王立超，李娜，曹宗勇，何余良

(1.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000)

在行車舒適性方面連續(xù)梁橋優(yōu)于簡支梁，但負(fù)彎矩會造成混凝土受拉破壞。為解決負(fù)彎矩區(qū)混凝土板破壞問題，提高無縫橋的耐久性，在施工措施上，常采用支點(diǎn)位移法、預(yù)彎技術(shù)及在負(fù)彎矩區(qū)施加預(yù)應(yīng)力等技術(shù)，減少負(fù)彎矩區(qū)混凝土的拉應(yīng)力，但其成本高，支點(diǎn)位移法、預(yù)彎技術(shù)施加的預(yù)壓力隨著時(shí)間的推移損失很快。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用增加負(fù)彎矩區(qū)橋面板配筋和高性能混凝土材料等方法，其造價(jià)較高，特別是新材料的性能有待進(jìn)一步驗(yàn)證。在結(jié)構(gòu)形式上，提出采用負(fù)彎矩區(qū)鋼-混復(fù)合材料連接形式，但忽略了混凝土與鋼梁間的應(yīng)變差，易導(dǎo)致混凝土板開裂引起彎矩突變。實(shí)際工程中負(fù)彎矩大小與其所處區(qū)域的抗彎剛度呈正相關(guān)，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)受力特性，隨負(fù)彎矩區(qū)抗彎剛度的增加負(fù)彎矩增大，混凝土橋面板受拉應(yīng)力增大，混凝土橋面板更容易產(chǎn)生裂縫，影響組合梁橋的耐久性。針對鋼-混組合梁負(fù)彎矩區(qū)的不利影響，本文提出一種通過自身變形達(dá)到彎矩重分配，減小負(fù)彎矩的半剛性連接形式(U形鉸連接構(gòu)造形式)，并采用ABAQUS有限元軟件研究其力學(xué)性能，確定合理的U形鋼鉸參數(shù)，為U形鋼鉸設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元方法驗(yàn)證

實(shí)際試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且成本高，而有限元方法非常成熟，且節(jié)省費(fèi)用。為驗(yàn)證有限元方法的正確性，以文獻(xiàn)[14]中試驗(yàn)梁為例建立鋼-混組合梁三維有限元模型，將有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

鋼-混組合梁凈跨為4.8 m，梁高300 mm，其中混凝土板厚100 mm，鋼梁高200 mm?；炷翉?qiáng)度為C30，鋼梁采用A3鋼，栓釘直徑為16 mm、高為80 mm、間距為100 mm。鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)尺寸及模型見圖1，材料屬性見表1。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?單位：mm)

表1 鋼-混組合梁材料屬性

1.2 材料本構(gòu)

所有部件均采用六面體實(shí)體單元C3D8R模擬，混凝土板采用塑性損傷模型，本構(gòu)關(guān)系見圖2(a)，其中偏心率為0.1，膨脹角為30°，黏性系數(shù)為0.000 5?；炷涟迮c鋼梁采用面面接觸，摩擦因數(shù)為0.3。栓釘和鋼梁本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型[見圖2(b)]，強(qiáng)化階段斜率取彈性階段的0.01倍，栓釘與鋼梁采用Tie接觸。為防止應(yīng)力集中造成收斂困難，在加載點(diǎn)設(shè)置剛性墊板，采用位移加載方式加載。

圖2 本構(gòu)模型

1.3 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

鋼-混組合梁有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果見圖3～5和表2。

表2 試驗(yàn)值與有限元分析值對比

圖3 鋼-混組合梁混凝土板荷載-應(yīng)力曲線

由圖3、圖4可知：在彈性階段，混凝土板上翼緣和鋼梁下翼緣荷載-應(yīng)變呈線性關(guān)系，隨著荷載增加鋼梁達(dá)到屈服，混凝土最終完全破壞，與文獻(xiàn)[14]破壞情況基本一致；混凝土板上翼緣及鋼梁下翼緣有限元荷載與試驗(yàn)荷載的誤差為3%、2.6%，應(yīng)變誤差分別約為4%、8%，誤差較小，有限元與試驗(yàn)曲線較吻合。

