斜拉桥主梁钢-混凝土结合段受力分析和传力机理研究.pdf
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1、4 2 桥梁检测与加固 2 0 1 0年第 l 期 斜拉桥主梁钢一混凝土结合段受力分析和传力机理研究 黄彩萍 ( 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司, 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要: 结合南昌英雄大桥主梁钢一混凝土结合段模 型试验, 根据钢板与混凝土之间 2 种不同结合方式的假设, 建立 2 个相应的有限元计算模型, 研究斜拉桥主梁钢一混凝 土结合段的应力分布和传力机理。通过模型实测值、 2种有 限元模型计算值三者的对比分析得出: 2 个模型的计算值可 作为模型实测值的上限和下限; 模型顶板钢格室钢板与混凝 土协同工作性能较差, 主要靠剪力钉传力; 模型底板和腹板 钢格室
2、钢板与混凝土协同工作性能较好, 钢格室混凝土密实 性较好; 钢一混凝土结合段混凝土密实性越好, 传递到混凝 土上的力的比例越大, 钢一混凝土结合段安全性能越高。 关键词: 斜拉桥; 主梁; 钢一混凝土结合段; 应力; 传力 机理 为验证其钢一混凝土结合段构造的合理性和承 载能力 , 设计并制作 了几何缩尺比为 1: 2的钢一混 凝土结合段试验模型 , 模型横 向截取 7个箱室中的 1 个箱 室, 纵 向取 6 6 I I 1 , 其 中钢 一混凝 土结 合段 1 5 m, 两端混凝土和钢箱 梁过渡段分别 为 1 6 I T I 和 3 5 m。按照缩尺 比 1: 2换算得到的钢 一混凝 土结合
3、段长 0 7 5 I I 1 , 混凝 土实体段长 0 8 IT I , 钢箱 梁过渡段长 1 7 5 m。另外在模型的两端分别取标 准钢箱梁段 0 7 9 5 m, 标准 昆 凝土箱梁段 3 0 3 m, 模型纵向长度为 7 1 2 ,5 m。图 1 为南 昌英雄大桥钢 混凝土结合段设计示意, 图 2为试验模型 。 1 前言 3 传力机理研究与有限元建模 斜拉桥主梁钢一混凝土结合段由钢箱梁和混凝 土箱梁通过剪力钉、 预应力束、 承压板 、 钢格室等多 种构造连接组成 , 其几何构造复 杂、 传力路径不 明 确, 应力场复杂。 目前 国内外研究资料_I j 和相关 的 桥梁设计规范 2 缺乏对
4、关于钢混凝土结合段受力 和传力机理的阐述和相应条文规定 , 因此 , 本文结合 南 昌英雄大桥 , 通过钢箱梁和混凝土箱梁结合段 的 模型试验和有限元计算分析 , 了解钢箱梁和混凝土 箱梁结合段力的传递和应力分布, 研究其传力机理。 2 工程与模型试验概况 南 昌英雄大桥 为倾斜独塔空 间扭 曲背索斜拉 桥 , 跨径组成为( 1 0 9 +1 8 8 +8 8 )m。其 中 1 0 9 m边 跨主梁为预应力混凝土箱梁 , 塔、 梁、 墩固结。预应 力混凝土箱梁伸过桥塔 1 0 5 m, 通过 1 5 m钢混 凝土结合段与钢箱梁连接。钢一混凝土结合段横向 共 7个箱室 , 在顶板、 底板、 腹板
5、均设置构造小钢格 室 , 内焊剪力钉 , 钢格室内部灌注混凝土 , 混凝 土箱 梁内贯穿预应力钢束与承压板连接。 南昌英雄大桥组合荷载均由钢箱梁传递到钢一 混凝土结合段 , 再 由钢一混凝土结合段传递到混凝 塑堕 递 凝土箱梁 。 ( 实体段)( 1 Q 混凝土结合段) 劲肋 , 。 分界板 承压板 横隔板, 卜 _ 1 底 板 T 形 加 劲 肋 横 隔 板 加 劲 肋 图 1 钢 一混凝土结合段 设计 示意 图 2 试验模型 收稿 品期 :2 0 1 0 一O 3 2 1 作者简介 : 黄彩萍 ( 】 9 8 3 一) , 女 , 助理工程师 , 2 0 0 4年毕业 于武汉科技大学土木工
