魏思斯， 耿 波， 尚軍年， 鄭 植,3

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067； 2.橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400067；3.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400045)

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路、城市軌道交通的快速發(fā)展，為了高效利用過(guò)江通道，修建了許多公鐵、公軌兩用橋梁[1-2]。在經(jīng)典連續(xù)鋼桁梁的基礎(chǔ)上，組合剛性懸索加勁弦形成的懸索加勁鋼桁梁橋，儼然已成為一種適用于公鐵、公軌兩用橋梁的新式結(jié)構(gòu)。懸索加勁鋼桁梁橋造型美觀，但結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，受力行為不明確，其剛性懸索與上弦桿的連接處涉及眾多桿件，受力及構(gòu)造特點(diǎn)比起常規(guī)的整體節(jié)點(diǎn)更為復(fù)雜，本文對(duì)這一類連接簡(jiǎn)稱為特殊節(jié)點(diǎn)[3]。

目前，該類型橋梁中，國(guó)內(nèi)建成了東莞市東江雙層公路特大橋[4]、石濟(jì)客專濟(jì)南黃河公鐵兩用大橋[5-6]、錢塘江公軌兩用大橋[7]。2009年建成的東莞市東江大橋在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)特殊節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了試驗(yàn)研究。彭振華[4]和譚明鶴等[8-9]開(kāi)展了縮尺比例為1∶2的模型試驗(yàn)，在加勁弦、左側(cè)斜腹桿和右側(cè)豎腹桿端部設(shè)置鉸約束，在上弦桿兩端、左側(cè)豎腹桿和右側(cè)斜腹桿端部分別采用千斤頂同步施加軸向荷載，試驗(yàn)加載至設(shè)計(jì)荷載的70%，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了東江大橋特殊節(jié)點(diǎn)的安全性。

主跨208 m的東江大橋和主跨180 m的石濟(jì)客專濟(jì)南黃河公鐵兩用大橋[10]，主梁均采用3片主桁承載，其中東江大橋采用板桁分離橋面系，主桁受力較為明確，且加勁弦與上弦桿通過(guò)在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)共用變高度的豎版即合并為一根桿件，特殊節(jié)點(diǎn)的規(guī)模較??；主跨270 m的曾家?guī)r嘉陵江大橋是城市公軌兩用橋梁中的首座懸索加勁鋼桁梁橋，主桁僅采用空間2片桁架結(jié)構(gòu)[3]，上橋面采用縱橫梁體系的正交異性板整體橋面，橋面板、橫梁與主桁共同承載將引起次內(nèi)力[4]，受力較為復(fù)雜，且加勁弦與上弦桿經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)間的距離才逐漸合并為一根桿件，過(guò)渡范圍較大。

綜上分析，由于曾家?guī)r大橋特殊節(jié)點(diǎn)涉及的加勁弦、上弦桿、腹桿等眾多桿件，涵蓋上弦桿中2個(gè)節(jié)點(diǎn)，規(guī)模較大，且采用正交異性板整體橋面，特殊節(jié)點(diǎn)受力因橋面系的影響，其受力及構(gòu)造特點(diǎn)比起常規(guī)的整體節(jié)點(diǎn)更為復(fù)雜，其模型試驗(yàn)邊界荷載的模擬也無(wú)法直接借鑒東江大橋節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)。因此，需通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)曾家?guī)r嘉陵江大橋特殊節(jié)點(diǎn)的靜力性能進(jìn)行研究，而試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性是保障模型試驗(yàn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。由于受試驗(yàn)條件的限制，難以實(shí)現(xiàn)空間三維加載，如何將多桿件節(jié)點(diǎn)三維受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為平面內(nèi)受力，合理處理模型幾何邊界條件，保證荷載的順利施加與傳遞，準(zhǔn)確模擬特殊節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位的應(yīng)力狀態(tài)是本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為此，本文對(duì)多桿件節(jié)點(diǎn)模型邊界的模擬與實(shí)現(xiàn)、荷載施加方式的確定、反力臺(tái)座及縮尺試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，以期為后續(xù)類似多桿件節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究與設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋?yàn)閼宜骷觿胚B續(xù)鋼桁梁橋，跨徑布置為(135+270+135)m[11]，橋型布置見(jiàn)圖1。主桁采用橫向中心距為26.7 m的空間2片桁架結(jié)構(gòu)，鋼桁梁中心桁高12.483 m[3，11-13]。上層橋面為采用縱橫梁布置的梁格體系的正交異性橋面板，板厚16 mm[11]。

