钢腹杆-混凝土组合结构的研究综述∗

唐杨

(重庆交通大学土木工程学院 400074)

引言

近年来,中国的桥梁工程朝着墩高更高、跨径更大、桥长更长的方向蓬勃发展,其中研究最多的要数跨径方面,跨径的增大必须在材料上和结构设计上有创造性的发展,主要集中在轻质高强材料的运用和结构上降低自重两个方面。在这两点上钢-混凝土组合结构得到了充分的发挥,而钢腹杆-混凝土组合结构就是钢-混凝土组合结构中的杰出代表。钢-混凝土组合结构的基本构造见图1。

钢腹杆-混凝土组合结构的构思来源于波形钢腹板混凝土组合结构,由于大跨径桥梁的截面较高,采用波形钢板容易出现局部稳定性问题,同时大截面的波形钢腹板组合结构对桥梁的抗风能力效果不好,从而出现了采用钢腹杆代替钢腹板的设想[1,2]。钢腹杆-混凝土组合结构也继承了波形钢腹板组合结构自重轻、预应力效率高、悬臂施工方便、施工时间短、工业化程度高、环境效果佳[3]等优点,适用于大跨度结构桥梁的建造。

钢-混凝土组合结构在国外发展较早,大约出现在20 世纪80 年代,而我国的发展是在21世纪初期。在国外,1985 年法国建成了世界上第一座钢腹杆- 混凝土组合结构桥——Arbois 桥,1997 年又建成了Boulonains 桥[4],之后相继建成了Shitsumi 桥、Sarutagawa 桥、Tomoegawa 桥等钢腹杆-混凝土组合连续梁桥,2003 年日本建成了首座钢腹杆- 混凝土组合结构桥——Kinokawa桥。葡萄牙建成了世界上首座采用钢腹杆-混凝土组合结构为主梁的斜拉桥——Europe 桥[5]。在国内,深圳大学1 号桥采用双层桥面预应力混凝土钢腹杆- 混凝土组合结构[6],2010 年建成通车的上海闵浦大桥[7]的边跨主梁也运用了钢腹杆-混凝土组合结构[8]。从国内外钢腹杆-混凝土组合结构桥梁的建设中可以看出,这种结构已经运用到了连续刚构、斜拉桥、悬索桥等大跨径桥梁结构中[9-11]。从国内外桥梁建造的实例对比来看,国外对此种新型结构的运用已经较多,并且运用到各种桥梁结构体系,而中国刚刚处于起步阶段。

本文将针对钢腹杆-混凝土组合结构的研究现状进行归纳分析,主要针对此种组合结构的结构计算方法研究和受力特性研究进行整理归纳,从中了解目前该组合结构的研究现状,发现其研究重点以及需要进一步深入研究的问题。

1 结构计算方法研究

钢腹杆-混凝土组合结构的计算方法主要有理论推导和数值计算建模,理论计算方法致力于得到较为便捷的结构设计方法,数值计算方法在考虑计算成本的前提下致力于建立准确的数值计算模型。

1.1 理论计算方法

浙江大学的王彤[12]等通过抗剪等效为原则的等厚腹板换算,引入上、下翼板独立轴向位移自由度的手法,基于一般箱梁的计算理论,建立了钢腹杆-混凝土组合结构的基本微分方程和单元刚度方程,推导了单元刚度矩阵的计算公式。该方法基于平面杆系结构的计算方法,通过与有限元分析结果对比,其计算结果能够较为精确地反映结构变形、应力以及腹杆轴力,在工程设计中具有较好的实用性。

1.2 数值计算方法

钢腹杆-混凝土组合结构由于结构的特点,一般认为钢腹杆- 混凝土组合结构的腹板不连续,使得顶、底板纵向应变的平截面假定不成立,不能采用单一的梁单元模拟整个钢腹杆-混凝土组合箱梁结构[13],同时从桥面板局部设计考虑,桥面板处于点支承受力状态,按照现行桥规的桥面板计算图示进行计算分析可能存在较大差异。

