大跨径组合梁斜拉桥钢混界面连接研究

陈 亮，邵长宇

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引 言

在钢与混凝土组合梁中，钢梁和混凝土板之间由于剪力连接件产生变形，导致混凝土板和钢梁的变形不协调，从而产生相对滑移。滑移的产生将导致组合梁的刚度减小，而现有的换算截面法没有考虑这一不利影响。文献[1]采用实体单元精细化建模对浙江省椒江二桥剪力钉剪力分布进行了研究，用于指导结构设计。文献[2]对主跨420 m组合梁斜拉桥承载能力极限状态进行分析，得出了剪力钉滑移通常不会影响正常使用状态主梁的变形及内力分配，对结构承载力影响也较小的结论。鉴于组合梁斜拉桥的良好力学性能及经济性能，其最大跨径有望实现大幅提高[3-4]。一般情况下，组合梁斜拉桥设计通常忽略剪力钉的柔性，但对近千米级组合梁斜拉桥而言，该界面滑移影响程度如何，能否在设计中忽略，是斜拉桥跨径加大到一定范围后需要明确回答的问题。本文基于考虑滑移的组合梁单元，结合主跨800m组合梁斜拉桥试设计，在组合梁斜拉桥连接件设计方法及连接件滑移影响两个方面，开展钢混界面连接相关研究。

本文组合梁单元中钢梁和桥面板被视为同一单元的不同层，假定混凝土桥面板分部及钢梁分部具有各自位移，滑移量则由协调性自动得到。笔者在文献[5]中，基于Newmark模型，通过形函数表达梁体位移的有限单元法[6-10]，推导了考虑纵向滑移效应的10自由度钢混组合梁单元及其几何非线性、收缩徐变、偏心结点等有限元列式，并编写了用于计算组合梁及组合梁斜拉桥的相关程序。根据组合梁纵向任意钢混界面抗剪刚度定义，可以得到各工况下界面连接剪力；对考虑滑移的组合梁单元定义结点偏心，可以模拟实际存在的各种索梁锚固。

在大跨径组合梁斜拉桥试设计方面，拟定的主跨800m组合梁斜拉桥基本方案概略如图1所示。按双向6车道高速公路标准设计，主梁宽度为36 m（不含风嘴），梁高3 m，标准索距13.5 m，具体参数及相关验算参见文献[4]。

图1 主跨800 m 组合梁斜拉桥试设计概略[4]（单位：m）

目前钢与混凝土之间常用焊钉连接，对钢混界面连接进行研究，离不开连接件抗剪刚度及容许承载力相关取值[11-12]。本文结合文献[12]及上海长江大桥剪力钉相关试验[13]，对单个直径22mm剪力钉抗剪刚度按400 kN/mm取值，对应滑移量为0.2mm，抗剪容许承载力偏保守按50 kN取值。部分已建组合梁斜拉桥连接件设计统计资料见表1。剪力钉常规为均匀布置，纵桥向剪力钉下限值约75个/m，对应连接刚度为3×107kN/m2，本文将以此为基础进行相关界面连接研究。

1 连接件设计方法

1.1 简单荷载作用下界面剪力分布

首先取试设计斜拉桥中跨跨中段组合梁截面，分别进行组合梁在竖向荷载及水平荷载作用下界面剪力分布研究。

表1 已建组合梁斜拉桥钢混界面连接件统计

1.1.1 竖向荷载作用下界面剪力分布

在竖向荷载作用下,主梁受力类似于多跨连续梁，本文取3根拉索支撑下2跨结构（跨径为标准索距）进行研究，假定竖向荷载集度为500 kN/m（近似模拟组合梁斜拉桥恒活载），界面抗剪刚度Ks分别取3×108、3×107、8×106kN/m2。竖向荷载作用下计算工况示意及界面剪力计算结果见图2。由图2可见，组合梁在竖向荷载作用下的界面剪力与界面抗剪刚度有关，界面抗剪刚度越大，界面剪力分布形状与竖向剪力分布形状越一致。