單位：cm圖1 曾家?guī)r嘉陵江大橋總體布置Fig.1 General layout of Zengjiayan Jialing River Bridge

根據(jù)全橋分析結(jié)果[14]可知，渝中區(qū)側(cè)邊跨特殊節(jié)點(diǎn)內(nèi)力最大，故選該部位為本文研究對(duì)象。在該側(cè)邊跨內(nèi)，S37S38加勁弦與A37A38上弦桿交匯于A38節(jié)點(diǎn)，并合成一根變高度的A38A39上弦桿[3]。加勁弦與上弦桿的連接始于A38節(jié)點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)整個(gè)節(jié)間，結(jié)束于A39節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2 特殊節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.2 Configuration of special joint

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀闻c荷載邊界的確定

由于受到試驗(yàn)條件的限制，難以實(shí)現(xiàn)空間三維加載，本試驗(yàn)僅選取特殊節(jié)點(diǎn)在主桁平面內(nèi)的桿件，并簡(jiǎn)化為平面內(nèi)加載。先根據(jù)全橋多尺度有限元模型[15]分析結(jié)果對(duì)特殊節(jié)點(diǎn)邊界荷載進(jìn)行分析，并結(jié)合節(jié)段模型試算結(jié)果，確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀闻c荷載邊界，使得節(jié)段模型能較為準(zhǔn)確地模擬特殊節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布規(guī)律。由此確定的邊界模擬形式為：S38S37加勁弦桿端固結(jié)，A39B39豎腹桿端部設(shè)置固定鉸支座，并在其余桿端均施加軸向荷載，見(jiàn)圖3。為了使特殊節(jié)點(diǎn)節(jié)段模型在面內(nèi)受力平衡，并盡量準(zhǔn)確模擬S37S38的加勁弦和A38節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力分布情況，將橋面板承擔(dān)的水平向力附加在上弦桿上，而上層橋面系橫梁承擔(dān)的豎向力則附加在豎腹桿上。該邊界模擬形式對(duì)應(yīng)節(jié)段模型的應(yīng)力分布見(jiàn)圖4。

圖3 縮尺模型加載示意Fig.3 Loading diagram of scaled model

單位：MPa圖4 特殊節(jié)點(diǎn)節(jié)段模型Von-Mises應(yīng)力分布Fig.4 Von-Mises stress distribution of Special-joint segmental model

將圖4中特殊節(jié)點(diǎn)節(jié)段模型各主要受力構(gòu)件的應(yīng)力分布情況與全橋模型分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比：1) 特殊節(jié)點(diǎn)加勁弦的Von-Mises應(yīng)力分布規(guī)律與全橋多尺度模型分析結(jié)果接近，相同部位存在應(yīng)力集中，最大Von Mises應(yīng)力為359.4 MPa，總體應(yīng)力水平在196.1 MPa以內(nèi)，特殊節(jié)點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力水平接近實(shí)際情況；2) 采用該邊界形式進(jìn)行模擬時(shí)，特殊節(jié)點(diǎn)節(jié)段模型中上弦桿和A39B39豎腹桿的應(yīng)力水平高于全橋多尺度模型的計(jì)算結(jié)果，這是由于由橋面系傳遞的部分荷載分別附加在了上弦桿和A39B39豎腹桿中；3) 節(jié)段模型能較為準(zhǔn)確地模擬特殊節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布規(guī)律，因此，該邊界形式可作為特殊節(jié)點(diǎn)縮尺模型設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3 反力臺(tái)座設(shè)計(jì)