根据钢腹杆-混凝土组合结构的受力特点,目前采用的模型计算方法有平面桁架模型、板-桁混合模型、空间梁格模型和实体模型。

平面桁架模型是将上下混凝土板简化为上、下弦杆和钢腹杆组成平面桁架结构,能够较为精确地计算整体的受力行为,无法模拟结构的空间受力。

板-桁混合模型是将混凝土板采用板壳单元模拟,钢腹杆采用梁单元模拟,能够反映结构的空间受力,但是结果只有应力输出,对于上、下混凝土板按照规范进行配筋极为不便。

黄华琪等[14]通过对比平面桁架模型和板-桁混合模型,提出了既能有效计算全桥整体受力又能模拟结构空间受力的空间梁格模型。空间梁格模型将上、下混凝土板离散为正交梁格模型,不同于考虑宽箱梁的Hambly 平面梁格,Hambly平面梁格只是横桥向有多个梁格,纵桥向仅为一个梁格,黄华琪采用的空间梁格模型是同时在横桥向和纵桥向有多个梁格。纵向梁格按照顶、底板划分的横截面形状建立,横向梁格的宽度小于桥面板的荷载有效分布宽度即可。研究表明,当沿横桥向顶、底板截面划分的纵向梁格较为稀疏时,空间梁格模型只能精确地反映结构纵向应力和跨中挠度,当加密纵向梁格时,空间网格模型也能较为精确地反映横桥向应力。与黄华琪的研究思路相似,陈维[15]通过建立实体模型与简单梁格模型和精细化的梁格模型对钢腹杆-混凝土组合箱梁进行对比受力分析,研究表明梁格模型具有足够的精确度。

实体模型是最为直接的建模方法,上、下混凝土板采用实体单元建模,钢腹杆采用梁单元建模,该方法可以精确反映结构的整体受力和局部受力,但是网格划分较密时计算分析较为困难,同时计算结果与板-桁混合模型一样,只有应力而没有内力结果,不便于进行下一步的结构配筋。综合来看,该方法只适用于学术研究,不适用于工程实际。

2 受力特性研究

钢腹杆-混凝土组合结构采用钢腹杆代替了预应力混凝土桥梁厚重的腹板,其受力特性必将产生较大的变化,下面将对钢腹杆-混凝土组合结构的抗弯、抗剪、抗扭、剪力滞效应、节点局部受力、极限承载能力以及动力特性的研究现状进行整理分析。

2.1 抗弯性能

雷聪[16,17]通过对一座简支钢腹杆-混凝土组合梁桥进行抗弯分析,研究表明当梁承受纯弯或者剪力较小时,整个截面内纵向正应变分布近似符合平截面假定; 截面的剪应力对纵向正应力的分布影响较大,对于弯剪作用均较大的截面其纵向正应变呈三折线分布; 截面的抗弯主要由上、下混凝土承担。同时,研究表明钢腹杆-混凝土组合梁的翼缘板可以提高抗弯承载能力,剪力键的数量和排布方式对组合结构的抗弯能力影响很大。

蔡芬芳[18]以深圳南山大桥为结构原型,对钢腹杆-混凝土组合梁桥进行试设计,研究表明在恒载相差不大的条件下,钢腹杆-混凝土组合梁桥的恒载挠度是波形钢腹板组合梁桥的1.5倍,其结构抗弯刚度明显偏低。

张妙平[19]以深圳南山大桥为工程背景,通过对比PC 混凝土组合箱梁、波形钢腹板组合箱梁和钢腹杆-混凝土组合箱梁在弹性阶段的跨中截面挠度,发现钢腹杆-混凝土组合箱梁的挠度最大。

根据以上钢腹杆-混凝土组合箱梁的抗弯性能研究现状,说明钢腹杆-混凝土组合结构的抗弯刚度偏低,在结构设计时应该引起足够重视。为了改善抗弯刚度偏低的情况,由于结构的抗弯主要由上、下混凝土板承担[20],可以考虑增大截面高度,以此来增加截面的惯性矩从而增强结构的抗弯刚度。

2.2 抗剪性能

雷聪[17]通过对一座钢腹杆-混凝土简支箱梁桥跨中施加集中荷载,分析结果显示在L/4 截面附近的混凝土顶板有节点的截面,混凝土板承担全部剪力的40%,其余截面混凝土板承担的剪力仅仅占总剪力的10%。由此可见,钢腹杆-混凝土组合梁的剪力主要由钢腹杆承担,结构设计时可以不考虑混凝土的抗剪能力。

试验分析表明,钢腹杆-混凝土组合梁的失效模式都是典型的弯曲破坏,抗剪承载力具有足够的安全度。由此可见结构的抗剪设计一般偏于保守,由于钢腹杆的稳定性较好,不易发生屈曲破坏,所以对于结构的抗剪性能研究较少。

