歐陽輝來

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，陜西西安 710043)

1 工程概況

本結構為西安至平?jīng)鲨F路跨越銀川至武漢高速公路而設，共有3處橋位用到此結構。由于橋梁的建筑高度受限，加之位于高速公路之上，路中分隔帶上布設有管線，不具備設置中間墩的條件，因此采用1-80 m鋼—混凝土組合桁架橋。

桁架上弦桿為鋼筋混凝土結構，截面高度1.2 m，寬度1.0 m;下弦桿為預應力混凝土結構，截面高度1.5 m，底寬7.6 m;腹桿采用650 mm×550 mm的矩形鋼箱，鋼箱材質(zhì)為 Q345qE，采用壁厚 16，24，32和40 mm 4種規(guī)格。具體構造見圖1和圖2。

節(jié)點構造:兩塊厚為90 mm的鋼板預埋在弦桿混凝土中，伸出兩塊耳板與鋼腹桿焊接，具體構造見圖3。

圖1 結構立面構造(單位:cm)

圖2 結構橫斷面構造(單位:cm，鋼箱腹桿規(guī)格:mm)

圖3 節(jié)點構造(單位:mm)

2 節(jié)點非線性分析

2.1 分析的必要性

鋼—混凝土組合結構是基于可靠性和經(jīng)濟性最佳統(tǒng)一的思維發(fā)展起來的一種新型結構。要想達到兩者的完美結合，必須使每種材料發(fā)揮各自的優(yōu)勢［1-2］。

對于鋼—混凝土組合桁架橋來說，鋼箱腹桿與上、下弦桿的連接(簡稱為節(jié)點)是結構設計的關鍵，其受力性能對全橋承載能力和跨越能力至關重要。從受力方面來講，節(jié)點除承受弦桿傳來的軸力外，還承受節(jié)點偏心引起的彎矩和鋼箱腹桿自身的彎矩及剪力。節(jié)點處內(nèi)力、應力分布復雜，呈明顯的非線性，用常規(guī)的桿系結構內(nèi)力分析程序難以了解節(jié)點中局部應力的復雜分布狀態(tài)，因此建立三維實體局部模型，精確模擬局部構造細節(jié)，通過對節(jié)點進行非線性分析，詳細了解節(jié)點處空間局部應力分布規(guī)律、大小以及荷載與應力的關系，很有必要。

2.2 分析模型

1)局部分析模型選取的范圍

根據(jù)全橋平面分析可以知道，梁端的2根鋼箱腹桿受力最大，主力作用下約8 000 kN，故選取該節(jié)點為分析對象。節(jié)點局部模型的截取范圍為:上弦桿取10 m長(一個節(jié)間距離)，鋼箱腹桿取3.5 m處(桁架高度一半位置)?；炷梁弯摴?jié)點模型如圖4所示。

圖4 節(jié)點模型圖(混凝土和鋼)

2)有限元計算方法［3-4］

節(jié)點局部模型采用大型通用有限元軟件MIDASFEA進行非線性分析。耳板和鋼箱腹桿為鋼結構，弦桿為混凝土結構，全部采用20節(jié)點的實體單元模擬，不考慮鋼和混凝土之間的滑移。計算方法采用牛頓拉普森(Newton Raphson)方法，收斂準則采用位移法，收斂精度為1‰。

3)施加荷載條件

初始荷載為100 kN，荷載增量為100 kN，以面荷載的形式施加在弦桿的一端。

4)施加位移邊界條件

將兩鋼箱腹桿自由端固結。

5)材料本構關系

采用文獻［3］中混凝土、鋼材本構關系。

2.3 分析結果

節(jié)點位移、應力分析結果見圖5至圖9。

圖5 弦桿上緣順橋向位移—荷載曲線

圖6 受拉鋼箱腹桿側(cè)耳板荷載—Von Mises應力曲線

圖7 受壓鋼箱腹桿側(cè)耳板荷載—Von Mises應力曲線

圖8 弦桿中心處荷載—順橋向正應力曲線

圖9 受拉鋼箱腹桿側(cè)耳板下層混凝土荷載—主拉應力曲線

2.4 分析結論

鋼和混凝土的本構關系本身就具有非線性(不滿足虎克定理)，在荷載作用下，當混凝土某一部分的應力超過其材料的彈性極限后，材料的彈性模量將隨著應力變化而變化，材料的應力—應變曲線會變得非常復雜。當混凝土的拉應力達到其抗拉極限強度時，會立刻產(chǎn)生裂縫，結構的內(nèi)力和變形將出現(xiàn)重分布。

從以上計算分析中，可得出如下結論。

1)從荷載—位移曲線(圖5)可以看出，本節(jié)點模型的極限荷載為30 032 kN，而最大設計荷載僅為9 031 kN左右，安全系數(shù)為3.33，故節(jié)點設計是安全的。

2)對鋼材而言，從荷載—Von Mises應力曲線(圖6、圖7)可以看出，施加的水平荷載(順橋向)與2根鋼腹桿所受的軸力大小差不多，而受拉鋼腹桿最先屈服。在荷載作用下，受拉鋼腹桿側(cè)耳板與鋼腹桿連接處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

3)當耳板與受拉鋼腹桿側(cè)連接處開始屈服時，耳板與受拉鋼腹桿側(cè)連接處的平均Von Mises應力還在170 MPa左右(圖6)，故滿足強節(jié)點、弱構件的抗震設計原則［5］，同時證明了節(jié)點設計的可行性和合理性。

4)對混凝土而言，從荷載—主拉應力曲線(圖9)可以看出，在荷載不斷增大的情況下，與受拉鋼腹桿側(cè)相連接的混凝土最先出現(xiàn)開裂，然后呈輻射狀順著鋼板向上發(fā)展。

5)在混凝土與鋼板連接區(qū)域(特別是下端)，應加強配筋，有效地延緩裂縫的出現(xiàn)、限制裂縫的開展，從而大幅提高混凝土的抗裂能力和整體受力性能。

6)在有限元分析中未考慮混凝土與鋼材之間的滑移影響，對于節(jié)點區(qū)鋼材與混凝土的黏結破壞機理還有待進一步的研究。

7)利用有限元程序分析鋼—混凝土組合結構時，在混凝土沒有開裂的情況下程序比較容易收斂，但是伴隨著混凝土的開裂和壓碎，程序的收斂就越來越困難。從本次分析來看，MIDAS-FEA有限元程序在非線性收斂方面具有一定的優(yōu)勢。

3 結束語

通過上述非線性分析，對鋼—混凝土節(jié)點結構模型的荷載—位移曲線、荷載—應力曲線、應力—應變曲線以及極限荷載的大小有了詳細的了解。在結構設計時，根據(jù)計算結果合理地確定結構的細部構造，使結構設計安全可靠。

鋼—混凝土組合桁架是近年來發(fā)展起來的一種新型結構，本橋的設計將填補該種結構形式在國內(nèi)的空白。

［1］李慧樂，郭薇薇，夏禾.一種新型鐵路鋼—混組合桁架橋的動力特性分析［J］.鐵道建筑，2011(10):1-4.

［2］日本土木學會.混凝土結構設計規(guī)范及解說［Z］.劉全德，楊德滋，譯.成都:西南交通大學出版社，1991.

［3］北京邁達斯技術有限公司.MIDAS FEA分析與計算原理［Z］.北京:北京邁達斯技術有限公司，2008.

［4］康國政.大型有限元程序的原理、結構與使用［M］.成都:西南交通大學出版社，2000.

［5］中華人民共和國建設部.GB 50111—2006 鐵路工程抗震設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.