3.1 特殊節(jié)點(diǎn)加載方案

綜合考慮現(xiàn)有加載能力及試驗(yàn)場(chǎng)地、測(cè)試內(nèi)容、鋼材種類、模型加工等因素，對(duì)試驗(yàn)縮尺模型的縮尺方案進(jìn)行比選，最終確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比例為1∶2.5。據(jù)相似理論，按照1∶2.5縮尺后得出的各桿端在1.0倍設(shè)計(jì)荷載工況和超載工況[16](1.4倍設(shè)計(jì)工況，對(duì)應(yīng)圖3中括號(hào)內(nèi)數(shù)值)下需施加的荷載值見(jiàn)圖3。

當(dāng)加載至100%設(shè)計(jì)荷載時(shí)，需施加的最大荷載為282.7 t；1.4倍超載時(shí)，需施加的最大荷載為395.8 t，可采用400 t千斤頂進(jìn)行加載。A38節(jié)點(diǎn)豎腹桿1.4倍超載時(shí)需施加的最大荷載為45.6 t，采用300 t千斤頂進(jìn)行加載。試驗(yàn)加載設(shè)備利用高穩(wěn)定性液壓加載控制器和5個(gè)高精度液壓千斤頂進(jìn)行，荷載大小采用振弦式錨索測(cè)力計(jì)測(cè)量，使用之前須標(biāo)定。

3.2 反力臺(tái)座設(shè)計(jì)

施加的最大荷載達(dá)到395.8 t，且為了模擬固結(jié)的邊界條件，需將加勁弦的一段預(yù)埋在鋼筋混凝土的反力墻中，該固結(jié)部位受到軸向拉力11 701.0 kN、剪力221.4 kN及彎矩575.2 kN·m的作用，加載噸位和加勁弦端部反力較大，并需在5處同時(shí)加載，為保證試驗(yàn)的實(shí)施，設(shè)計(jì)了強(qiáng)大的混凝土反力墻及底座。試驗(yàn)臺(tái)座的基本構(gòu)造及節(jié)點(diǎn)加載方案見(jiàn)圖5。

單位：mm圖5 特殊節(jié)點(diǎn)加載方案平面Fig.5 Plan view of loading of special joint

由圖5可知，試驗(yàn)臺(tái)座由1 m厚的底座和3道高1.5 m的反力墻組成。試件平躺安裝在試驗(yàn)臺(tái)座上，加勁弦嵌入反力墻1中固結(jié)，A39節(jié)點(diǎn)豎腹桿端部設(shè)置鉸支座，主耳板嵌入反力墻3中固定，其余桿件端部均采用千斤頂施加軸向荷載。為了在A38節(jié)點(diǎn)豎腹桿和右側(cè)斜腹桿以及A39節(jié)點(diǎn)側(cè)上弦桿桿端施加軸向拉力，將預(yù)應(yīng)力鋼束一端錨固在縮尺模型桿件內(nèi)，穿過(guò)反力墻中的預(yù)留孔在另一端通過(guò)千斤頂張拉。千斤頂與反力墻接觸處均設(shè)置預(yù)埋鋼板，以擴(kuò)大反力墻受力面積，防止混凝土局部被壓潰。

錨固加勁弦的反力墻1厚2.6 m，反力墻2厚1.2 m，L形反力墻3在固定鉸支座處厚1.2 m、在對(duì)上弦桿施加軸向拉力處厚1.4 m。底座和反力墻均采用C50混凝土，反力墻的縱向受力鋼筋和箍筋均采用HRB400，縱向受力鋼筋采用單肢Φ28，間距120 mm，抗剪鋼筋采用Φ16的鉤筋。通過(guò)計(jì)算分析，反力墻正截面抗彎和斜截面抗剪均滿足要求，且有較高的安全儲(chǔ)備。

考慮到通過(guò)千斤頂來(lái)施加荷載，反力墻加載處設(shè)置了方格網(wǎng)作為間接鋼筋來(lái)抵抗局部受壓，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)[17]5.7.2條，經(jīng)驗(yàn)算其局部受壓區(qū)的截面尺寸滿足要求。

