鐵路斜拉橋鋼混結(jié)合段傳力途徑分析與研究
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
聶利芳
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)
摘要鐵路上采用混合梁斜拉橋具有一定的優(yōu)勢(shì)。由于鋼一混結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜、傳力途徑類型多樣，依托甬江特大橋，采用有限元分析方法，研究鋼一混結(jié)合段各板件的傳力機(jī)理，得出鋼一混結(jié)合段不同位置各板件分擔(dān)的內(nèi)力比例，表明通過(guò)鋼箱過(guò)渡段、鋼一混結(jié)合段、混凝土過(guò)渡段，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)力均勻傳遞。
關(guān)鍵詞 混合梁 鋼一混結(jié)合段 傳力途徑 過(guò)渡段
混合梁斜拉橋相比常規(guī)鐵路斜拉橋，具有以下特點(diǎn)：邊跨混凝土梁自重和剛度大，增強(qiáng)了對(duì)主跨的錨固作用，減小了主跨梁體內(nèi)力和變形，使結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的跨越能力和良好的行車剛度條件；混凝土邊跨提高了結(jié)構(gòu)整體豎向剛度；混凝土梁伸入主跨使鋼箱梁長(zhǎng)度縮短有利于節(jié)省投資等。自20世紀(jì)70年代世界第一座混合斜拉橋——庫(kù)爾特一舒馬赫橋在西德建成以來(lái)，目前已在歐、美、日及我國(guó)跨江跨海通道得到廣泛應(yīng)用。
鋼一混結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜、傳力途徑類型多樣，目前我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范尚無(wú)相關(guān)條文規(guī)定。依托寧波鐵路樞紐北環(huán)線53 m+50 m+50 m+66 m+468m+66 m+50 m+50 m+53 m甬江特大橋，建立有限元模型．通過(guò)對(duì)斜拉橋中鋼箱梁和混凝土箱梁的結(jié)合部位進(jìn)行有限元分析，研究鋼混結(jié)合段各板件的傳力機(jī)理，可供同類型混合梁結(jié)合段設(shè)計(jì)參考。
1 有限元模型
根據(jù)圣維南原理，模型選取39. 14 m梁段，包括14. 45 m標(biāo)準(zhǔn)混凝土段、3m混凝土箱梁過(guò)渡段、2m橫隔梁段、4.05 m鋼一混過(guò)渡段、5.0 m鋼箱梁過(guò)渡段，以及10. 64 m標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁段，見(jiàn)圖1。
預(yù)應(yīng)力鋼筋采用桿軸方向拉壓的三維桿單元LINK8模擬，混凝土采用具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)的SOL-ID45單元模擬，鋼箱梁板件采用SHELL63單元模擬鋼箱梁板件。實(shí)橋中采用了大量的剪力釘和剪力鍵保證鋼板與混凝土之間的連接，為了了解鋼混結(jié)合段傳力規(guī)律，模型中假定預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間，鋼板與混凝土之間沒(méi)有滑移，協(xié)調(diào)受力與變形。預(yù)應(yīng)力鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)之間采用節(jié)點(diǎn)耦合法的方式連接；鋼板節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)之間采用約束方程法進(jìn)行連接。
考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，采用大型有限元分析軟件ANSYS建立一半結(jié)構(gòu)的有限元模型，沿橋梁順橋向約束混凝土端的所有位移，使之處于懸臂狀態(tài)，橫橋向沿橋梁中線約束所有節(jié)點(diǎn)UX，ROTY和ROTZ 3個(gè)方向的自由度。ANSYS計(jì)算模型見(jiàn)圖2。
2有限元分析結(jié)果
選取整體計(jì)算模型非固定端（鋼箱梁段）的最大／最小軸力、最大／最小剪力、最大／最小彎矩6組工況（見(jiàn)表1），外力通過(guò)剛性面方式加載在截面形心位置。本橋?yàn)閱尉�鐵路斜拉橋，扭矩和橫向彎矩都很小，文中忽略不計(jì)，因此也忽略了箱梁部分的畸變，但剪滯效應(yīng)依然存在�；炷羺^(qū)域的預(yù)應(yīng)力以初應(yīng)變方法施加。
2.1 鋼箱過(guò)渡段
鋼箱過(guò)渡段選取A，B，C，D共4種典型截面，在ANSYS中通過(guò)路徑積分法和單元節(jié)點(diǎn)求和方法提取結(jié)果。
(1)縱向力分配。以工況一為例，各截面中腹板、邊腹板、邊板、頂板、平底板和斜底板縱向應(yīng)力分擔(dān)比例及變化規(guī)律見(jiàn)圖3。
