钢-混组合梁拼宽既有混凝土梁桥剪力钉受力分析

黄 和 罗朝荣

(1.武汉城市公共设施运营发展有限公司 武汉 430064; 2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司 长沙 410200)

近年来我国公路桥梁拓宽工程日渐增多，采用新建混凝土梁拓宽既有混凝土梁的形式最常见。考虑到钢-混组合梁具有自重轻、强度大、吊装安置灵活、便于快速施工等优点，值得作为拓宽结构中的一种比选方案。然而，对于采用钢-混组合结构横向拼宽既有混凝土桥梁，新旧结构刚度差异明显，界面受力也因拓宽影响具有特殊性，但目前对其研究的文献较少[1-2]，需进一步深化研究。

钢-混组合梁上部混凝土板与钢梁常通过栓钉连接件形成组合截面，栓钉力学特性直接影响结构的整体受力[3-4]。桥梁拓宽工程中，组合结构与旧桥横向拼宽后(见图1)，新旧结构由于材料、截面形式等方面的差异，往往出现横向受力不均匀现象，栓钉受力状态复杂，需开展针对性研究。

图1 采用钢-混组合结构拓宽的既有简支箱梁桥局部构造

本文以江苏某高速公路中一待拓宽的既有简支箱梁桥为研究对象，采用同跨径的钢-混组合单箱梁作为横向拼宽结构。考虑界面栓钉受力-变形的非线性，分析采用组合梁拓宽旧桥后，车道荷载作用下组合梁界面栓钉的受力规律，并改变栓钉抗剪刚度，研究组合梁界面滑移状态。

1 栓钉的荷载-变形关系

组合梁的混凝土板与钢翼缘交界面出现水平滑移和竖向掀起时连接件受力复杂，因此，作出以下简化：①混凝土板与钢翼缘之间的力仅通过连接件传递，忽略板和钢翼缘间的摩擦及机械咬合等作用；②栓钉仅具有抗滑移、抗掀起2种功能，传递水平剪力和竖向力，所受弯矩为0；③栓钉承受的竖向掀起力为轴向拉力；④竖向掀起位移由栓钉的轴向变形引起。

由以上简化，单个栓钉可由3个正交弹簧模拟，分别考虑弹簧X、Y、Z3个方向上的本构关系。

弹簧单元的本构关系考虑如下。

1)栓钉的剪力-滑移本构。根据Johnson的建议，栓钉的剪力-滑移本构关系按式(1)计算。

(1)

对变形量Δ求导，可得栓钉的剪切刚度。

(2)

栓钉的抗剪承载力Qu，参照美国AASHTO桥规按式(3)计算。

(3)

式中：Asc为栓钉的截面面积，mm2；fc为混凝土的棱柱体抗压强度，MPa；Ec为混凝土的弹性模量，MPa；fs,u为栓钉的抗拉强度，MPa。

工程中一般采用直径d=22 mm栓钉作为连接件，据文献[5-7]中试验数据，拟合滑移模型参数:α=0.4，β=0.5和Qu=160 kN，代入式(1)，得到栓钉剪力-滑移曲线图，见图2。

图2 栓钉的剪力-滑移本构关系

2)栓钉的竖向荷载-变形本构。当钢翼缘板与混凝土间出现拉力，由界面上设置的栓钉承担，当钢翼缘板与混凝土间出现压力，认为钢翼缘与混凝土板直接接触。因此栓钉受拉时，拉力-变形曲线由栓钉本身材料及尺寸相关，受压时，栓钉刚化。

栓钉材料取用Q345，钢材弹性模量Es为206 GPa，泊松比0.3，栓钉钉杆直径d=22 mm，l=160 mm。栓钉受拉时，通过式(4)得到栓钉刚度。

(4)

由式(4)得到竖向力作用下单个栓钉荷载-变形关系图，见图3(拉力为正，压力为负)，极限拉力按GB/T 10433-2002《圆柱头栓钉》规范取160 kN。

图3 栓钉的竖向荷载-变形本构关系

利用有限元软件ABAQUS对拓宽结构进行模拟分析。混凝土为实体单元，材料为C50；钢箱梁、内横撑及肋板用板壳单元模拟，材料为Q345，钢-混凝土结合面上栓钉按实际位置布设，用弹簧单元模拟并输入相应的本构关系。栓钉模拟情况见图4。

图4 采用弹簧单元模拟栓钉

2 拓宽后的结构计算分析模型

2.1 计算模型参数

以江苏沿江高速公路中某待拓宽旧桥为研究对象。该项工程中由于桥面排水及桥下净空需求，新桥梁高略小于旧桥。旧桥梁高1.7 m，新建钢-混组合梁梁高为1.55 m，拓宽后形成宽20.5 m，可5车道布载的30 m跨简支并联双箱梁桥。具体参数见表1，构造图见图5，坐标轴X、Y、Z方向如图。

表1 新桥箱梁基本设计参数 mm

图5 拓宽后结构(单位：mm)

2.2 栓钉布置

栓钉为ML15AL的直径22 mm×长180 mm圆柱头焊钉，组合梁每侧翼缘横向设置4列钉，纵向均匀布设，每排间距300 mm，栓钉布置见图6。

图6 钢梁翼缘栓钉布置(单位：mm)

2.3 活载工况

原桥拓宽后，车道荷载只作用在新桥上时，新桥受力不利，须对该情况下结构受力状态进行研究。新建钢-混组合结构桥面较窄，可不考虑新桥上的车道偏载效应，荷载布置图见图7，按公路-I级荷载标准作用在新桥桥面上，纵向满布线荷载(5.25 kN/m)，跨中加载集中荷载160 kN，共计2车道活载作用。根据分析需要，将栓钉从靠近旧桥侧开始至另一侧按照序列1～8编号，其中1～4号钉称为内侧栓钉，5～8称为外侧栓钉。