图2 竖向荷载作用下计算工况示意及不同界面抗剪刚度下的界面剪力

1.1.2 水平荷载作用下界面剪力分布

水平荷载作用下，取1跨结构（跨径为2倍标准索距）进行研究，假定水平集中荷载为5 000 kN（模拟典型拉索水平分力）。

1.1.2.1 组合梁边界条件影响

水平荷载作用于组合梁形心轴高度处，分别进行3种工况界面剪力分布计算。工况A：一端自由、一端固定，集中力作用于梁端；工况B：一端自由、一端固定，集中力作用于跨中；工况C：两端固定，集中力作用于跨中。界面抗剪刚度取3×107kN/m2。各工况计算示意及界面剪力计算结果见图3。

图3 水平荷载作用下不同工况示意及界面剪力分布

比较图3（a）、图3（b）可知，当荷载作用于梁长一半位置时，界面最大剪力恰好为作用于梁端时界面最大剪力的一半。比较图3（b）、图3（c）可以看出，当水平荷载作用于组合梁形心高度时，不同边界条件下，组合梁中钢梁和混凝土桥面板的轴力各有不同，但界面剪力的分布完全一致，即界面剪力与边界条件无关。

1.1.2.2 水平荷载作用高度影响

当水平荷载作用于钢梁顶、组合梁形心、钢梁形心、钢梁底时，2种极端边界条件下的界面剪力分布见图4。由图4可知，水平荷载作用于组合梁不同高度时，界面滑移力有较大区别。作用点距桥面板越近，界面滑移力越大。另外，除作用于组合梁形心时的界面滑移力与边界条件无关外，水平荷载偏心作用时，不同边界条件下的界面滑移力有所不同。

1.1.2.3 组合梁界面抗剪刚度影响

对应于两端固定边界条件，水平集中荷载作用于组合梁形心高度计算工况，分别计算界面抗剪刚度Ks取3×108、3×107、8×106kN/m2时的界面剪力分布，结果见图5。由图5可见，组合梁在轴向荷载作用下的界面剪力在荷载施加位置处最大，然后迅速衰减，一定长度之后，界面剪力接近于零。界面连接件抗剪刚度越大，轴向荷载作用点处剪力越大，衰减速度也越快。

图4 水平荷载作用于不同高度时的界面剪力分布

图5 水平荷载作用下不同界面抗剪刚度时的界面剪力

实际上，界面剪力分布影响因素较多，与组合梁截面特性、材料特性、界面连接件布置、水平荷载作用高度均有关系。竖向荷载引起的剪力可根据文献[14]，忽略界面滑移影响进行简化计算。文献[15]则基于解析方法，得出考虑梁体剪切变形、水平集中荷载作用于组合梁形心高度时引起的最大剪力及剪力传递长度。

1.2 组合梁斜拉桥连接件设计优化

本文组合梁斜拉桥有限元模型中，主梁采用考虑滑移的组合梁单元模拟。现提出组合梁斜拉桥连接件设计的循环迭代方法，基本步骤为：

（1）对组合梁全长钢混界面抗剪刚度赋初值3×108kN/m2，进行结构计算，得到各工况下界面剪力分布，并对不同工况下界面剪力进行组合。

（2）按单个焊钉容许承载力为50 kN，确定主梁纵向焊钉布置数量。

（3）按单个焊钉的抗剪刚度为400 kN/mm，重新确定主梁纵向连接刚度。

多次循环步骤（1）~（3），可得考虑滑移后，满足连接件承载力的焊钉纵向布置。一般循环3次左右，即可得到满意结果。

对主跨800m组合梁斜拉桥，剪力钉优化后布置与常规布置对比如图6所示。对比可见，采用本文连接件设计方法，全桥剪力钉数量可从常规均匀布置的114 000个减少为30 455个，剪力钉布置个数可减少约70%。