從A-A截面到D-D截面，頂、底板T肋承擔(dān)的縱向力比例逐漸上升，而頂板及其加勁肋、底板及其加勁肋承擔(dān)的縱向力比例逐漸減少，邊腹板及其加勁肋承擔(dān)縱向力比例亦逐漸減少，但幅度比較平緩。整體變化趨勢(shì)表明頂?shù)装宄袚?dān)的力逐漸往頂?shù)装錞型加勁肋轉(zhuǎn)移。工況二、五、六各板件的變化規(guī)律同工況一，量值略有變化。
(2)豎向剪力分配。各板件豎向剪力分擔(dān)比例見(jiàn)圖4。
由圖4可見(jiàn)：工況三，在剪力最小工況作用下，從A-A截面到D-D截面，截面剪力主要由中腹板、邊腹板、邊板和斜底板承擔(dān)，其中中腹板承擔(dān)大部分約60%的剪力，邊腹板承擔(dān)約20%的剪力，邊板和斜底板承擔(dān)約10%的剪力。
工況四，在剪力最大工況作用下，從A-A截面到D-D截面，截面剪力仍然主要由中腹板、邊腹板、邊板和斜底板承擔(dān)；由于該工況剪力與自重反向，中腹板、斜底板承擔(dān)大部分的剪力，且比例逐漸增大；邊腹板和邊板承擔(dān)的剪力比例逐漸減小，過(guò)渡至C-C和D-D截面，承擔(dān)反向剪力。
2.2端承壓板兩側(cè)對(duì)比
考察E左一E左截面、E右-E右截面應(yīng)力變化情況，分析端承壓板兩側(cè)內(nèi)力傳遞規(guī)律。
(1)縱向力分配。工況一模型非約束端同時(shí)施加縱向軸力，豎向剪力和縱向彎矩，考慮端承壓板處縱向預(yù)應(yīng)力筋的作用，各板件承擔(dān)的縱向力見(jiàn)表2～表4。
從E右一E右截面到E左—E左截面，頂、底板以及腹板承擔(dān)的縱向力減少，逐漸轉(zhuǎn)移為鋼格室和混凝土承擔(dān)。工況二、五、六縱向力分配規(guī)律同工況一。
(2)豎向剪力分配。
由表3可見(jiàn)：從E右-Ea截面到E左-E左截面，中腹板、邊腹板、邊板以及斜底板承擔(dān)的剪力減少，逐漸轉(zhuǎn)移為鋼一混凝土承擔(dān)。
由于Q，…工況剪力方向與自重方向相反，導(dǎo)致Ea -E右截面的邊腹板、邊板，E左一E左截面的斜底板出現(xiàn)反號(hào)，但考慮邊腹板和邊板總體上承擔(dān)剪力較小，不影響鋼一混結(jié)合段整體傳力規(guī)律。
2.3 橫隔梁及混凝土箱梁過(guò)渡段
橫隔板及混凝土箱梁過(guò)渡段，各板件縱向力分擔(dān)比例見(jiàn)圖5，豎向力分擔(dān)比例見(jiàn)圖6。
(1)縱向力分配。
工況一從I右—I右截面到K截面，腹板邊板以及鋼格室分擔(dān)的比例逐漸減少，I截面和I，截面頂板、底板分擔(dān)比例變化不大，混凝土縱向力分擔(dān)比例逐漸增加，至K截面時(shí)，基本上已承擔(dān)全部縱向力。說(shuō)明在該區(qū)段內(nèi)已完成內(nèi)力傳遞。
工況二、五、六板件內(nèi)力分配規(guī)律同工況一。
(2)豎向剪力分配。
工況三從I右—I右截面到K截面，混凝土承擔(dān)大部分的剪力，鋼結(jié)構(gòu)的中腹板、邊腹板、邊板和斜底板承擔(dān)的剪力很少，基本可以忽略不計(jì)，至K截面時(shí)，混凝土基本上已承擔(dān)全部剪力。
工況四分配規(guī)律同工況三。
2.4面積比與縱向力關(guān)系
以A-A和D-D截面為例，模型非約束端單獨(dú)施加縱向力作用下，分析各板件面積比與縱向力分擔(dān)比例的關(guān)系，見(jiàn)表5。
A-A截面的縱向力分擔(dān)比例與各板件的截面面積基本呈比例關(guān)系；D-D截面與承壓板相連，各板件截面面積與其內(nèi)力基本實(shí)現(xiàn)分配均勻的設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明本設(shè)計(jì)構(gòu)造比較合理。
3結(jié)語(yǔ)
(1)鋼箱過(guò)渡段。從A-A截面過(guò)渡到D-D截面，頂、底板承擔(dān)的縱向力逐漸向T肋轉(zhuǎn)移。在Qymi。/Q，…工況作用下，鋼箱過(guò)渡段的剪力主要由中腹板承擔(dān)。
(2)端承壓板兩側(cè)。在端承壓板兩側(cè)，即從Ea截面到E左截面，鋼結(jié)構(gòu)頂板、底板、以及腹板承擔(dān)的縱向力逐漸轉(zhuǎn)移為鋼格室和混凝土承擔(dān)。在Qymi。/Q。。。。工況作用下，承壓板兩側(cè)（從E右截面到E≥截面），剪力也逐漸轉(zhuǎn)移為鋼一混凝土承擔(dān)。
(3)混凝土橫隔梁及混凝土箱梁過(guò)渡段。從I右截面到K截面，腹板、邊板以及鋼格室分擔(dān)的比例逐漸減少，混凝土縱向力分擔(dān)比例逐漸增加。至J截面混凝土已承擔(dān)約78%的縱向力，至K截面混凝土基本已承擔(dān)全部縱向力。在Q，。，。/Q，…工況作用下，從I右截面到K截面，混凝土承擔(dān)大部分的剪力，中腹板、邊腹板、邊板和斜底板承擔(dān)的剪力很少，基本可以忽略不計(jì)，至K截面時(shí)，混凝土基本上已承擔(dān)全部剪力。
(4)研究發(fā)現(xiàn)，縱向力分擔(dān)比例與各板件截面面積相關(guān)，頂、底板T肋漸變加高有利于內(nèi)力均勻傳遞。
通過(guò)設(shè)置鋼箱梁過(guò)渡段、鋼一混結(jié)合段以及混凝土過(guò)渡段，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)力的均勻傳遞，表明這種鋼一混結(jié)合段設(shè)計(jì)方式是合理的。