圖4 鋼-混組合梁鋼梁荷載-應(yīng)力曲線

由圖5、表2可知：鋼-混組合梁整體荷載-撓度有限元分析結(jié)果分為線彈性階段、塑性階段和破壞階段，與文獻(xiàn)[14]吻合較好。雖然有限元分析值相較于試驗(yàn)值較早出現(xiàn)下降段(采用有限元計(jì)算時(shí)，混凝土出現(xiàn)損傷后，與實(shí)際情況相比其單元受力迅速退化，導(dǎo)致下降段提前出現(xiàn))，但整體荷載-撓度變化較好。有限元分析所得屈服荷載、極限荷載與試驗(yàn)所得屈服荷載、極限荷載的誤差分別為10%、6%，原因是采用理想彈塑性本構(gòu)時(shí)忽略了鋼材強(qiáng)化階段的強(qiáng)度提高，導(dǎo)致極限承載能力稍有下降，但誤差較小，表明有限元方法能準(zhǔn)確模擬鋼-混組合梁的破壞過程，采用的有限元建模方法可靠。

圖5 鋼-混組合梁跨中荷載-撓度曲線

2 不同連接形式有限元分析

2.1 連接形式

組合梁橋橋面連續(xù)處有3種構(gòu)造形式，分別為橋面連續(xù)鋼主梁斷開[L-1，見圖6(a)]、橋面連續(xù)鋼主梁剛接[L-2，見圖6(b)]、完全固結(jié)[L-3，見圖6(c)]。為消除鋼-混組合梁負(fù)彎矩區(qū)的不利影響，提出組合梁橋橋面連續(xù)處U形鉸連接形式[L-4，見圖6(d)]：鋼梁腹板采用兩側(cè)分別由U形構(gòu)造鋼板連接的鋼梁，采用高強(qiáng)度螺栓緊固和定位對稱分布的方式將兩鋼梁連接形成一個(gè)整體，提高整體性和承載力。其主要受力形式為通過變形來降低負(fù)彎矩的傳遞，同時(shí)兩側(cè)鋼板提供抗側(cè)剛度，減小鋼梁連接形式的剛度，緩解混凝土開裂及鋼梁下翼緣局部屈曲。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)手冊》，選定U形鉸長為250 mm，寬為120 mm，厚度為16 mm，彎曲曲率為3.5。

以紹興市壺觴大橋?yàn)楣こ瘫尘埃x取兩跨跨徑為13 m的鋼-混組合梁，混凝土板采用C50，尺寸為1 240 mm×200 mm，工字鋼規(guī)格為NH650×320，剪力鍵為直徑22 mm的栓釘，間距為150 mm。兩跨組合梁墩頂橋面連續(xù)處采用圖6所示連接形式，主要部件材料屬性見表3。采用有限元方法對U形鉸連接形式與現(xiàn)有3種構(gòu)造形式進(jìn)行力學(xué)性能對比分析，驗(yàn)證橋面連續(xù)處U形鉸連接形式的有效性。

圖6 組合梁橋橋面連續(xù)處不同連接形式示意圖(單位：mm)

表3 壺觴大橋鋼-混組合梁的材料屬性

2.2 有限元分析結(jié)果

2.2.1 混凝土板損傷

不同連接形式下混凝土板受拉損傷見圖7。由圖7可知：采用L-1連接形式時(shí)橋面連續(xù)處混凝土完全破壞；采用L-2連接形式時(shí)橋面連續(xù)處混凝土在固結(jié)處受拉損傷面積較大，破壞較嚴(yán)重；采用L-3連接形式時(shí)混凝土板受拉損傷范圍較大，但較分散，可能是由于該連接形式的連接剛度過大，使負(fù)彎矩區(qū)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，受拉破壞較集中且未擴(kuò)散；采用L-4連接形式時(shí)橋面連續(xù)處受拉損傷面積比L-3小，與L-1、L-2相比，未出現(xiàn)混凝土板集中全截面受拉損傷現(xiàn)象，說明U形鋼鉸對橋面連續(xù)處混凝土開裂有一定緩解作用。

