铁路钢-混凝土组合桁架外接式节点力学特性研究

蔡　正,周友权

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



铁路钢-混凝土组合桁架外接式节点力学特性研究

蔡正,周友权

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：以新建西安至平凉铁路1-80 m组合桁架为工程背景,对外接式钢-混凝土组合节点进行非线性分析,根据理论分析结果,进行节点试件的加载试验。通过这种理论计算与试验相互验证的方法,深入研究外接式节点的承载能力、破坏形式等力学特性。分析结果表明：该类型钢-混凝土组合节点能够满足工程要求；理论计算结果与试验吻合很好,理论计算可用于指导设计,并且计算结果满足工程精度要求。

关键词：铁路桥梁；钢-混凝土组合桁架；节点；非线性分析；力学特性

1工程概况

西平铁路后河村特大桥、马屋泾河特大桥、太峪大桥三座桥梁跨越福银高速公路。福银高速公路设计为双向四车道，路肩跨度为30 m，由于建筑高度受立交净空和线路高度控制，经多方案比较后，立交方案采用1-80 m钢-混凝土组合桁架。该钢-混凝土组合桁梁，计算跨径80 m，梁长82 m。桁式采用无竖杆三角桁，桁高9 m，节间距10 m，主桁中心距6.7 m，其成桥后的实景如图1所示。

图1　钢-混凝土组合桁架桥实景

钢-混凝土组合桁架实际为桁梁与槽形梁的组合结构，上弦杆采用钢筋混凝土结构，下弦杆采用预应力混凝土槽形梁，腹杆采用钢质杆件。腹杆之间通过与钢桁梁类似的节点板进行连接，节点板与混凝土构件之间通过PBL键进行连接。由于组合桁架具有建筑高度低、刚度大[1]、动力特性好[2]、后期养护维修的工作量小等优点，近年来在国内外[3-14]都得到重视与发展。

外接式节点采用两块节点板用肋板焊接成H形，节点板一部分埋设在混凝土弦杆中，外露部分通过高强螺栓与腹杆连接形成整体，为增强钢构件与混凝土的连接，节点板上开孔并设置贯通钢筋。外接式节点构造如图2所示。

图2　外接式节点构造示意

2研究方法与内容

2.1　研究方法

本桥设计的关键和技术难点是节点的构造设计，钢腹杆与上、下弦杆的连接是结构设计的关键，其受力性能对全桥承载能力和跨越能力至关重要。从受力方面来讲，节点除承受弦杆传来的轴力外，还承受节点偏心引起的弯矩和钢腹杆自身的弯矩及剪力。节点处内力、应力分布复杂，呈明显的非线性，用常规的杆系结构分析程序难以了解节点局部应力的复杂分布状态。因此建立三维实体模型，精确模拟节点的构造细节，通过非线性分析，了解节点处应力大小和分布规律，荷载与应力、应变的关系，对节点区普通钢筋的配置及对节点的设计优化均有指导作用。但是，对这种新型结构的关键性部位仅仅通过理论分析是远远不够的，对于铁路桥梁这种关系国民经济命脉的结构，必须确保结构的安全性，并且对这一新型结构的安全储备有比较真实的了解，这就需要通过试验研究以进一步了解节点区的受力特性。

因此，通过理论计算与试验相互验证的方法，对本组合结构的关键区域——外接式节点进行详细的研究，理论研究是前提，为试验研究提供前期指导，使得试验研究有的放矢，找准关键点；试验是对理论分析的进一步验证，可以进一步了解理论分析中的简化处理对结果的影响。

2.2　研究内容

由于钢腹杆与上、下弦杆的连接是结构设计的关键，其受力性能决定了全桥的承载能力，因此研究的关键是节点区的力学特性，研究分为宏观与微观两个层面：宏观上是研究节点的开裂荷载与极限破坏荷载，及其节点处钢腹杆的屈服荷载，以了解结构的安全储备；微观上是研究节点区的开裂与破坏性状，以指导节点区的箍筋配置。

本桥位于曲线上，经过空间杆件有限元分析，实桥结构主力下最大腹杆轴力为9 000 kN左右，位于曲线外侧端部节点处。取端节点作为研究对象，数值模拟时节点的边界条件与原模型完全对应，经过逐步增量加载，了解节点的力学特性。

