钢—混凝土组合桁梁桥节点受力特性有限元分析

吕存杰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

组合桁梁桥是混凝土桥面板与钢桁架有机结合的一种组合结构桥梁，如图1所示。组合桁梁桥设计的关键在于剪力连接件和组合节点的受力分析［1］。组合节点是组合桁梁桥中桁架弦杆的交汇点，即钢腹杆与上下弦杆的连接体，是结构的“关节”［2］，为保证节点在各种受力状态下均具有可靠的传力性能，需要对组合节点进行深入研究。目前，大多实际工程采用的是试验研究法和有限元分析法。采用有限元分析方法可以考虑多种非线性因素，以最大程度地模拟结构的真实状态［3-4］。

图1 组合桁梁桥(晋陕黄河特大桥)

由于组合节点的形式、受力状态等较为复杂，有必要对新建项目中采用的组合节点进行分析。本文以大西线晋陕黄河特大桥钢桁加劲组合结构为例，通过有限元软件对该组合结构关键节点区域的试验模型进行计算，以取得组合节点区传力模式、荷载位移曲线、应力分布特点，为模型试验提供对比。

1 工程背景

大西线晋陕黄河特大桥采用2×108 m单T刚构加劲钢桁组合结构，加劲钢桁采用无竖杆式三角形桁架，加劲长度为60 m，桁间距11 m，桁高9.35 m，节间长度12 m，两主桁间共设3道横撑。截面形式:上弦杆为槽形截面;端斜杆为箱形截面，宽×高为0.8 m×0.6 m，板厚为18 mm;腹杆为工字形截面，宽×高为0.6 m×0.6 m，板厚为18 mm。上弦端节点采用整体节点，上弦其他节点采用直埋式节点，主梁顶节点采用预埋钢板焊接节点。直埋式及预埋钢板焊接节点构造相对简单，施工方便，用钢量较小［5］。该桥钢—混结合段处采用PBL剪力键连接。PBL键具有抗剪刚度大、承载力高、疲劳强度高、延性好等优点［6］，可使型钢和混凝土两种材料协同工作。

设计钢—混结合段时，需要进行模型试验和有限元分析。通过计算分析找出全桥桁梁内力最大节点，该节点是桁架节点设计的关键，需要对该节点的受力性能进行模型试验研究［7］。桁梁组合节点静载试验模型采用1∶2的比例进行缩尺，试验模型如图2所示。试验模型由上弦杆和斜腹杆组成，上弦杆为钢—混凝土组合结构，由槽钢和混凝土块组成，槽钢内填充C55微膨胀混凝土;斜腹杆为工字型截面，采用Q370qE钢材。

图2 组合节点试验模型

2 试验模型节点有限元分析

2.1 计算模型

ANSYS有限元分析模型按照试验模型进行建模，如图3所示。模型全部采用实体单元，考虑到混凝土的开裂和压碎影响，计入材料非线性。混凝土采用Solid65单元模拟［8］，钢板采用Solid45单元模拟。由于试验着重研究的是节点区的破坏，因此试验中斜腹杆底部与底座铰接，在有限元模型中用钢臂单元模拟铰与斜腹杆底部的连接，将钢臂端部采用铰接约束，释放其转动约束［9］。

图3 节点几何模型示意

2.2 材料本构关系

混凝土本构关系采用多线性等向强化模型MISO模拟，同时采用William-Warnke五参数破坏准则，弹性模量取3.55×104MPa，泊松比取0.2，抗拉强度为2.72 MPa，抗压强度为35.5 MPa。混凝土单轴受压的应力—应变曲线采用Hongnestad公式计算［1］。

钢板本构关系采用双线性等向强化模型BISO模拟，强化阶段的材料切线模量E=0.01ES=0.01×2.1×105=2.1×103MPa(ES钢筋屈服前的弹性模量)，泊松比取0.3，钢板采用Q370qE桥梁钢，屈服强度为370 MPa。

