组合连续梁桥负弯矩区段抗拔不抗剪连接件布置方案优化

王 迪，孟令佩，卜建清，庞志强

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；
2.石家庄铁道大学 四方学院，河北 石家庄 051132；
3.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100001)

由于钢-混凝土组合梁桥结构形式合理且具有显著的技术经济效益，组合结构桥梁在桥梁建设当中的应用越来越广泛。然而，在钢-混凝土组合连续梁桥负弯矩区域，混凝土开裂问题严重影响了桥梁结构的安全性及耐久性，制约了钢-混凝土组合桥梁的推广和发展。近几年，抗拔不抗剪连接件(URSP连接件)这种新型的连接构造能够有效减小桥梁负弯矩区混凝土板拉应力[1-5]，为解决混凝土开裂问题提供了一个新的思路。

然而这种新型连接件在实际工程运用中，考虑到现场施工方便，此布置均采用均匀布置的形式，此布置方案的合理性缺乏研究。对于钢-混凝土组合桥梁连接件布置，均匀布置形式会造成连接件刚度和强度得不到充分利用，导致资源浪费[6-9]，有必要对组合连续梁桥负弯矩区段连接件布置形式进行深入研究。本文以某实际钢-混凝土组合曲线连续梁桥为工程背景，对采用URSP连接件的钢-混凝土组合曲线连续梁桥负弯矩区段的力学行为进行分析，并基于力学行为分析结果对现有连接件布置设计方案进行优化，旨在为后续此类桥型连接件布置设计提供一定的参考借鉴。

本文以某钢-混凝土组合曲线连续梁桥为工程背景，桥梁跨径布置为(24+31+31+24) m，曲率半径为120 m，桥面宽10.5 m。主梁高度为1.6 m，截面形式为双箱单室截面，两个钢箱梁之间由横梁横隔板及横向联系梁连接。全桥桥面板选用C50的混凝土，混凝土顶板厚35 cm，翼缘板宽2.214 m，端部厚18 cm，桥面板截面尺寸沿顺桥向方向不变。主梁中钢箱梁截面形式为闭口截面，钢箱梁主体结构选用Q345C级钢材，其中梁高1.25 m，顶板宽2.68 m，底板宽1.89 m，两个钢箱梁相距1.4 m。

曲线组合连续箱梁桥正弯矩区采用φ22圆柱头栓钉连接件，栓钉连接件沿横桥向方向间距0.12 m，沿顺桥向方向间距0.15 m。负弯矩区采用URSP连接件，该连接件沿横桥向方向与顺桥向方向间距均为0.25 m。为了减小钢箱梁底板的压应力，防止其发生局部失稳，在桥梁边支座1 m的范围及中支座10 m的范围内，在钢箱梁底板内灌注厚度为0.30 m的C50混凝土。该桥梁主梁横断面如图1所示。

图1 主梁横断面(单位：mm)

2.1 有限元模型

2.1.1负弯矩区段子模型建立

利用ABAQUS中子模型模拟分析技术，分别建立网格相对粗糙的整体全桥模型及负弯矩区节段局部精细化模型，局部模型切割部分的边界条件由整体模型相应位置的解插值而来。文中局部区域节段模型混凝土板两侧采用基于面的子模型模拟技术，即使用整体模型的应力结果驱动子模型中混凝土板两侧区域；
局部区域钢箱梁两侧采用基于节点的子模型模拟技术，即使用整体模型的节点位移结果驱动子模型中钢箱梁两侧区域。有限元模型如图2所示。

(a)全桥有限元模型

2.1.2单元类型

桥面板混凝土以及钢箱梁底部填充混凝土采用实体单元(C3D8R)模拟；
构造钢筋采用桁架单元(T3D2)模拟；
钢主梁、加劲肋、横隔板及横向联系梁采用壳单元(S4R)模拟; URSP连接件及栓钉连接件采用连接单元(CONN3D2)模拟。

2.1.3连接件模拟

连接件采用连接单元(CONN3D2)进行模拟，并赋予连接单元三维非线性弹簧属性。对于普通栓钉连接件荷载-滑移非线性关系采用文献[10]所提出的二折线公式,对于URSP连接件荷载-相对位移关系依据有限元仿真结果而来。建模时,普通栓钉连接件横向每2个连接件数量等效为一个连接件,纵向数量不变,URSP连接件数量与实际一致。

