凝土為全截面受壓，最大壓應(yīng)力為-6.1 MPa；結(jié)合段內(nèi)部混凝土最大壓應(yīng)力為-3.3 MPa，混凝土段內(nèi)部混凝土壓應(yīng)力沿縱橋向逐漸增大，結(jié)合段處內(nèi)部壓應(yīng)力逐漸增大，整體處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力水平較低。

由圖9f可知，結(jié)合段承壓板大部分處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力水平不大，壓應(yīng)力最大為-17.6 Mpa。承壓板與鋼箱過渡段頂部縱梁、底部T肋及腹板橫向加勁鋼板等截面變化處相互擠壓傳力，預(yù)應(yīng)力錨固端處承壓板局部受壓，可能會出現(xiàn)應(yīng)力集中，實橋預(yù)應(yīng)力張拉處應(yīng)設(shè)置錨固加強(qiáng)裝置，防止局部屈曲。

由圖9g和9h可知，鋼梁段頂部縱梁應(yīng)力受預(yù)應(yīng)力張拉和剪力加載產(chǎn)生彎矩的影響，測點(diǎn)縱向應(yīng)力水平較高，局部區(qū)域壓應(yīng)力達(dá)到-181.2 MPa。底部T肋應(yīng)力水平不高，壓應(yīng)力最大值為-91.6 MPa，沿縱向先增大后減小。

由圖9i～9k可知，鋼板和內(nèi)部混凝土連接件剪力釘應(yīng)力水平普遍較低，頂板剪力釘實測應(yīng)力最大值-18.7 MPa，底板剪力釘最大值-17.8 MPa，承壓板剪力釘最大值-7.0 MPa。從整體趨勢來看，頂板、底板剪力釘應(yīng)力從遠(yuǎn)離承壓板端至承壓板處逐漸減小，而承壓板剪力釘應(yīng)力則是從上至下先增大后減小。

圖9 各測點(diǎn)不同荷載作用下縱向應(yīng)力-荷載曲線

4.2 結(jié)合段剛度過渡分析

混合梁主梁的主跨鋼梁和邊跨混凝土梁剛度不同，通過合理設(shè)計結(jié)合段構(gòu)造形式，利用兩種主梁的截面幾何特性差別來平衡剛度的不同，減小混凝土梁和鋼桁梁截面中性軸的差異，從而實現(xiàn)結(jié)合段剛度的平穩(wěn)過渡。

通過對結(jié)合段各部分抗彎剛度和軸向剛度定性分析可知，從混凝土箱梁段到混凝土過渡段，結(jié)構(gòu)剛度逐漸增大，至鋼混結(jié)合段，結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到最大，隨后鋼箱過渡段通過頂板設(shè)置加勁U肋和T肋，底板設(shè)置倒T型加勁肋，腹板設(shè)置橫向加勁肋等一系列構(gòu)造措施，與結(jié)合段承壓板有效連接，鋼箱過渡段剛度有所減小，至鋼桁梁段結(jié)構(gòu)剛度繼續(xù)減小，從結(jié)合段及附近主梁的構(gòu)造形式可知，結(jié)合段剛度大于附近主梁剛度，在主梁傳力過程中承受更多荷載作用。

在靜載試驗時對結(jié)合段豎向變形進(jìn)行測試，在結(jié)合段底部沿縱向布置若干個位移測試儀，根據(jù)測點(diǎn)豎向位移值的變化情況，判斷結(jié)合段變形是否順暢。試驗數(shù)據(jù)顯示，在1.0倍設(shè)計荷載作用下，承壓板附近兩測點(diǎn)豎向變形僅為0.6，0.7 mm，按照相似關(guān)系，實橋結(jié)合段相應(yīng)位置的豎向變形僅為3，3.5 mm，可推知承壓板兩側(cè)由變形所引起的折角也非常微小。支座附近變形測點(diǎn)非常小，但測點(diǎn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律不明顯，鋼桁梁加載段兩測點(diǎn)最大變形值分別為1.5，1.6 mm，實橋?qū)?yīng)豎向變形為7.5，8 mm，鋼桁梁段豎向變形很小。

試驗表明結(jié)合段具有足夠的剛度，在外荷載作用下結(jié)合段附近測得的豎向變形微小，沿縱向布置的測點(diǎn)變形沒有明顯的突變，測試結(jié)果反映出結(jié)合段截面設(shè)計合理，能實現(xiàn)兩端主梁剛度的平穩(wěn)過渡，使得結(jié)構(gòu)傳力平順流暢，變形協(xié)調(diào)。

5 結(jié) 論

本文以貴州山區(qū)鴨池河大橋主梁鋼混結(jié)合段為研究對象，開展了幾何縮尺比為1∶5的混凝土-鋼桁結(jié)合段靜力模型試驗，從結(jié)合段的力學(xué)特點(diǎn)、應(yīng)力變化和變形情況等幾方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，研究結(jié)論有效揭示了鋼桁梁和混凝土箱梁結(jié)合段各部分的力學(xué)行為特點(diǎn)，并得到了以下基本結(jié)論：

(1)混凝土-鋼桁結(jié)合段靜力試驗結(jié)果表明，在1.6倍設(shè)計荷載作用下，鋼桁梁段、鋼箱過渡段、鋼混結(jié)合段及混凝土過渡段各部分測點(diǎn)應(yīng)力水平普遍不高，試驗過程匯總各測點(diǎn)的應(yīng)力-荷載曲線基本呈線性關(guān)系，模型結(jié)構(gòu)大部分處于彈性工作狀態(tài)，并表現(xiàn)出良好的力學(xué)行為特點(diǎn)。

(2)結(jié)合段及附近主梁鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂部縱梁，達(dá)到-181.2 MPa，尚未超出Q345鋼容許應(yīng)力，混凝土梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)合段頂部，達(dá)到-12.7 MPa，應(yīng)力水平也遠(yuǎn)小于C55混凝土設(shè)計強(qiáng)度，表明結(jié)合段設(shè)計的安全性滿足要求，結(jié)構(gòu)具有足夠強(qiáng)度和較高的安全儲備。整個試驗過程中未觀察到結(jié)合段混凝土發(fā)生明顯的開裂、結(jié)構(gòu)變形突然增大等結(jié)構(gòu)破壞跡象。

(3)結(jié)合段承壓板受力均勻，鋼面與混凝土面測點(diǎn)的豎向位移非常微小，用于傳遞鋼板與內(nèi)部混凝土剪力的頂板、底板及承壓板剪力釘一直處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)合段傳力平順，變形協(xié)調(diào)，內(nèi)部混凝土處于良好的受壓狀態(tài)。

(4)結(jié)合段具有足夠的靜力承載能力和安全儲備，作為連接鋼桁梁與混凝土梁的過渡段，結(jié)合段通過合理的截面形式和構(gòu)造設(shè)計，利用兩種不同材料的梁段截面幾何特性差別來平衡剛度的差異，減小混凝土梁和鋼桁梁兩者中性軸的差異，從而實現(xiàn)兩種主梁剛度的平穩(wěn)過渡，完成主梁應(yīng)力和變形順暢協(xié)調(diào)的傳遞，這種形式的混凝土-鋼桁結(jié)合段設(shè)計構(gòu)造合理，能滿足大橋的使用要求。