3理论研究

3.1　模型建立

混凝土、剪力钢筋和耳板都采用八节点减缩积分格式的三维实体单元，钢筋采用三维桁架线性单元，腹杆和铰接部分采用壳单元。用参考面将复杂的结构区域进行划分，使网格合理有效，采用牛顿-拉普森迭代方法进行计算。模型中假定混凝土与钢板粘结良好，没有滑移，节点内部混凝土、钢节点板、腹杆均采用共节点处理。钢筋通过embedded方式嵌入混凝土中，不考虑钢筋与混凝土二者之间的粘结滑移，认为钢筋与混凝土完全共同工作。试件的几何模型按照试件的实际尺寸建立，边界条件为腹杆底部铰接，整体有限元模型如图3所示。

图3　外接式节点有限元模型

3.2　材料本构模型

混凝土强度等级为C50，拟合的混凝土抗压强度应力-应变全曲线如图4所示。混凝土本构模型采用混凝土塑性损伤模型[11]，该模型假设的两种主要破坏方式为混凝土受拉开裂和受压压溃。混凝土的拉伸强度采用断裂能的方法取值：极限抗拉强度取为3.1 MPa；拉伸断裂能取为155 N/m。

图4　混凝土抗压应力-应变全曲线

钢结构材质采用Q345qE，Von Mises本构模型是金属材料中使用较多的材料本构模型，比较适合钢桥的材料非线性分析。本模型在Von Mises本构模型基础上考虑钢材屈服后材料强化，按照常用的四阶段考虑，其应力-应变关系全曲线如图5所示。采用HRB335钢筋，根据进行的标准钢筋试件拉伸试验，得出钢筋的应力-应变关系曲线。为简化计算，采用两段式强化模型，拟合的钢筋应力-应变全曲线如图6所示。

图5　钢板拉伸应力-应变全曲线图

图6　钢筋拉伸应力-应变全曲线

3.3　理论分析结果

对局部模型进行杆系有限元分析，得到节点区的腹杆轴力与节点水平变形的力-位移曲线，如图7所示。从图7可以看出，在腹杆轴力到达20 500 kN之前，荷载与位移基本呈线性关系，节点处于弹性工作阶段；腹杆轴力超过20 500 kN之后节点开始进入塑性发展阶段，可以认为20 500 kN为节点的屈服荷载；腹杆轴力继续增大，由于混凝土裂缝的发展，节点刚度下降，但荷载依然增加，弹塑性阶段较长，说明节点具有良好的延性性能；加载到28 800 kN时，节点未发生明显破坏，荷载可持续增加，可判定节点的极限承载力大于28 800 kN。相对于腹杆的设计荷载9 000 kN，屈服荷载为设计荷载的2.3倍，极限荷载为设计荷载的3.2(强度安全系数)倍以上，规范中[12]主力下结构的强度安全系数最小值为2.2，说明结构的节点承载力足够。

图7　节点区荷载-水平位移曲线

腹杆拉压测点处的荷载-Mises应力曲线如图8所示，从图中看出在荷载达到28800kN时，腹杆平均应力水平在330MPa作用，小于Q345钢材的屈服强度，从图中也可看出荷载-应力曲线为线性关系，腹杆整个加载阶段处于弹性工作阶段，说明腹杆承载力足够。

图8　腹杆荷载-Mises应力曲线

4试验研究

4.1　模型制作与加载

综合考虑试验场地的加载能力、试件制作及试验的预期目标等因素，采用1∶3的模型缩尺比例。模型制作时，充分考虑了节点区的受力状态相似与几何相似，以弦杆轴力相似为控制条件。试验中制作了两个相同的节点模型，以减少偶然误差的影响。由于本桥腹杆间夹角接近60°，因此在弦杆端部施加水平力，就可以在腹杆得到与施加水平力相同的轴力。节点试验加载装置如图9所示。

根据前述理论分析结果，节点区的开裂荷载与极限荷载分别为20 500 kN与29 000 kN，对应1∶3模型的开裂荷载与极限荷载分别为2 200 kN与3 200 kN。因此，试验时对构件的加载方式为：在0～2 000 kN加载区间，按400 kN/级进行加载；在2 000～3 000 kN加载区间，按200 kN/级进行加载；在3 000 kN破坏，按100 kN/级进行加载。按照上述增量加载方式进行单调加载，直到节点破坏丧失承载能力。