4 特殊節(jié)點(diǎn)縮尺模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)特殊節(jié)點(diǎn)涉及加勁弦、上弦桿、斜腹桿、豎腹桿共計(jì)7根桿件，需在S38S37加勁弦桿端固結(jié)，在A39B39豎腹桿桿端設(shè)置鉸接，并在其余5根桿件端部施加軸向壓力或者拉力，如何實(shí)現(xiàn)邊界的模擬，并保障荷載的順利施加與傳遞是本試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是確保試驗(yàn)成功實(shí)施的關(guān)鍵。本節(jié)對(duì)多桿件節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募?xì)部構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 縮尺模型各組件及連接設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)段模型的幾何尺寸嚴(yán)格按照1∶2.5的比例縮尺，A38節(jié)點(diǎn)板按照比例縮小后厚度為22.5 mm，無(wú)該板厚規(guī)格的鋼板，故將其板厚微調(diào)到了24 mm。同時(shí)綜合考慮反力臺(tái)座的設(shè)計(jì)及加載設(shè)備所需的空間，對(duì)部分桿件的長(zhǎng)度進(jìn)行了調(diào)整。特殊節(jié)點(diǎn)1∶2.5縮尺模型整體構(gòu)造和各桿件的截面見(jiàn)圖5。

加勁弦的翼板、頂板、底板、橫隔板板厚均為20 mm。上弦桿頂板板厚8 mm，底板和豎板板厚16 mm，頂板加勁弦肋厚6 mm。斜腹桿和豎腹桿翼板板厚分別為20 mm和16 mm。A38、A39節(jié)點(diǎn)板板厚分別為24 mm和20 mm。

試驗(yàn)件全長(zhǎng)13.587 m，寬5.055 m。加勁弦嵌固在反力墻內(nèi)，并在嵌入范圍內(nèi)的外表面均勻布置剪力釘，以保證其與反力墻的有效固結(jié)。固定鉸支座耳板嵌固于反力墻內(nèi)，與A39B39豎腹桿桿端布置的2塊耳板經(jīng)由銷軸連接以實(shí)現(xiàn)鉸接。

試驗(yàn)中拉力施加方式的設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)的順利開(kāi)展十分重要。通過(guò)查閱文獻(xiàn)及借鑒有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)[18]，采用在構(gòu)件端部穿入鋼束，并通過(guò)千斤頂張拉可靠錨固的鋼束，來(lái)實(shí)現(xiàn)荷載的施加。即將預(yù)應(yīng)力鋼束錨固在A39A40上弦桿、A38B39斜腹桿以及A38B38豎腹桿內(nèi)，鋼束穿過(guò)反力墻的預(yù)留孔在另一側(cè)由穿心式千斤頂牽引施加拉力[1]。為了便于預(yù)應(yīng)力鋼束及固定端錨具的安裝，上弦桿A38A40開(kāi)有橢圓形手孔，并加焊寬70 mm厚30 mm的補(bǔ)強(qiáng)板。A38A37上弦桿、A38B37斜腹桿桿端則由千斤頂直接施加壓力。

考慮試驗(yàn)件制作加工、運(yùn)輸及安裝的的可行性，A38節(jié)點(diǎn)與加勁弦、上弦桿以及A39節(jié)點(diǎn)與上弦桿由栓接改為焊接，采用融透的對(duì)接焊縫，腹桿與A38、A39節(jié)點(diǎn)的連接仍為高強(qiáng)螺栓連接。試驗(yàn)件坡口尺寸和焊腳高度與實(shí)橋相似。

本靜力試驗(yàn)件A38、A39節(jié)點(diǎn)與腹桿之間的連接采用M24高強(qiáng)螺栓，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2—2017)[19]按照連接桿件的強(qiáng)度進(jìn)行螺栓數(shù)量的設(shè)計(jì)計(jì)算，即螺栓連接的強(qiáng)度不應(yīng)低于被連接桿件的強(qiáng)度。