图6 剪力钉优化布置与常规布置比较（单位：个/m）

组合梁斜拉桥界面连接件设计时，应考虑竖向荷载、拉索索力、预应力、收缩徐变等荷载的作用及组合，尤其应注意辅助墩处、拉索锚固点、预应力束端部等位置的剪力钉合理布置。本文剪力钉优化设计后，可将剪力钉布置于关键受力部位，如梁端（收缩徐变引起）、辅助墩附近（活载引起）、索梁锚固各区域（恒载下中跨跨中及梁端拉索水平分力较大）等。本文采用考虑滑移的组合梁单元，在确定连接件布置上无疑具有明显优势，可大大减少连接件施工工作量，并有利于钢主梁顶板等的进一步优化。

2 界面滑移影响分析

现结合主跨800m组合梁斜拉桥试设计，考察不同钢混界面抗剪刚度下，滑移对斜拉桥整体受力性能的影响。表2为4种连接件布置形式，典型计算结果见图7~图9。

表2 4 种连接件布置形式

2.1 对界面滑移位移的影响

典型荷载作用下界面滑移位移见图7。

图7 典型荷载作用下界面滑移位移（单位：m）

图8 恒+活+收缩徐变组合下单钉剪力分布（单位：kN）

图9 典型荷载作用下主梁应力分布（单位：MPa）

由图7可见：在恒载作用下，由于拉索集中锚固于钢梁，在索梁锚固点处产生了较大的滑移位移，且随着拉索水平力的增大，滑移位移逐渐增大，主塔处由于拉索间距较大，也会有较大的滑移响应；收缩徐变会在梁端产生较大的滑移位移；在中跨满布活载作用下，辅助墩附近拉索索力有较大变化，引起该处产生较大滑移。注意到收缩徐变引起的滑移位移方向与恒载下滑移位移方向相反，A、B、C这3种剪力钉布置形式下，在荷载组合后能满足0.2mm的滑移允许值要求，而剪力钉布置形式D不能满足。

2.2 对界面剪力的影响

恒+活+收缩徐变组合下单钉剪力分布见图8。

由图8可见：剪力钉布置形式A条件下，各处单钉承载力均有较大余量；布置形式B时，辅助墩顶区域、主塔两侧局部区域承载力略微不足，而其他区域则有一定余量；布置形式C时，单钉剪力分布较为均匀，最大值为53.4 kN，可认为能满足单钉抗剪承载力要求；布置形式D则大多区域无法满足剪力钉承载力要求。

2.3 对结构其他部件静力响应的影响

典型荷载作用下对应于不同剪力钉布置形式的主梁应力分布图见图9。

由图9可见，在不同剪力钉布置形式下，主梁结构响应基本一致。弱连接布置形式D与完美连接布置形式A相比，各工况桥面板上缘应力最大差值为0.33MPa，钢梁下缘应力最大差值为1.35MPa。常规布置形式B及优化布置形式C与完美连接布置形式A相比，桥面板和钢梁的应力差值更小。因此，在实际工程设计时，关于剪力钉滑移，主要是要考虑其对剪力钉自身受力的影响，而基本不需考虑对主梁钢结构及混凝土桥面板等其他结构静力响应的影响。

3 结 语

（1）当水平荷载作用于组合梁形心高度时，界面剪力分布与边界条件无关；水平荷载偏心作用时，界面剪力分布与边界条件相关；拉索水平荷载作用点距桥面板越近，界面剪力越大。

（2）界面剪力在拉索水平荷载作用位置处最大，然后迅速衰减，一定长度之后，界面剪力接近于零；界面抗剪刚度越大，轴向荷载作用点处剪力越大，衰减速度也越快。

（3）基于考虑滑移的组合梁单元，采用本文组合梁斜拉桥主梁剪力钉优化设计方法，可将剪力钉布置于关键受力部位，大大减少连接件数量。

（4）在实际工程设计时，关于剪力钉滑移，主要是要考虑其对剪力钉自身受力的影响，而基本不需考虑对主梁钢结构及混凝土桥面板等其他结构静力响应的影响。