2.1.4相互作用属性

桥面板与钢箱梁顶板采用面面接触(Surface-to-surface contact)的相互作用形式，接触时传递法向作用力及切向作用力，法向行为设置为“硬(Hard Contact)”接触,切向行为设置为“罚(Penalty)”接触。箱梁底部填充混凝土与钢箱梁采用绑定接触(Tie)的作用形式，不考虑填充混凝土与钢箱梁底板的相对滑移。不考虑钢筋的黏结滑移，将钢筋内置于混凝土板中，选择内置区域(Embedded region)来模拟其相互作用关系。在钢箱梁中，加劲肋与横隔板部分在底部的混凝土中，建模时将混凝土中的加劲肋与横隔板分隔出来作为一个集合，内置于底部混凝土当中。

2.1.5荷载组合工况

荷载设计组合考虑永久作用及可变作用对梁桥受力影响。桥梁上部结构作用主要考虑恒载、汽车荷载、温度作用以及基础变位作用，荷载组合工况如表1所示。

表1 荷载组合工况

其中对于汽车荷载，将采用车辆荷载计算，车辆模型采用文献[11]所建议的五轴车辆模型，通过DLOAD子程序实现移动荷载的模拟。采用文献[11]中所建议的竖向温度梯度曲线考虑温度梯度的变化，编写UTEMP子程序进行全桥温度场的施加。

2.2 结果分析

2.2.1负弯矩区混凝土桥面板受力分析

为探究局部节段模型混凝土桥面板受力特性，本文选取支座截面为研究截面。分析不同荷载工况下局部节段模型支座截面平均拉应力随时间变化规律，如图3所示。

图3 支座截面拉应力时程曲线

由图3可知，在不同荷载工况作用下，支座截面平均拉应力值大于0，支座截面混凝土受拉。4种荷载工况下，支座截面平均应力最大值分别为1.43、2.18、0.35、1.01 MPa，工况2作用下，截面平均应力值远高于其他3种荷载工况。当车辆行驶至第二跨和第三跨跨中区域附近时，支座截面平均拉应力值较高。当车辆行驶至最不利位置时，负弯矩区混凝土桥面板应力结果见表2。

表2 负弯矩区混凝土桥面板应力结果

通过表2可知，不同荷载工况对混凝土板受力有较大影响，工况2为最不利荷载组合形式。曲线梁桥外侧区域，弯扭耦合效应加剧，最大拉应力出现在外侧区域，温度作用对混凝土拉应力值有较大的影响。

2.2.2连接件受力分析

当车辆行驶至最不利位置时，提取并绘制节段模型连接件内力云图，如图4所示。

(a)工况1作用下连接件内力云图

通过图4可知，不同荷载工况对连接件受力影响较为显著。工况2为最不利荷载工况，此工况下连接单元合力最大值为56.44 kN，即栓钉连接件所受合力最大值为28.22 kN，均大于其余荷载工况连接件内力合力最大值。在URSP连接件与普通栓钉连接件交界处，内力水平有明显分界，在交界处区域外侧，普通连接件有很大的剪力集中现象，表明此处对栓钉连接件的抗剪承载能力有着更高的要求。

3.1 连接件布置方案设计

通过负弯矩区段受力分析结果可知，在URSP连接件与普通栓钉连接件交界处区域外侧，普通栓钉连接件有很大的剪力集中现象。对此，本文对现有连接件布置方案进行优化，在不同连接件交界处区域设置长度1 m的过渡段区域，通过改进过渡段区域内连接件的布置形式，来解决部分普通栓钉连接件剪力集中问题。

论文提出了3种过渡段连接件布置方案，在过渡段区域内，连接件顺桥向间距为250 mm，连接件横桥向间距与原方案一致。在1 m的过渡区域内，URSP连接件经过6排，每排数量减少4个，逐步过渡到0个。①方案一：两钢箱梁顶板URSP连接件过渡形式一致，均从内侧逐步减少其数量，最终使得URSP连接件在过渡区间内呈现“双斜杠”型分布。②方案二：内侧钢箱梁顶板URSP连接件从曲线桥梁外侧逐步减少其数量，外侧钢箱梁顶板URSP连接件从曲线桥梁内侧逐步减少其数量，最终使得URSP连接件在过渡区间内呈现“V”型分布。③方案三：两钢箱梁顶板URSP连接件过渡形式一致，均从中间向两侧逐步减少其数量，最终使得URSP连接件在过渡区间内呈现“W”型分布。连接件布置方案如图5所示。

