钢与混凝土组合拱肋接合部受力性能分析

　　摘要：大桥主桥位于R=9000m的凸形竖曲线内，为300m跨径的非对称肋拱桥。拱肋由钢箱节段和混凝土节段组成，东西两拱肋向外倾斜，位于各自的拱平面内。大桥为钢与混凝土组合拱结构。为了保证各种内力的可靠传递，接合部采用焊钉以及开孔板2种连接件使钢与混凝土形成整体，构造复杂，技术含量很高，国内外可供参考的资料较少。开孔板连接件由于具有很大的刚度、强度及其抗疲劳性能，适用于荷载相对较大、对抗疲劳性要求较高的桥梁结构中。本文建立了钢与混凝土组合拱肋接合部局部试件的空间计算模型，将开孔钢板连接件用实体单元加以模拟，分析了组合拱连接部和开孔板的受力性能。
　　关键词：组合拱桥，开孔板连接件，受力性能
　　
　　工程背景
　　大桥的主桥和引桥全部位于R=1500米的平曲线内，采用单折线形的路拱形式。主桥全部位于R=9000米的凸形竖曲线内，为300米跨径的非对称肋拱桥，由两条倾斜的钢箱拱肋、桥面曲线钢箱梁、倾斜的吊杆、系杆及肋间平台，共同构成一个多元化的空间结构体系，见图1所示
　　
　　拱肋由钢箱段和混凝土段组成，东西两拱肋向外倾斜，位于各自的拱平面内。钢箱拱肋采用等宽变高的单箱单室截面，拱肋宽度7.4m，钢箱拱肋高度由跨中的5.6m，渐变至钢与混凝土组合连接部位置的10m，混凝土箱拱肋由与混凝土组合连接部位置的10.1m，渐变至拱脚位置的14.62m，拱肋钢箱截面、混凝土箱截面构造与尺寸见图2所示。其中钢箱拱肋在标准节段的厚度为20mm，在钢混连接部位的厚度为24mm，钢箱拱肋的四周布置了纵向扁钢加劲肋，其中混凝土拱肋的厚度为80cm。
　　拱肋中钢混连接部位由三部分组成：
　　① 1.16m长的钢箱部分，该部分的钢箱纵向加劲肋从20×210mm渐变为20×480mm；
　　② 1m长的焊钉部分，该部分共有28个小立柱，立柱的外表面是钢板，立柱的内部填充混凝土，钢板与混凝土之间设置了φ19×90的焊钉；
　　③ 0.56m长的开孔钢板与混凝土的过渡段，该部分的开孔钢板布置在28个小立柱的下面，在该部位的混凝土的内外表面上还布置了厚度20mm的钢板。
　　另外在拱肋钢混连接部位还布置了28根15.24－15预应力钢束，预应力钢束的一端锚固在小立柱顶部的加强横隔板处，分别贯穿28个小立柱，另一端伸入到拱肋的混凝土中。
　　
　　
　　组合拱肋连接部试件的计算模型
　　
　　3.1组合拱肋连接部试件设计
　　
　　为了分析大桥钢混组合拱肋接合部各部分的应力大小及分布、钢与混凝土间的传力机理、验证连接部细部构造设计的合理性，用ANSYS建立钢混接合部段两根小立柱范围的局部空间计算模型用以分析研究。
　　设计高度方向包括从第一过渡段顶部到第三过渡段底部、宽度方向包括2个封闭立柱、厚为壁厚的拱箱腹板的局部模型。
　　模型高3211mm、宽2493mm、厚800mm的组合拱壁，并设置3740×1240×300mm的加载底座。模型比例为1:1，共计1个试件。
　　
　　3.3实体单元模拟的计算模型
　　3.3.1实体单元计算模型
　　对比有限元计算模型，采用了空间混合有限元方法计算，在连接部建立全真的有限元计算模型，其中除了混凝土拱璧内、外侧板及端头封板的钢板采用板单元模拟外，开孔板连接件等其余所有钢板用壳单元模拟，混凝土用体单元模拟，焊钉采用三维的弹簧单元模拟。
　　在有限元建模时
　　①加强横隔板钢板与小立柱混凝土的上表面相连部分有公共节点，
　　②混凝土封头端板钢板与小立柱混凝土的下表面以及混凝土箱的上表面有公共节点，
　　③混凝土侧板、开孔钢板与混凝土有公共节点，
　　④小立柱混凝土与四周的钢板分离，在焊钉位置处通过三维弹簧元二者相连。
　　边界条件及荷载
　　根据混合有限元模型，把底部混凝土梁单元的节点固结，在顶部钢箱梁单元的节点上施加节点力，节点力是根据空间杆系整体模型计算得到的内力。这里计算时采用的轴向压力为Fy=-51555kN，在2个小立柱的上表面施加预应力钢束产生预压力，压力大小为N＝2344kN，作用面是A＝0.053721m2的圆环。
　　材料特性
　　钢板：弹性模量2.1×108kN/m2，泊松比0.3；
　　混凝土：弹性模量3.5×107kN/m2，泊松比0.1667；
　　焊钉：剪切刚度1.75×105kN/m（水平和竖向），轴向刚度3.82×107kN/m；
　　实体单元模型的受力情况
　　混凝土拱壁内外侧钢板的受力
　　
　　从图2中可以看出混凝土拱壁内外侧钢板：在拱肋钢箱的上表面与内侧表面相交位置附近以及与开孔板连接的部分的轴向压应力较大，；在拱肋钢箱的下表面与外侧表面相交位置轴向应力较小。
　　焊钉连接件的模拟弹簧单元受力
　　连接腹板钢板的焊钉模拟弹簧的受力如表1所示
　　
　　表1连接拱壁内侧钢板的焊钉模拟弹簧受力表

　　
　　连接拱壁外侧钢板的焊钉模拟弹簧的受力如表2所示
　　表2接近拱壁外侧钢板的焊钉模拟弹簧受力表

　　
　　连接加劲肋的焊钉模拟弹簧的受力如表3所示
　　表3接近加劲肋的焊钉模拟弹簧受力表

　　从表1，2，3看出由焊钉模拟弹簧传递的力很小，所以由焊钉的传递作用很小，仅起到固结混凝土和钢板的作用。
　　
　　
　　
　　结论：
　　（1） 在拱肋钢箱的上表面与内侧表面相交位置附近的轴向压应力较大；在拱肋钢箱的下表面与外侧表面相交位置轴向应力较小。
　　（2） 弹簧元计算模型各开孔板竖向模拟弹簧的受力值中，最大值为29.60N,最小值为-38.07N，由模拟开孔板的弹簧元传递的力非常小。
　　（3） 立柱中的焊钉连接件用弹簧元模拟，它们的竖向受力值都不大于18N，说明由它们传递的内力很小，它们仅仅起到固结钢板和混凝土的作用。
　　总而言之，在本文所建立的有限元计算模型中，由钢构件传向混凝土构件的内力，主要是由与混凝土体接触的端头封板钢板通过压力的形式向下传递，过渡段的混凝土体承担了大部分的压力，仅有少量压力由开孔板连接件传递给混凝土体。
　　
　　参考文献
　　[1]刘玉擎.组合结构桥梁[M].人民交通出版社,2005.
　　[2]张立明.algor,ansys在桥梁工程中的应用方法与实例,人民交通出版社,2003.
　　[3]薛立红.钢管混凝土抗剪连接件的试验研究，建筑科学，1998年第1期.
　　[4]池田尚治等.钢-混凝土组合结构设计手册(中译本).1992.
　　[5]朱聘儒等.钢-混凝土组合梁协调工作的分析及试验.建筑结构学报,1987.