鋼與混凝土組合拱肋接合部受力性能分析

       摘要：大橋主橋位于R=9000m的凸形豎曲線內(nèi)，為300m跨徑的非對稱肋拱橋。拱肋由鋼箱節(jié)段和混凝土節(jié)段組成，東西兩拱肋向外傾斜，位于各自的拱平面內(nèi)。大橋?yàn)殇撆c混凝土組合拱結(jié)構(gòu)。為了保證各種內(nèi)力的可靠傳遞，接合部采用焊釘以及開孔板2種連接件使鋼與混凝土形成整體，構(gòu)造復(fù)雜，技術(shù)含量很高，國內(nèi)外可供參考的資料較少。開孔板連接件由于具有很大的剛度、強(qiáng)度及其抗疲勞性能，適用于荷載相對較大、對抗疲勞性要求較高的橋梁結(jié)構(gòu)中。本文建立了鋼與混凝土組合拱肋接合部局部試件的空間計(jì)算模型，將開孔鋼板連接件用實(shí)體單元加以模擬，分析了組合拱連接部和開孔板的受力性能。

　　關(guān)鍵詞：組合拱橋，開孔板連接件，受力性能

　　

　　工程背景

　　大橋的主橋和引橋全部位于R=1500米的平曲線內(nèi)，采用單折線形的路拱形式。主橋全部位于R=9000米的凸形豎曲線內(nèi)，為300米跨徑的非對稱肋拱橋，由兩條傾斜的鋼箱拱肋、橋面曲線鋼箱梁、傾斜的吊桿、系桿及肋間平臺，共同構(gòu)成一個(gè)多元化的空間結(jié)構(gòu)體系，見圖1所示　

　　拱肋由鋼箱段和混凝土段組成，東西兩拱肋向外傾斜，位于各自的拱平面內(nèi)。鋼箱拱肋采用等寬變高的單箱單室截面，拱肋寬度7.4m，鋼箱拱肋高度由跨中的5.6m，漸變至鋼與混凝土組合連接部位置的10m，混凝土箱拱肋由與混凝土組合連接部位置的10.1m，漸變至拱腳位置的14.62m，拱肋鋼箱截面、混凝土箱截面構(gòu)造與尺寸見圖2所示。其中鋼箱拱肋在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的厚度為20mm，在鋼混連接部位的厚度為24mm，鋼箱拱肋的四周布置了縱向扁鋼加勁肋，其中混凝土拱肋的厚度為80cm。

　　拱肋中鋼混連接部位由三部分組成：

　�、� 1.16m長的鋼箱部分，該部分的鋼箱縱向加勁肋從20×210mm漸變?yōu)?0×480mm；

　　② 1m長的焊釘部分，該部分共有28個(gè)小立柱，立柱的外表面是鋼板，立柱的內(nèi)部填充混凝土，鋼板與混凝土之間設(shè)置了φ19×90的焊釘；

　�、� 0.56m長的開孔鋼板與混凝土的過渡段，該部分的開孔鋼板布置在28個(gè)小立柱的下面，在該部位的混凝土的內(nèi)外表面上還布置了厚度20mm的鋼板。

　　另外在拱肋鋼混連接部位還布置了28根15.24－15預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力鋼束的一端錨固在小立柱頂部的加強(qiáng)橫隔板處，分別貫穿28個(gè)小立柱，另一端伸入到拱肋的混凝土中。

　　3.1組合拱肋連接部試件設(shè)計(jì)

　　為了分析大橋鋼混組合拱肋接合部各部分的應(yīng)力大小及分布、鋼與混凝土間的傳力機(jī)理、驗(yàn)證連接部細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)的合理性，用ANSYS建立鋼混接合部段兩根小立柱范圍的局部空間計(jì)算模型用以分析研究。

　　設(shè)計(jì)高度方向包括從第一過渡段頂部到第三過渡段底部、寬度方向包括2個(gè)封閉立柱、厚為壁厚的拱箱腹板的局部模型。

　　模型高3211mm、寬2493mm、厚800mm的組合拱壁，并設(shè)置3740×1240×300mm的加載底座。模型比例為1:1，共計(jì)1個(gè)試件�！�

　　3.3實(shí)體單元模擬的計(jì)算模型

　　3.3.1實(shí)體單元計(jì)算模型

　　對比有限元計(jì)算模型，采用了空間混合有限元方法計(jì)算，在連接部建立全真的有限元計(jì)算模型，其中除了混凝土拱璧內(nèi)、外側(cè)板及端頭封板的鋼板采用板單元模擬外，開孔板連接件等其余所有鋼板用殼單元模擬，混凝土用體單元模擬，焊釘采用三維的彈簧單元模擬。

　　在有限元建模時(shí)

　�、偌訌�(qiáng)橫隔板鋼板與小立柱混凝土的上表面相連部分有公共節(jié)點(diǎn)，

　�、诨炷练忸^端板鋼板與小立柱混凝土的下表面以及混凝土箱的上表面有公共節(jié)點(diǎn)，

　�、刍炷羵�(cè)板、開孔鋼板與混凝土有公共節(jié)點(diǎn)，

　�、苄×⒅炷僚c四周的鋼板分離，在焊釘位置處通過三維彈簧元二者相連。

　　邊界條件及荷載

　　根據(jù)混合有限元模型，把底部混凝土梁單元的節(jié)點(diǎn)固結(jié)，在頂部鋼箱梁單元的節(jié)點(diǎn)上施加節(jié)點(diǎn)力，節(jié)點(diǎn)力是根據(jù)空間桿系整體模型計(jì)算得到的內(nèi)力。這里計(jì)算時(shí)采用的軸向壓力為Fy=-51555kN，在2個(gè)小立柱的上表面施加預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生預(yù)壓力，壓力大小為N＝2344kN，作用面是A＝0.053721m2的圓環(huán)。

　　材料特性

　　鋼板：彈性模量2.1×108kN/m2，泊松比0.3；

　　混凝土：彈性模量3.5×107kN/m2，泊松比0.1667；

　　焊釘：剪切剛度1.75×105kN/m（水平和豎向），軸向剛度3.82×107kN/m；

　　實(shí)體單元模型的受力情況

　　混凝土拱壁內(nèi)外側(cè)鋼板的受力　

　　從圖2中可以看出混凝土拱壁內(nèi)外側(cè)鋼板：在拱肋鋼箱的上表面與內(nèi)側(cè)表面相交位置附近以及與開孔板連接的部分的軸向壓應(yīng)力較大，；在拱肋鋼箱的下表面與外側(cè)表面相交位置軸向應(yīng)力較小。

　　焊釘連接件的模擬彈簧單元受力

　　連接腹板鋼板的焊釘模擬彈簧的受力如表1所示

　　連接拱壁外側(cè)鋼板的焊釘模擬彈簧的受力如表2所示

　　連接加勁肋的焊釘模擬彈簧的受力如表3所示

　    從表1，2，3看出由焊釘模擬彈簧傳遞的力很小，所以由焊釘?shù)膫鬟f作用很小，僅起到固結(jié)混凝土和鋼板的作用。

　

　　結(jié)論：

　　（1） 在拱肋鋼箱的上表面與內(nèi)側(cè)表面相交位置附近的軸向壓應(yīng)力較大；在拱肋鋼箱的下表面與外側(cè)表面相交位置軸向應(yīng)力較小。

　�。�2） 彈簧元計(jì)算模型各開孔板豎向模擬彈簧的受力值中，最大值為29.60N,最小值為-38.07N，由模擬開孔板的彈簧元傳遞的力非常小。

　�。�3） 立柱中的焊釘連接件用彈簧元模擬，它們的豎向受力值都不大于18N，說明由它們傳遞的內(nèi)力很小，它們僅僅起到固結(jié)鋼板和混凝土的作用。

　　總而言之，在本文所建立的有限元計(jì)算模型中，由鋼構(gòu)件傳向混凝土構(gòu)件的內(nèi)力，主要是由與混凝土體接觸的端頭封板鋼板通過壓力的形式向下傳遞，過渡段的混凝土體承擔(dān)了大部分的壓力，僅有少量壓力由開孔板連接件傳遞給混凝土體。

　　

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