(a)过渡段连接件布置方案一

3.2 连接件不同布置方案对比分析

工况2为最不利荷载组合形式。考虑在最不利荷载组合形式作用下，分析不同布置方案对负弯矩区段中连接件和混凝土板受力特性的影响。

3.2.1连接件内力分析

当车辆行驶至最不利位置时，提取并绘制不同布置方案下节段模型连接件内力云图，如图6所示。

(a)方案一布置下连接件内力云图

通过图6可知，各个布置方案下，不同连接件交界处均有不同程度的受力集中现象。方案一到方案三，连接件所受内力最大值分别为25.93、25.63、23.31 kN。对比原始布置方案，3种布置方案下，连接件所受内力最大值分别降低8.13%、9.18%、17.40%。方案三的布置形式能够有效地改善曲线外侧箱室不同连接件交界区域上普通栓钉连接件受力集中现象。

当车辆行驶至最不利位置时,提取连接件顺桥向方向及横桥向方向剪力云图,如图7～图10所示。

(a) 顺桥向方向剪力云图

(a) 顺桥向方向剪力云图

(a) 顺桥向方向剪力云图

(a) 顺桥向方向剪力云图

分析图7～图10,发现3种连接件布置方案下,连接件顺桥向方向及横桥向方向的剪力最大值相比原始布置方案,均有不同程度的降低。3种不同布置方案在顺桥向方向剪力最大值分别为23.29、23.06、21.10 kN,相比原始布置方案,剪力最大值分别降低6.01%、6.94%、14.85%。而连接件横桥向方向剪力最大值分11.38、11.19、11.45 kN,相比原始布置方案,剪力最大值分别降低10.32%、11.86%、9.77%,下降程度均在10%左右。

通过表3可知,过渡段设计方案使得连接件剪力集中问题得到明显改善,综合对比3种方案,方案三布置更为合理,不同连接件交界处普通栓钉连接件受力更为均匀。

表3 不同布置方案下连接件受力特性对比

3.2.2混凝土板受力分析

过渡段设计会大幅改善不同连接件交界处区域外侧普通栓钉连接件剪力集中现象，使结构受力更加合理。然而过渡段设置会少量增加普通栓钉连接件数量，继而增加界面的抗剪刚度、增强混凝土板与钢箱梁间的组合作用。在多种荷载组合作用下，混凝土板与钢箱梁间的组合作用增强将会对负弯矩区混凝土产生一些不利影响。为探究过渡段连接件不同布置方案设计对混凝土板受力影响，将对比分析不同布置方案下负弯矩区混凝土板最大拉应力与截面平均应力变化。

图11为车辆行驶至最不利位置时，各个布置方案下混凝土桥面板最大主应力分布云图。由图11可知，在各个布置方案下，混凝土桥面板拉应力最大值分别为6.279、6.292、6.298 MPa，相比原始布置方案下混凝土板拉应力最大值仅提高1.08%、1.29%、1.38%。过渡段设计方案对混凝土桥面板拉应力最大值影响程度较小，仅在1%左右。

(a)方案一布置下桥面板应力云图

分析不同布置方案下支座截面应力平均值随时间变化，支座截面应力时程曲线如图12所示。不同布置方案下混凝土受力特性对比如表4所示。在各个布置方案下，混凝土桥面板支座截面平均应力最大值分别为2.230、2.229、2.232 MPa，平均应力最大值较为接近。相比原始布置方案下混凝土桥面板支座截面平均应力最大值仅提高2.11%、2.06%、2.20%。过渡段设计方案对混凝土桥面板支座截面平均应力影响较小。

表4 不同布置方案下混凝土受力特性对比

图12 支座截面应力时程曲线

分析表4，采用过渡段设计方案对混凝土板受力影响很小，综合连接件受力考虑，过渡段设计具有必要性和可行性。

论文通过建立负弯矩区节段精细化有限元模型，对采用URSP连接件的钢-混凝土组合曲线连续梁桥负弯矩区段的力学行为进行研究，基于力学行为分析结果提出3种过渡段连接件布置方案，并对比分析不同连接件布置方案对连接件和混凝土板受力特性的影响，得到以下结论：

a.多种设计荷载工况下，连接件整体内力较低。在URSP连接件与普通栓钉连接件交界处区域外侧，普通连接件有很大的剪力集中现象，建议在桥梁设计时应格外注意。

b.论文中提出的过渡段设计方案能够有效改善连接件剪力集中问题。过渡段URSP连接件呈“W”型布置更为合理，在此布置形式下，连接件所受内力最大值降低17.40%，连接件顺桥向方向以及横桥向方向的剪力最大值分别降低14.85%和9.77%。

c.采用过渡段设计方案对混凝土板受力影响很小，综合连接件受力考虑，过渡段设计具有必要性和可行性。

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