2.3 抗扭性能

方映平[21]对钢腹杆-混凝土组合箱梁的抗扭性能进行研究,研究表明合理布置横隔板能够显著提高钢腹杆-混凝土组合箱梁的抗扭性能。

雷聪[17]对偏心活载作用下的钢腹杆-混凝土组合箱梁桥进行扭转分析,研究表明此种结构的偏载效应显著,不适宜采用经验值1.15,应当适当放大,建议采用1.4。

日本的预应力混凝土协会建立了钢腹杆-混凝土组合箱梁的抗扭刚度公式[22]。

从以上研究成果来看,钢腹杆-混凝土组合箱梁与钢腹板-混凝土组合箱梁一样存在抗扭刚度下降较多的问题,桥梁结构在约束扭转作用下会产生不小的附加正应力,对此应该引起足够重视,需要进一步进行试验研究和理论分析。

2.4 剪力滞效应

王猛[23]通过MIDAS CIVIL 对某钢腹杆- 混凝土组合连续梁桥进行数值分析,结果表明恒载作用下全桥纵向都存在较为明显的剪力滞效应,在纵桥向不同横截面位置其不均匀性也有差异。

雷聪[17]通过对一座简支钢腹杆-混凝土组合梁桥和一座两跨连续钢腹杆-混凝土组合梁桥进行剪力滞对比分析,研究不同结构形式下的钢腹杆-混凝土组合结构的剪力滞效应。从简支梁结构的钢腹杆- 混凝土组合梁桥剪力滞分析发现,在跨中集中荷载作用下,远离荷载作用的截面基本不受影响,而在跨中集中荷载作用的位置剪力滞系数最大,部分截面还会出现负剪力滞的现象; 在均布荷载作用下,顶板剪力滞呈现正负交替变化,但负剪力滞接近于1,支座截面的剪力滞系数达到最大。从连续梁结构的钢腹杆-混凝土组合梁桥剪力滞分析发现,在两跨跨中集中荷载作用下,远离荷载作用的截面基本不受影响,仅在跨中位置剪力滞系数最大,同时在中支座位置出现负剪力滞; 在全桥均布荷载作用下,靠近中支座的负剪力滞效应十分突出,应该给予高度重视。

刘朵[24]以一座35m 长的简支钢腹杆-混凝土组合梁桥为工程背景,研究了该桥在自重作用下的剪力滞,同时研究了顶、底板厚度和钢管厚度对剪力滞效应的影响。研究结果表明在相近的截面位置,有节点的截面比无节点的截面剪力滞效应显著,同一截面顶板的剪力滞效应比底板的剪力滞效应显著。混凝土顶板的厚度对剪力滞的影响较大,而混凝土底板和钢管厚度对剪力滞的影响不大。

张莹莹[25]等对一座两跨连续钢腹杆-混凝土组合箱梁桥的剪力滞研究发现,在恒载作用下,桥墩截面、桥台截面的正应力不均匀程度比其他截面更为显著,这是由于这两个截面的约束情况不同于其他截面造成的。

郑尚敏[26]等通过建立三维ANSYS有限元模型对波形钢腹板组合梁和钢腹杆-混凝土组合梁的剪力滞效应进行对比分析。研究表明钢腹杆-混凝土组合梁的剪力滞效应在集中荷载作用下要比均布荷载作用下更明显; 相同荷载作用下,波形钢腹板组合梁的顶、底板正应力大于钢腹杆-混凝土组合梁顶、底板正应力; 不同荷载工况下,两种组合梁的剪力滞系数横向分布大致相同。

孙伟斌[27]以节点为中心研究了简支钢腹杆-混凝土组合梁的剪力滞效应,研究表明不同节点之间,靠近桥端的剪力滞效应最为明显,向跨中呈降低趋势; 以节点中心为界限,受压腹杆一侧的桥面板出现负剪力滞效应,受拉腹杆一侧的桥面板出现剪力滞效应; 剪力滞与负剪力滞在节点处最高,向中间逐渐降低,在中间剪力滞与负剪力滞消失。

根据以上研究发现,钢腹杆-混凝土组合梁的剪力滞效应较为明显,剪力滞效应同时受到结构形式、截面约束情况、荷载布置、混凝土板厚、钢腹杆厚度以及截面位置的影响。除了以上影响因素以外,可能还存在其他影响因素需要进一步研究。