图7 拓宽后新桥两车道布载(单位:mm)

3 活载作用下组合梁栓钉受力分析

钢-混组合结构中栓钉除传递钢梁与混凝土翼板之间的纵向剪力外，还起到防止混凝土翼板与钢梁之间竖向分离的作用，是结构的关键部件。桥梁拓宽后，分析栓钉受力可以明确混凝土板与钢梁界面的受力特点，优化栓钉的布置方式。因此这里研究两车道活载作用下栓钉的受力规律。

加载后，提取栓钉X、Y、Z个方向的力得到栓钉纵向剪力、横向剪力及竖向力沿顺桥向分布图见图8。其中，靠近旧桥侧栓钉称为内侧翼缘钉，远离旧桥侧栓钉称为外侧翼缘钉。

图8 栓钉受力沿桥梁纵向分布

图中曲线与轴线Y=0 kN、X=0 mm、X=15 000 mm围成的面积，表示每列栓钉承担的总力，列出每列钉3个方向上受力见表2(根据结构、荷载对称性，纵向剪力只计算半跨范围内的剪力值)。

表2 各列钉受力 kN

分别计算内、外钉在同一方向上的受力总和，见表3。根据组合梁界面栓钉的受力状态，由表3可见，钢-混组合结构拓宽旧混凝土箱梁桥后，活载作用下内外侧翼缘界面栓钉受力大小及分布情况有显著差异。

表3 内、外侧钉不同方向上受力 kN

由表3还可见,组合梁内侧翼缘栓钉受较大的横向(-460 kN)、纵向剪力(-503 kN)，而竖向拉力(79 kN)较小，且因跨中存在集中力作用，主要出现在跨中区域；外侧翼缘栓钉纵向剪力(-2 292 kN)及竖向压力(-784 kN)表现明显，对于竖向压力，认为栓钉受压时，钢梁与翼缘接触压紧，栓钉受力安全，在此可不做讨论。纵向剪力从梁端向跨中呈减小趋势，横向剪力(219 kN)相对较小，主要集中在梁端区域。

对比内外侧翼缘栓钉受力可知，两者在剪力和竖向受力上均有差异，外侧翼缘以纵向剪力为主，受力约为内侧翼缘栓钉的4.6倍。

4 栓钉抗剪刚度对界面滑移影响分析

栓钉的抗剪刚度越小，荷载作用下，钢梁与混凝土桥面板相对滑移越大，新旧桥间的荷载分布变化，可能对结构的受力不利。这里研究栓钉抗剪刚度变化而竖向刚度不变时，结构的不同受力状态。

4.1 栓钉的不同抗剪刚度

栓钉的剪力-滑移曲线在式(1)基础上，分别乘以0.5，0.1的折减系数得到新的剪力-滑移曲线，栓钉的抗剪刚度也分别折减为原来的0.5，0.1，得到不同的剪力-滑移曲线和抗剪刚度-变形曲线图见图9(假定按式(2)初始计算得到的栓钉抗剪刚度为κ，折减之后的刚度则为0.5κ，0.1κ)，竖向刚度按初始设置不变。

图9 栓钉剪力-变形曲线

4.2 连接界面滑移

钢-混组合梁交界面上相对滑移，可作为栓钉应力分布的表征，组合结构钢梁与混凝土板间的界面各向滑移代表了界面的各向受力状态，通过界面滑移分析可以深入了解并掌握栓钉的受力分布特点。

开展分析计算，根据组合梁内外侧翼缘不同方向上的滑移数据绘制出沿桥跨的纵向滑移、横向滑移、竖向相对位移曲线图见图10，分析其分布特点。

图10 界面相对滑移

由图10可见：

1)栓钉的抗剪刚度直接影响组合梁界面的横向与纵向相对滑移，对于结构竖向相对位移影响较小。

2)组合梁内外侧翼缘滑移分布形式存在差异，内侧翼缘在梁端出现较大的横向滑移，靠近跨中区域纵向及横向滑移都较大，外侧翼缘主要以纵向滑移为主，在梁端局部区域有较显著横向滑移。

3)栓钉抗剪刚度变化时，组合梁混凝土板与钢梁竖向相对位移基本不产生变化。

5 结论

旧混凝土桥梁拓宽工程中，因技术、施工环境限制，当采用钢-混组合结构作为拓宽新建结构时具有其优势，可作为一种待选方案纳入考虑，而钢-混组合梁应用于拓宽工程中有其特殊力学特点，本文对拓宽后组合梁栓钉的受力和界面滑移进行了研究。主要结论如下。

1)组合梁内外侧翼缘栓钉受力大小及分布状态有显著差异，而内外侧栓钉纵向剪力差异最值得关注，外侧栓钉受到的纵向剪力约为内侧栓钉的4.6倍，抗剪需求比内侧界面上的栓钉强烈。

2)同样活载作用下，栓钉抗剪刚度直接影响界面滑移，抗剪刚度越小，界面滑移量越大，反之越小。

3)组合梁内外侧翼缘界面相对滑移分布形式不一致。内侧界面纵向滑移从梁端开始向跨中先增加后迅速减小，在靠近跨中区域横向和纵向均出现较大界面滑移；外侧界面主要出现纵向滑移，滑移分布从梁端位置开始向跨中呈减小趋势，滑移量比内侧界面大。

4)栓钉抗剪刚度的变化对界面竖向受力影响较小。