4.2 縮尺模型桿端局部加強(qiáng)部位設(shè)計(jì)

1) 構(gòu)造設(shè)計(jì)

為了保證荷載安全可靠地傳遞，各桿端施加荷載部位需進(jìn)行局部加強(qiáng)。其中，A39A40上弦桿、A38B39斜腹桿以及A38B38豎腹桿桿端施加軸向拉力處，由于需要預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼束通過(guò)的空間，采用井字形加勁；其余桿件端部施加軸向壓力，則采用十字加勁。桿端局部加強(qiáng)部位的翼板、端板及加勁板板厚增大為30 mm[3]。局部加強(qiáng)部位構(gòu)造見(jiàn)圖6、圖7。

(a) 平面

(b) A-A斷面單位：mm圖6 井字形加強(qiáng)構(gòu)造Fig.6 Configuration of well-shape reinforcement

(a) 平面

(b) A-A斷面單位：mm圖7 十字形加強(qiáng)構(gòu)造Fig.7 Configuration of cross-shape reinforcement

各桿件按1∶2.5縮尺后，桿件內(nèi)邊緣尺寸低于500 mm，操作空間較小，在桿件內(nèi)部施焊難以操作。為了便于操作，桿件局部加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)，桿件翼板在加勁板的位置開(kāi)槽，加勁板先焊接成為整體(十字形或者井字形)，然后插入桿件翼緣槽口，并在翼緣外側(cè)進(jìn)行焊接。

2) 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

局部加強(qiáng)部位的安全性和可靠性通過(guò)局部有限元分析得到驗(yàn)證。A39A40上弦桿在超載工況需要施加的軸向拉力最大，為395.8 t，且該處翼板開(kāi)有手孔，截面被削弱，故取該部位進(jìn)行井字形加強(qiáng)部位的局部分析，取端板到端部手孔以下1倍邊長(zhǎng)范圍內(nèi)的桿件為研究對(duì)象，利用Midas FEA建立三維板殼單元模型，壓力荷載通過(guò)面壓力進(jìn)行模擬，桿件底部固結(jié)，見(jiàn)圖8。加勁板伸出桿件翼板是為了方便施焊，不影響力的傳遞，因此本模型中僅建出桿件內(nèi)部的加勁板。

(a) 桿件翼板

(b) 加勁板、端板、承壓板圖8 井字形加強(qiáng)部位局部有限元模型Fig.8 Local finite element model of the well-shape reinforcement

千斤頂施加的壓力通過(guò)應(yīng)力鋼束及固定端錨具傳遞到承壓板，再傳到井字形加勁板，然后通過(guò)焊縫傳給桿件翼板，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，加勁板與桿件翼板焊縫在承壓板位置處Von-Mises應(yīng)力最大，為143.4 MPa。桿件翼板開(kāi)孔處在短軸頂點(diǎn)附近存在應(yīng)力集中，最大Von-Mises應(yīng)力達(dá)到了334.7 MPa，但應(yīng)力集中范圍較小，且最大Von-Mises應(yīng)力小于鋼材的屈服應(yīng)力，認(rèn)為翼板受力是安全的，能夠有效傳遞荷載。加勁板在與承壓板接觸位置Von-Mises應(yīng)力最大，為276.2 MPa，盡管大于鋼板的容許應(yīng)力(247 MPa)，但仍小于屈服強(qiáng)度，仍然是安全的。該位置不是重點(diǎn)關(guān)注范圍，僅需要保證荷載的安全傳遞，因此認(rèn)為井字形加強(qiáng)部位的設(shè)計(jì)是合理的。

(a) 桿件翼板

(b) 加勁板單位：MPa圖9 井字形加強(qiáng)部位Von-Mises應(yīng)力分布Fig.9 Von-Mises stress distribution of the well-shape reinforcement