圖7 不同連接形式下混凝土板受拉損傷云圖

2.2.2 鋼梁應(yīng)力

不同連接形式下鋼梁應(yīng)力見圖8。由圖8可知：采用L-1連接形式時(shí)鋼梁端部應(yīng)力較小，但應(yīng)力分布不對稱；采用L-2連接形式時(shí)鋼梁端部下翼緣與對接板連接處出現(xiàn)較大上下翹曲變形，與文獻(xiàn)[18]描述一致；采用L-3連接形式時(shí)鋼梁端部出現(xiàn)全截面應(yīng)力屈服現(xiàn)象，且屈服面積較大。鋼梁下翼緣的局部失穩(wěn)是誘發(fā)組合梁失穩(wěn)的重要原因，鋼梁失穩(wěn)不利于橋梁穩(wěn)定性。采用L-4連接形式時(shí)，僅在U形鋼鉸中間出現(xiàn)局部應(yīng)力屈服現(xiàn)象，鋼梁只在端部腹板處出現(xiàn)局部對稱應(yīng)力，且應(yīng)力值未達(dá)到屈服應(yīng)力值，同時(shí)鋼梁沒有產(chǎn)生較大的上下翹曲變形。說明U形鋼鉸對鋼梁翹曲變形有較好的約束作用，通過減少負(fù)彎矩區(qū)抗彎剛度可減小負(fù)彎矩的作用，緩解鋼梁應(yīng)力屈服現(xiàn)象。U形鋼鉸連接形式能較好地解決現(xiàn)有連接形式的鋼梁翹曲變形、應(yīng)力不同步及截面屈服等問題。

圖8 不同連接形式下鋼梁應(yīng)力云圖(單位：Pa)

2.2.3 荷載-位移曲線

不同連接形式下荷載-位移見圖9。由9圖可知：在彈性階段，采用L-1連接形式時(shí)剛度最小，采用L-2與L-4連接形式時(shí)初始剛度相近；隨著荷載增加，L-2連接段隨著混凝土破壞程度增大剛度逐漸減小，采用L-3連接形式時(shí)剛度最大。說明負(fù)彎矩區(qū)不同連接形式對鋼-混組合梁剛度影響較大。采用U形鋼鉸連接形式時(shí)剛度僅小于L-3，說明U形鋼鉸對負(fù)彎矩區(qū)剛接形式抗彎剛度有一定減小作用。在彈塑性階段，采用U形鋼鉸連接形式時(shí)承載力相較于L-3連接形式降低約17%，相較于L-2、L-1連接形式分別提升約9%、12.3%，說明U形鋼鉸形式適當(dāng)降低抗彎剛度對鋼-混組合梁承載力有一定減小，但相較于其他形式承載力有一定提升。

圖9 不同連接形式下荷載-位移曲線

綜上，負(fù)彎矩區(qū)連接形式對鋼梁端部應(yīng)力、混凝土板破壞及整體承載力都有較大影響。U形鋼鉸連接形式屬于半剛性連接形式，能較好地緩解L-1、L-2連接形式連續(xù)處混凝土受拉破壞及L-3連接形式鋼梁上下翼緣屈曲變形問題，說明適當(dāng)降低連接截面剛度有利于減小負(fù)彎矩作用，提高鋼梁整體連接性。

3 U形鋼鉸參數(shù)分析

為確定合適的U形鋼鉸設(shè)計(jì)參數(shù)，選定U形鋼鉸厚度、強(qiáng)度及鋼梁間距3個(gè)參數(shù)，采用有限元方法對其進(jìn)行負(fù)彎矩區(qū)受力影響分析。U形鋼鉸參數(shù)如下：U形鋼鉸厚度為16 mm、22 mm、28 mm、48 mm，強(qiáng)度為Q235、Q345、Q390，鋼梁間距為50 mm、70 mm、100 mm、200 mm。參考模型參數(shù)如下：間距為50 mm，厚度為16 mm，強(qiáng)度為Q345。

3.1 鋼梁間距

不同鋼梁間距下混凝土板局部受拉見圖10，連接處應(yīng)力見圖11，荷載-位移和承載力見圖12。

由圖10可知：隨著U形鋼鉸鋼梁間距的增加，混凝土板在橋面連續(xù)處出現(xiàn)受拉損傷的面積增大。說明鋼梁間距越大，越容易引起混凝土板應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖10 U形鋼鉸不同鋼梁間距下混凝土板局部受拉云圖

由圖11可知：U形鋼鉸跨中出現(xiàn)應(yīng)力屈服現(xiàn)象，靠近鋼梁上翼緣U形鋼鉸跨中出現(xiàn)較明顯拉伸變形，且屈服應(yīng)力面積隨著鋼梁間距的增大而增大。說明鋼梁間距越小，U形鋼鉸對鋼梁上下翹曲的約束變形能力越強(qiáng)。