2.5 极限承载能力

张妙平[19]以深圳南山大桥(简支钢腹杆-混凝土组合梁桥)为工程背景,在仅仅改变腹板结构形式的情况下,建立PC 混凝土箱梁、波形钢腹板混凝土组合箱梁的有限元模型,在L/3 和2L/3(L为简支试验梁计算跨径)施加两点对称荷载进行极限承载能力分析。在加载初期,PC 混凝土箱梁、波形钢腹板混凝土组合箱梁和钢腹杆-混凝土组合箱梁的跨中挠度比值为0.55:0.71:1; 在加载后期,PC 混凝土箱梁腹板开裂,挠度增大的速率加快,而波形钢腹板混凝土组合箱梁和钢腹杆- 混凝土组合箱梁的挠度比值没有什么变化,达到极限荷载时,三者的跨中挠度比值为0.95:0.97:1。以体外预应力钢筋屈服为标准,三者的极限承载能力相近,比值为1.02:1.04:1。由此可见钢腹杆-混凝土组合结构同样具有较高的极限承载能力。

福州大学的董洁灿[28,29]等对钢腹杆-混凝土组合箱梁的抗扭极限承载能力进行试验研究,并且基于空间变角软化桁架模型,提出了计算钢腹杆-混凝土组合箱梁抗扭极限承载能力的简化公式,与ANSYS有限元软件计算结果对比,误差控制在10%以内,可以应用于工程设计中。

雷聪[17]制作了3 片钢腹杆-混凝土组合梁,组合梁采用了3 种不同的连接件构造,以此来研究连接件构造对钢腹杆-混凝土组合结构极限承载能力的影响,试验表明不同的连接件构造对结构的极限承载能力影响很大。

钢腹杆-混凝土组合结构的极限承载能力研究在拱桥中也有相关研究。朱朴[30]从宁德岭兜大桥的试验研究中发现,钢腹杆的壁厚不是越大越好,它存在一个合理的取值范围,钢腹杆的倾角越大其极限承载能力越低,采用双N 字形布置钢腹杆的钢腹杆- 混凝土组合拱的竖向刚度最高。

从以上研究成果发现,钢腹杆-混凝土组合梁的极限承载能力研究进行了不少试验,同时得到了钢腹杆-混凝土组合梁的极限承载能力、破坏模式以及一些可以运用于工程实践的计算公式,但没有出现极限承载能力的影响因素研究,同时试验还比较单一,需要更为丰富的试验研究。钢腹杆-混凝土组合拱的极限承载能力研究目前相对较少,还有待进一步深入研究。

2.6 节点局部受力特性

在钢腹杆-混凝土组合结构中,钢腹杆与混凝土板之间的节点应力复杂,当钢腹杆轴力过大,上、下混凝土板容易出现冲切破坏。这就成了较多专家学者研究的重点,同济大学、中南大学、东南大学以及一些交通科研院所都对节点局部构造的受力性能进行了分析研究[31]。

尹安国[32]等通过对3 个PBL 连接件钢-混凝土组合桁架节点进行水平单调加载,研究了外接式节点的受力特性、破坏模式和极限承载能力。通过研究发现PBL 连接件传力效果明显,增加钢腹杆的厚度可以提高节点屈服后的强度以及极限承载能力,同时尹安国提出了腹杆不对称(不等厚)的设计方法,使得试件破坏顺序能够与理想顺序相吻合。

欧阳辉来[33]以西平铁路上的实桥为工程背景,利用MIDAS FEA 对钢腹杆-混凝土组合结构的节点进行非线性分析,得到了节点部位的应力等值线图、荷载-应力曲线以及应力-应变曲线,从而对节点细部构造进行了精确的设计。端茂军[34]等也对钢腹杆-混凝土组合结构的K 形节点进行试验及仿真分析,得到了节点区域受剪破坏的主要原因,并通过试验提出了钢筋及螺栓直剪的多折线荷载-位移本构模型。

钢腹杆-混凝土组合结构的节点构造是此类桥梁设计的关键,阎卫国[35,36]对中国第一座钢腹杆-混凝土组合结构进行了研究,并对该桥的节点构造进行了介绍,该桥采用改进型的PBL 连接件,首先对钢腹杆的端部进行切割,纵向焊接一块钢板,并采用螺栓连接,横向焊接两块钢板,同样采用螺栓连接,同时在钢板穿孔,贯穿横向钢筋,该桥的节点构造设计已经申请国家发明专利。阎卫国[37]对T-PBL 节点进行数值分析和反复荷载作用下的破坏试验研究,研究发现这种新型节点构造有较高的极限承载能力,同时破坏属于延性破坏。端茂军[38]开发了一种便于快速组装的PBL-钢管节点,可以有效提高节点的抗剪承载力,同时通过试验研究提出了偏于安全的抗剪承载力简化公式,可用于实际的钢腹杆-混凝土组合结构。