图9　节点试验加载装置

4.2　荷载位移关系

将试验荷载转化为对应的实际结构上的数值，得到图10两个试件的荷载-位移曲线。从图中看出，两个试件弦杆自由端的水平位移吻合良好，基本按照同一曲线规律变化。曲线基本可分为两个阶段，在18 000 kN之前，荷载与位移呈直线变化，节点处于弹性工作阶段，加载过程中节点各构件正常工作，未发生任何破坏现象及趋势。加载至18 000 kN以后，曲线斜率发生改变，节点进入弹塑性工作阶段，结构刚度降低。随着荷载的增加，节点中混凝土出现开裂，节点板发生变形，但本阶段荷载-位移曲线基本为直线，结构刚度稳定，节点弹塑性阶段较长，延性良好。加载过程中，由于加载装置意外失效，试件一加载到23 000 kN处终止。在对加载装置进行加强后对试件二进行加载，从曲线中看出在弹性阶段与试件一完全重合，进入屈服之后，其刚度较试件一略大，而极限承载力提高至27 000 kN。

综合两个试件的试验现象及荷载-位移曲线，节点虽然出现混凝土开裂，节点板变形等现象，但在9 000 kN设计荷载水平时，节点处于完全弹性状态，满足设计要求；节点屈服荷载18 000 kN，为设计荷载的2.0倍；开裂荷载19 800 kN，为设计荷载的2.2倍；极限荷载为27 000 kN，为设计荷载的3倍，节点安全储备较高。

图10　试件节点区荷载-水平位移曲线

4.3　节点破坏形态

混凝土上首条裂缝出现在混凝土弦杆底面和节点板接触部位，此时荷载等级为19 800 kN，随着荷载的增加，该裂缝没有继续发展。在荷载等级为25 200 kN和27 000 kN时，混凝土上部出现多条的竖向裂缝，并贯穿整个弦杆。在27 000 kN向上继续加载时，受拉腹杆连接板的螺栓将节点板拉断，试件完全破坏，腹杆的其他部位并未出现明显的屈服和变形。

因此试件破坏过程为：首先在混凝土弦杆上中部靠后位置出现竖向裂缝，荷载继续增加，裂缝也随之开展，荷载达到一定等级时，节点板末端区域由于压力过大，出现局部屈曲，荷载继续增加，受拉腹杆连接板的拉力过大，而净截面面积又相对过小，节点板被撕裂，同时，由于竖向拉杆对混凝土弦杆的约束作用，混凝土弦杆出现贯穿裂缝。节点的破坏方式为连接受拉腹杆处节点板撕裂破坏，从中看出节点板是整个节点的关键，加强节点板可有效提高其承载力。

5研究结论

(1)假定钢板及钢筋与混凝土之间连接良好，对组合桁架结构节点区进行局部非线性有限元分析，得出节点区的屈服荷载与极限荷载分别为20 500 kN与28 800 kN，相对于9 000 kN的设计荷载，节点有足够的安全储备。

(2)对1∶3缩尺比的试件进行加载，得出节点区的屈服荷载、开裂荷载与极限荷载分别为18 000、19 800 kN与27 000 kN，节点安全储备很高。

(3)由试验可知，节点的破坏方式为连接受拉腹杆处节点板撕裂破坏，节点板是整个节点区的薄弱点；混凝土裂缝在节点中心附近均呈竖向分布。对节点板进行加强，并改变纵向钢筋的数量或布置形式，可提高节点的承载能力。

(4)理论分析与试验吻合良好，计算结果满足工程精度要求，理论分析结果可用于指导设计。

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Research on Mechanical Characteristics of Steel-Concrete Composite Truss Joints Railway BridgeCAI Zheng, ZHOU You-quan

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：With reference to the 1-80m Xi’an-to-Pingliang Railway composite truss engineering project and based on the external-nonlinear analysis of steel-concrete composite nodes, load tests are conducted on specimens of the node according to the analysis result. Using the method of mutual authentication of theoretical calculation and experiment, in-depth studies are carried out on external nodes bearing capacity, failure mode and other mechanical properties. Analysis results show that such type of steel-concrete composite joints are qualified to meet the requirements of the project; theoretical calculation results agree well with the experimental findings, theoretical calculations can be used to guide the design, and calculation results meet the strict requirements of the project.

Key words：Railway bridge; Composite truss bridge; Node; Non-linear analysis; Mechanical characteristic

中图分类号：U448.38

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.013

文章编号：1004-2954(2016)02-0062-04

作者简介：蔡正(1972—)，男，高级工程师，E-mail：1010456891@qq.com。

基金项目：铁道部科技研究开发计划课题(2008G007-C)

收稿日期：2015-06-18； 修回日期：2015-06-25