2.3 加载方案

有限元模型荷载的施加方式参照试验的加载方式。试验是静力破坏试验，不考虑动力及疲劳效应。试验中模型采用1∶2缩尺试验，试验加载力按照几何相似和应力相似原理采用原来杆件力的1/4，即394.038 kN。由于试验要求至少采用4倍以上安全系数，即加载力1 576.152 kN以上，同时考虑到试验节点的极限承载力和节点刚度等力学特性以及试验条件的限制，最终采用5 000 kN千斤顶进行加载试验。试验采用单调加载，按200 kN步长加载，即从初始开始按200 kN一级逐级施加荷载，直至加载到5 000 kN为止，总共分为25个荷载步。故在用有限元软件计算分析时，也按25个荷载步进行加载。

2.4 组合节点受力特性分析

2.4.1 荷载位移曲线

利用有限元软件ANSYS对试验模型进行加载［10］，得到荷载—纵向位移曲线见图4。

图4 荷载—纵向位移曲线

由图4可见:①荷载值＜4 400 kN时，荷载—纵向位移曲线近似呈线性状态，节点区变形小，刚度大，具有良好的承载力，节点加载端和自由端的位移差1.56 mm;②荷载值＞4 400 kN以后端点位移随着荷载的增加迅速增大，说明节点达到屈服状态，已经进入塑性破坏阶段，位移继续扩展但承载能力不会增加［11］。

2.4.2 杆件各部位应力分析

本次有限元模拟对节点弦杆混凝土应力、钢构件应力、斜腹杆应力进行了分析，以期找出其应力变化，对重要部位进行加强。下面仅对节点弦杆混凝土和斜腹杆的应力进行分析。

弦杆混凝土的应力分布见图5。

由图5(a)可知，弦杆混凝土的纵向压应力从加载端到自由端逐渐减小。由于处于加载端及受横隔板的约束作用，使得此处存在一定的应力集中现象，压应力略大;然而靠近自由端受压相对较小，说明横隔板的传力效果较好。靠近节点连接处受力较为复杂，在此范围内混凝土存在一定的拉应力，但拉应力相对较小。

由图5(b)可知，加载端上缘两侧拉应力较大，这是由于加载引起的相对滑移所致。节点位置处混凝土与斜腹杆的连接使得节点受力较为复杂，产生较为明显的应力集中现象，部分位置存在较为明显的拉应力作用。

斜腹杆的应力分布见图6。由图6可以看出:受压腹杆及受拉腹杆均符合应力分布规则，且受力较为均匀，压拉应力均在270 MPa左右，左右基本对称;斜腹杆底部由于边界条件的约束作用，使得此位置处的应力集中现象较为明显，实际工程中底部是通过节点板连接，不会出现试验中的应力集中现象，所以不予考虑。

图5 弦杆混凝土应力分布(单位:MPa)

图6 斜腹杆应力分布(单位:MPa)

3 结语

由节点试验模型的有限元分析可知:

1)在节点进入屈服阶段之前，结构整体受力特性良好，屈服点荷载约在4 400 kN左右，加载至5 000 kN时结构会出现屈服破坏，破坏位置为受拉斜腹杆与上弦杆连接处，此处主拉应力最大，会出现裂缝开裂现象。对破坏位置模型试验中应重点观察。

2)弦杆混凝土、钢构件及斜腹杆的应力分布基本符合受力规则，即加载端大于自由端，节点处受力较为复杂，左右腹杆受力基本对称。

3)试验模型的屈服点荷载及应力变化规律不仅可以指导试验模型的设计，还能与模型试验结果相比对，最终验证节点构造的合理性。由于该试验模型为静力加载模型，因此，在以后的节点研究中需考虑实际工程中存在的动力及疲劳因素。

［1］王连广.钢与混凝土组合结构理论与计算［M］.北京:科学出版社，2005.

［2］黄瑞峰.大跨度钢—混凝土组合桁梁桥节点区受力性能研究［D］.成都:西南交通大学，2013.

［3］王焕定.有限元方法教程［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003.

［4］赵洁，聂建国.钢板—混凝土组合梁的非线性有限元分析［J］.工程力学，2009，26(4):105-112.

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