根据以上研究成果可以看出,钢腹杆-混凝土组合结构的节点设计是结构设计的关键,节点构造影响桥梁的整体受力、极限承载能力以及结构破坏模式。就重要性程度来说,目前对于节点构造的研究相对较少,需要更多地改进现有的节点构造,增强结构的抗破坏性。

2.7 动力特性

1.自振特性

目前,对于钢腹杆-混凝土组合结构自振特性的研究较少。杨伟[39]以一座简支钢腹杆- 混凝土组合箱梁桥为研究对象,研究了钢腹杆刚度、空腹比、节间高宽比对结构自振特性的影响,研究表明空腹比对结构的自振特性影响最大,在结构设计过程中需要首先根据梁高确定空腹比。陈福斌[40]对一座实桥进行了特征值分析,得到了反映该桥实际工作状况的动力学参数,在设计时应当使固有频率避开第一阶固有频率,避免共振现象的发生。由此可见,钢腹杆-混凝土组合结构在实际的桥梁设计中,有必要对结构的自振特性进行研究。

朱志辉[41]等人对一座新建钢腹杆-混凝土组合结构桥梁进行了行车动力响应分析,分析了节点刚域对桥梁自振特性的影响,研究了节点刚域和行驶线路对列车走行性及桥梁整体和局部杆件动力响应的影响。通过研究发现考虑节点刚域后桥梁的自振频率有所增大,最大增幅达到19.7%; 考虑节点刚域之后,列车引起的桥梁振动位移和加速度显著降低; 为了能够准确分析该类桥型的车桥耦合振动,建议考虑节点刚域建模。

2.抗震性能

韦建刚[42]同样以主跨为160m 的宁德岭兜大桥为原型,对钢腹杆-混凝土组合拱桥进行试设计,通过计算研究发现拱圈自重较混凝土拱桥降低32%,采用钢腹杆-混凝土组合拱有利于提高抗震性能。同时,以宁德岭兜大桥为工程背景,对其抗震性能进行了详细分析,研究表明钢腹杆-混凝土组合拱的面内基频、面外基频、横向应力响应、纵向弯矩以及轴向应力相比于混凝土拱均有所降低,采用钢腹杆-混凝土组合拱对于抵抗竖向震动有一定作用[43]。

以上的钢腹杆-混凝土组合拱桥抗震分析是假定各支承点一致激励和结构在地震荷载作用下处于弹性阶段,地震响应中的多点激励、行波效应以及非线性行为对钢腹杆-混凝土组合拱桥抗震性能的影响有待进一步研究[44]。

3 总结

通过以上研究成果的归纳整理可以看出,钢腹杆-混凝土组合结构还有以下几点需要进一步研究:

1.钢腹杆-混凝土组合结构的理论计算方法目前较少,还有待进一步研究便捷的计算理论方便结构设计。

2.钢腹杆的节点构造复杂,在车辆荷载作用下的疲劳问题目前尚没有相关研究成果。

3.目前已有研究表明钢腹杆-混凝土组合箱梁结构的抗扭刚度偏低,采用预应力混凝土箱梁的偏载系数明显不能满足设计要求,目前尚无试验研究以及更多的数值模拟研究,需要对更多的钢腹杆-混凝土组合结构桥梁进行抗扭性能对比分析以及试验研究。

4.钢腹杆与混凝土的节点位置是整个结构的薄弱位置,容易造成节点冲切破坏,此处的节点细部构造设计还有待进一步研究,以增强抗破坏性。

5.对于钢腹杆-混凝土组合结构的抗震性能研究目前仅仅针对拱桥结构,对梁桥尚无相关研究成果,需要进一步对比研究钢腹杆-混凝土组合梁桥与PC 混凝土梁桥、波形钢腹板混凝土组合梁桥的抗震性能。同时,钢腹杆-混凝土组合结构的动力特性研究较少,需要更多的工程实例进行研究分析。

6.由于钢和混凝土的热膨胀系数不同,目前尚无针对温度荷载、温度梯度荷载对钢腹杆-混凝土组合结构的受力分析,温度可能造成结构应力较大,还需要进一步研究。

7.PC 混凝土连续刚构桥在混凝土收缩徐变作用下会产生较大挠度,造成混凝土开裂,目前尚无混凝土收缩徐变对钢腹杆-混凝土组合连续刚构桥的影响研究。