圖11 U形鋼鉸不同鋼梁間距下連接處應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖12可知：在彈性階段，隨鋼梁間距增加，對鋼-混組合梁整體剛度的影響減小，承載力減小。鋼梁間距為200 mm時(shí)，鋼-混組合梁承載力較小，為1 383.18 kN，比鋼梁間距為50 mm時(shí)鋼-混組合梁承載力(1 426.71 kN)降低3.1%。說明隨著鋼梁間距增大，鋼-混組合梁的承載力逐漸降低。

圖12 U形鋼鉸不同鋼梁間距下荷載-位移和承載力

綜上，鋼梁間距對U形鋼鉸的受力性能有較大影響，但對鋼-混組合梁整體剛度和承載力的影響較小，建議鋼梁間距取50 mm。

3.2 U形鋼鉸厚度

不同U形鋼鉸厚度下連接處應(yīng)力見圖13，荷載-位移和承載力見圖14。

圖14 U形鋼鉸不同厚度下荷載-位移和承載力

由圖13可知：隨著U形鋼鉸厚度的增大，U形鋼鉸應(yīng)力屈服面積和相鄰兩跨端部鋼梁應(yīng)力減小。厚度為48 mm時(shí)，U形鋼鉸和鋼梁腹板局部屈服，U形鋼鉸上部受拉和下部受擠壓應(yīng)力面積均減小。說明厚度越大越有利于U形鋼鉸與鋼梁整體受力，U形鋼鉸厚度變化對混凝土板應(yīng)力的影響較小。

圖13 U形鋼鉸不同厚度下連接處應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖14可知：在彈性階段，不同厚度U形鋼鉸的剛度相差不大，相較于厚度16 mm，U形鋼鉸厚度為48 mm時(shí)鋼-混組合梁承載力提高約2.9%。U形鋼鉸厚度對鋼梁端部受力應(yīng)力面積的影響較大，對鋼-混組合梁整體剛度和承載力的影響較小，建議U形鋼鉸厚度取48 mm。

3.3 U形鋼鉸材料強(qiáng)度

不同U形鋼鉸材料強(qiáng)度下連接處應(yīng)力見圖15，荷載-位移和承載力見圖16。

圖16 U形鋼鉸不同強(qiáng)度下荷載-位移和承載力

由圖15可知：隨著U形鋼鉸強(qiáng)度的增大，鋼梁應(yīng)力減小，U形鋼鉸強(qiáng)度為Q345、Q390時(shí)，鋼梁端部應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度值。說明U形鋼鉸強(qiáng)度增加有利于提高截面抗彎剛度，減少應(yīng)力傳遞。U形鋼鉸材料強(qiáng)度變化對混凝土板損傷的影響較小。

圖15 U形鋼鉸不同強(qiáng)度下連接處應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖16可知：U形鋼鉸強(qiáng)度對鋼-混組合梁整體剛度的影響較小，對承載力有一定影響。U形鋼鉸強(qiáng)度等于或大于鋼梁強(qiáng)度時(shí)，鋼-混組合梁整體承載力提升2.7%。提升U形鋼鉸強(qiáng)度能增強(qiáng)組合梁連接處截面剛度，與鋼梁組合作用更好地發(fā)揮抗拉連接作用，提高鋼-混組合梁的承載力。建議U形鋼鉸強(qiáng)度大于或等于鋼梁強(qiáng)度，材料強(qiáng)度宜采用Q390。

4 結(jié)論

(1)負(fù)彎矩區(qū)連接形式的截面剛度對鋼-混組合梁整體受力影響較大。采用剛接形式會造成鋼梁局部屈曲失穩(wěn)，采用固結(jié)和僅橋面連續(xù)形式容易導(dǎo)致橋面混凝土嚴(yán)重破壞。U形鋼鉸形式適當(dāng)減小負(fù)彎矩區(qū)截面剛度，能緩解鋼梁屈服和混凝土破壞現(xiàn)象，具有較好的受力變形特性。

(2)隨著U形鋼鉸厚度和強(qiáng)度的增大，截面抗彎剛度增加，與鋼梁整體受力變形作用加強(qiáng)，整體承載力提高。隨著鋼梁間距的增加，U形鋼鉸截面剛度降低，整體承載力降低。建議選用50 mm鋼梁間距、48 mm U形鋼鉸厚度、Q390材料強(qiáng)度。