6、程专业 , 工学学士 , 2 0 0 7年毕业于华中科 技大学土木工程与 力学学院结构专业 , 工学硕士。 , 引 一m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4期 斜拉桥主梁钢一混凝土结合段受力分析和传力机理研究 4 3 土箱梁。钢一混凝土结合段在构造上 由钢格室 、 混 凝土 、 预应力钢绞线 、 剪力钉、 承压板 等构件组合而 成 , 钢一混凝土结合段混凝土的密实程度和钢板 与 混凝土的结合程度影响力的传递。 结合南昌英雄大桥工程主梁钢一混凝土结合段 模型试验结果 , 对 钢板 与混凝 土的结 合程度有 2 种假设 : 假设在弹性状态下钢一混凝土结合段钢
7、板与混凝土粘结完好 、 不分离、 无滑移、 协同受力及 变形 ; 由于纵向预应力作用于承压板与混凝土箱 梁 , 且承压板紧贴在混凝土横梁的梁端 。假设承压 板与混凝土之间在受压状态下粘结完好 、 不分离 、 无 滑移、 协同受力及变形 , 但混凝土与其他钢板处于分 离状态 , 两者的摩擦作用可以忽略不计| 4 j 。 根据以上 2种假设 , 认为钢一混凝土结合段有 2种不同的传力机理 : 钢箱梁传递到承压板上 的 力先 以不同的比例分别传递给钢一混凝土结合段钢 格室钢板和混凝土 , 并最终传递 至混凝土箱梁 ; 钢箱梁传递到承压板上的力一部分传递到钢一混凝 土结合段混凝土、 另一部分是传递 到
8、钢 一混凝土结 合段钢格室钢板, 再 由钢板上的剪力钉传递给钢一 混凝土结合段混凝土 , 最终传递至混凝土箱梁 。 根据以上 2种假设 和 2种不同的传力机理 , 钢 一 混凝土结合段的有 限元计算有 2种模拟方式 : 模 型 1 , 钢一 昆 凝土结合段钢板 与混凝土节点位移 完全耦合。 模 型 2 , 钢 一混凝土结合段承压板与 混凝土节点位移完全耦合, 其他钢板不考虑混凝土 分离 , 通过剪力钉连接 。 采用有限元软件 ANS YS根据设计建立以上 2 个空间有限元模型( 图 3 ) 。其中模型 1和模型 2 钢 格室钢板和钢箱梁采 用空 间板单元模拟, 混凝 土采 用实体单元模拟, 边
9、界条件按实际约束给出; 模型 2 剪力钉采用弹簧单元模 拟( 图 4 ) , 根据相关试验结 果l_ 5 J , 弹簧单元抗剪 刚度 K一7 5 6 0 0 N ram, 模型 2 剪力钉设在钢一混凝 土结合段 内表面, 因此外 观与 模型 1一致 ; 其余各材料特性均按实际定义。 4 试验结果与有限元计算结果的对 比分析 4 1 试验结果与有限元计算结果 南昌英雄大桥钢一混凝土结合段的模型试验对 模型分别进行 了正常使用荷载、 承载能力极限荷载、 超载的加载【 3 , 其加载的荷载 为轴力、 绕 z轴弯矩 和Y方向剪力共同组成的组合荷载( 其中 为截面 横 向, Y 为截 面竖 向 , z
10、为顺桥 向) 。 在超 载作用下 , 图 3 剪力钉 ( 弹簧单元 ) 模型 1 、 2有限元计算模型 图 4 计算模型 2剪力钉模拟 钢 一混凝土结合段各构件仍处于弹性状态, 因此本 文仅将承载能力极 限荷载作用时试验结果与 2种有 限元模型计算结果进行对 比分析。 南 昌英雄大桥钢一混凝土结合段的模型试验应 变测点布置较多 3 , 本文对 比分析 了钢箱梁 、 钢一混 凝土结合段 、 混凝土箱梁的顶板 、 底板 、 腹板沿 方 向布置应变测点 ( 图 5 ) 实测值 与有限元计 算结果 ( 图 6 ) 。钢箱梁 、 钢一混凝 土结合段 、 混凝土箱梁的 顶板 、 底板、 腹板测点沿纵 向分
11、别 布置在 2 O个横断 面上, 图 6中坐标值 为负 的测点 为钢箱 梁侧 , 0 1 5 5 m 为钢一混凝土结合段及实体段 , 1 5 5 2 6 m为混凝土箱梁侧。 腹板第l 腹板第2 腹板第3 顶板 第 l 列测 点 顶 板第 2 列 测 点 底板第1 列测点 底板第2 列测点 单位: m 图 5 顶板 、 底板、 腹板测点布 置横 断面 4 2 2种有限元计算结果对比分析 ( 1 )模型 1和模型 2 最主要的差异是模型 1钢 一 混凝土结合段整个截面参 与抗 压和抗弯, 而模型 2 在钢混凝土结合段混凝土分担 的力是通过剪力 钉传递而来 的, 其钢 一混凝土结合段混凝土不是全 截
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