A38A37上弦桿在超載工況需要施加的軸向壓力最大，為346.0 t，故取該部位進(jìn)行局部分析，取端部3倍邊長(zhǎng)范圍內(nèi)的桿件為研究對(duì)象，利用Midas FEA建立三維板殼單元模型，壓力荷載通過(guò)面壓力進(jìn)行模擬，桿件底部固結(jié)。十字形加強(qiáng)部位有限元模型見(jiàn)圖10，本模型也僅建出桿件內(nèi)部的加勁板。

(a) 桿件翼板

(b) 加勁板、端板圖10 十字形加強(qiáng)部位局部有限元模型Fig.10 Local finite element model of the cross-shape reinforcement

千斤頂施加的壓力通過(guò)端板傳到十字形加勁板，再通過(guò)焊縫傳給桿件翼板，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11。從圖11可以看出，加勁板與桿件翼板焊縫在承壓板位置處Von-Mises應(yīng)力最大，為122.4 MPa；承壓板最大Von-Mises應(yīng)力為184.7 MPa；加勁板在與端板接觸位置Von-Mises應(yīng)力最大，為185.4 MPa，低于鋼板的容許應(yīng)力247 MPa，表明十字形加強(qiáng)部位的設(shè)計(jì)是合理的。

(a) 桿件翼板

(b) 加勁板單位：MPa圖11 十字形加強(qiáng)部位Von-Mises應(yīng)力云圖Fig.11 Von-Mises stress distribution of the cross-shape reinforcement

4.3 縮尺模型加勁弦嵌固端設(shè)計(jì)

1) 構(gòu)造設(shè)計(jì)

為了在S38S37加勁弦桿端施加固定約束，加勁弦在試驗(yàn)區(qū)域范圍外延伸2.4 m嵌入反力墻1內(nèi)，并在加勁弦四面翼板外側(cè)布置剪力釘，以保證加勁弦與反力墻的有效連接。為了使混凝土能夠進(jìn)入加勁弦內(nèi)部并盡量密實(shí)，在加勁弦灌漿側(cè)頂板開(kāi)孔，且頂板在端部縮短200 mm，見(jiàn)圖12。

單位：mm圖12 加勁弦固結(jié)端構(gòu)造Fig.12 Configuration of the embedded end of stiffening chord

2) 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算求得的嵌固端的反力，并考慮1.4倍超載可知，S38S37加勁弦桿端受到軸向拉力11 701.0 kN、剪力221.4 kN及彎矩575.2 kN·m的作用。為了保證加勁弦嵌固端與反力墻1有效連接，根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTG/T D64-01—2015)[20]對(duì)剪力釘連接件的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

本靜載試驗(yàn)選用d=22 mm的圓柱頭焊釘為剪力連接件，材料為ML15。在錨入反力墻的加勁弦4個(gè)外表面上共布置260個(gè)剪力釘，單個(gè)剪力釘受到的剪力為45.0 kN，單個(gè)剪力的抗剪承載力為85.14 kN，安全系數(shù)為1.90，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。剪力釘結(jié)合面的最大滑移為0.148 mm，小于規(guī)范中的限值0.2 mm，表明結(jié)合面滑移也滿足規(guī)范要求。

4.4 縮尺模型鉸支座設(shè)計(jì)

1) 構(gòu)造設(shè)計(jì)

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[21]11.6節(jié)的規(guī)定擬定了鉸支座的結(jié)構(gòu)尺寸，鉸支座耳板、銷軸構(gòu)造分別見(jiàn)圖13和圖14。主耳板板厚60 mm，次耳板板厚40 mm，銷軸直徑150 mm。鉸支座耳板采用Q420qE鋼材，銷軸采用40 Cr。

(a) 次耳板

(b) 主耳板單位：mm圖13 鉸支座耳板構(gòu)造Fig.13 Configuration of the hinged support

(a) 銷軸立面

(b) A-A斷面單位：mm圖14 銷軸構(gòu)造Fig.14 Configuration of the axis pin

2) 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)計(jì)算求得的鉸支座的反力，1.4倍超載加載時(shí)，B39A39豎腹桿鉸支座的軸向反力為1 617.7 kN(受拉)，剪力為139.1 kN。作用在鉸支座上的合力為1 623.7 kN。

鉸支座耳板的安全性和可靠性通過(guò)局部有限元分析進(jìn)行了驗(yàn)證，有限元模型見(jiàn)圖15。反力墻3、臺(tái)座及主耳板均采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，預(yù)埋耳板一部分嵌入反力墻3中，將作用在鉸支座的荷載以集中力的形式進(jìn)行施加，主耳板最大Von-Mises應(yīng)力為151.8 MPa，小于Q420qE鋼材的容許應(yīng)力241 MPa，表明主耳板強(qiáng)度滿足要求。

(a) 有限元分析模型

(b) Von-Mises應(yīng)力云圖單位：MPa圖15 主耳板有限元分析驗(yàn)證Fig.15 Verification of the main ear plate by finite element analysis

為了保證鉸支座主耳板與反力墻3有效連接，根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTG/T D64-01—2015)[20]對(duì)耳板剪力釘連接件的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。在嵌入反力墻的主耳板頂?shù)酌嫔瞎膊贾?0個(gè)剪力釘，選用d=22 mm的圓柱頭焊釘為剪力連接件，材料為ML15。單個(gè)剪力釘受到的剪力為27.1 kN，單個(gè)剪力的抗剪承載力為85.14 kN，安全系數(shù)為3.15，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。剪力釘結(jié)合面的最大滑移為0.091 mm，小于規(guī)范中的限值0.2 mm，表明結(jié)合面滑移也滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文基于特殊節(jié)點(diǎn)的邊界荷載分析，確定了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪吔缒M形式，并制定了試驗(yàn)加載方案，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了多桿件特殊節(jié)點(diǎn)縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺戳ε_(tái)座，得到以下結(jié)論：

1) 加勁弦S38S37桿端固結(jié)，豎腹桿A39B39端部設(shè)置鉸支座，并在其余桿端采用施加軸向荷載的方式來(lái)模擬特殊節(jié)點(diǎn)的邊界荷載，將空間受力簡(jiǎn)化為面內(nèi)受力，節(jié)段模型能較為準(zhǔn)確地模擬特殊節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位(加勁弦、加勁弦與上弦桿交界處以及A38節(jié)點(diǎn)板)的應(yīng)力分布規(guī)律。

2) 根據(jù)縮尺試驗(yàn)件施加的荷載及反力，設(shè)計(jì)了由1 m厚的底座和3道高1.5 m的反力墻組成的反力臺(tái)座，試件平躺安裝在試驗(yàn)臺(tái)座上，加勁弦嵌入反力墻1中固結(jié)，A39節(jié)點(diǎn)豎腹桿端部設(shè)置鉸支座，主耳板嵌入反力墻3中固定，其余桿件端部均采用千斤頂施加軸向荷載，由此實(shí)現(xiàn)多桿件特殊點(diǎn)幾何與荷載邊界的模擬。

3) 根據(jù)縮尺比例確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鹘M件的尺寸，根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)桿件間的連接、加勁弦嵌固端及鉸支座進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并通過(guò)局部有限元分析驗(yàn)證了桿端十字形及井字形加強(qiáng)部位、鉸支座的安全性，最終確定了特殊節(jié)點(diǎn)縮尺模型的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

4) 本模型試驗(yàn)?zāi)壳耙淹瓿?，最大加載至設(shè)計(jì)荷載的1.4倍，測(cè)試模型各桿件端部位移以及關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布，結(jié)果顯示，縮尺模型在受荷載過(guò)程中處于彈性工作階段，試件受力均衡，各剖面測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)應(yīng)力分布規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，在1.4倍設(shè)計(jì)荷載(超載工況)作用下，所有測(cè)點(diǎn)應(yīng)力仍然小于鋼材的容許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的靜力安全儲(chǔ)備足夠。試驗(yàn)臺(tái)座及縮尺模型各連接部位、局部加強(qiáng)部位、加勁弦嵌固端以及鉸支座均正常工作，能夠安全可靠地傳遞試驗(yàn)荷載，試驗(yàn)設(shè)計(jì)安全可靠。