钢桁腹-混凝土组合梁桥是近30年出现的一种新型钢-混组合结构桥梁 ^[1],其结构特点是采用桁式钢腹杆代替了常规的预应力混凝土箱梁桥的混凝土腹板 ^[2,3],桁式钢腹杆的端部节点直接嵌固在混凝土顶、底板承托中,形成由混凝土顶底板、桁式钢腹杆、体外束、体内束等共同工作的组合结构体系 ^[4,5]。相较混凝土箱梁桥,钢桁腹-混凝土组合梁桥具有自重轻、造型轻巧美观等优点。

　　 节点是钢桁腹-混凝土组合梁桥受力的重要部位,节点连接形式多样,是需要重点研究的关键部位 ^[6,7,8]。目前,钢桁腹-混凝土组合梁桥的典型节点构造主要有钢盖箱节点、双套管节点和PBL节点3种 ^[9]。随着研究的深入,学者们在此3种节点构造的基础上陆续作出了一些优化、改进。

　　 传统的钢桁腹的桁和墩一般是分离式的,它们中间一般都是通过底板传递受力,这种传力方式存在如下问题:1)桁和墩之间的底板受力不明确,传力复杂,局部应力集中; 2)桁与墩之间的混凝土板抗剪承载力小,抗疲劳性能差; 3)整体刚度较差。针对以上问题,相关学者提出了一种放射性空间V型节点 ^[10]。这种节点采用钢管混凝土结构,上接钢桁架,下承混凝土底座,解决了传统钢桁腹节点中的问题。

　　 本文以某大桥采用的放射性空间V型节点为依托,对两个高度不同的放射性空间V型节点进行竖向拟静力加载试验; 采用ABAQUS软件建立有限元模型,对节点进行受力机理及参数分析,并基于研究成果,对节点的设计及施工提出建议,为工程设计提供相关依据。

　　 试验在华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室完成,原桥节点尺寸如图1所示。

　　 由图1可知,该节点由4根放射状的钢管墩、6根平联钢管、2根下弦主管、2根下弦管、混凝土底座、钢管内钢筋笼、若干钢板、加劲肋以及螺栓、地脚锚栓组成。上部钢管墩与混凝土底座中上部的钢板焊接,并在焊缝周围加焊一圈加劲肋,底座上部两块钢板之间通过高强螺栓连接,底座中的两块上部钢板与下部钢板之间通过高强锚栓连接,连接完成后插入钢筋并浇筑混凝土。

　　 按原桥节点构造,采用1∶3缩尺比例,设计并制作了2个不同高度的节点试件,其中高墩试件编号为T1,高度为1 967mm,低墩试件编号为S1,高度为1 733mm。试验节点各部件参数如表1所示。

　　 节点上部结构在钢结构加工厂制作完成裁剪、焊接后,在实验室完成下部锚栓、螺栓、钢板拼接,再进行底座钢筋笼制作,底座钢筋笼制作完成后在室外进行底座混凝土浇筑,试件制作过程详见图2。

　　 实测混凝土立方体抗压强度f_cu为59.9MPa,钢筋屈服强度和抗拉强度分别为493.4MPa及617.7MPa。各厚度钢材材料力学性能如表2所示。

　　 采用华南理工大学自有的2 000t钢结构自平衡加载装置(水平反力架)进行加载。试验加载装置如图3所示。

　　 节点按长轴方向放置,为避免轴压直接加载在下弦主管导致主管应力集中,本试验通过特制加载板上焊接弧形夹具与试件下弦主管良好接触,将千斤顶的集中压力均匀施加在下弦主管上,特制加载板如图4所示。

　　 试验采用逐级加载制度,考虑到节点竖向承载力很大,取每级荷载为1 000kN,当加载至节点出现屈服点时改为每级荷载500kN。

　　 试验加载初期,由于节点各部件之间的接触关系尚未平稳建立,出现咯吱的响声。当荷载加载至1×10⁴kN左右时,钢管墩与下弦主管、下弦管、加劲肋之间的焊缝周围管壁首先屈服,随着荷载增大,钢管墩上部周边位置以及加劲肋、下弦主管的焊缝周围管壁也出现了屈服现象,但此时,节点的荷载-位移曲线仍然呈线性变化。当加载至1.2×10⁴kN左右时,混凝土底座出现裂缝,裂缝类型为典型的剪切裂缝,裂缝从钢管墩底部外侧开始往45°方向发展,具体如图5所示。基于实验室拥有的仪器设备并出于安全考虑,最终将T1试件的荷载加至1.8×10⁴kN,S1试件的荷载加载至1.6×10⁴kN。两个试件的荷载-位移曲线如图6所示。

　　 试验现象及试验结果表明:

　　 (1)加载过程中,下弦管、下弦主管、钢管墩、上部加劲肋之间的焊缝处首先发生屈服,这也是整个加载过程中应力最为集中的地方,因此,此位置也是节点上部的薄弱部位,但节点整体的薄弱部位为混凝土底座。

　　 (2)在整个加载过程中,钢管墩底部、平联钢管以及承台内钢板应力均较小。

　　 (3)荷载加至1.8×10⁴kN或1.6×10⁴kN时, S1,T1试件位移都很小,因此,节点的竖向刚度很大。

　　 采用ABAQUS软件建立节点有限模型,将混凝土底座简化为长方体,并削除钢管墩内混凝土顶部,具体简化模型如图7所示。钢材本构采用双折线模型,提取材性试验中钢材屈服点、屈服应变、弹性模量及极限强度的数据,材料屈服后的强化段模量近似取为弹性模量的1%,钢材的泊松比统一取0.3; 底座混凝土采用塑性损伤模型,钢管内混凝土采用文献[11]中提出的核心混凝土本构关系。

　　 钢材及混凝土均采用C3D8R单元模拟,钢筋则采用T3D2单元模拟。混凝土与钢材之间的接触采用面面接触模拟,法向为硬接触,切向摩擦系数为0.7; 由于钢板、钢筋、锚栓均埋入混凝土底座内部,因此与底座之间的接触均采用Embedded进行模拟,建模时为简化模型,将锚栓底部的弯钩去除,并将锚栓底部与底座下部的钢板的接触设置为Tie来模拟带弯钩的锚栓。边界条件与试验保持一致,即在加载时均将底座底面设为固定端。建立的有限元模型如图8所示。

　　 T1试件加载至1.8×10⁴kN、S1试件加载至1.6×10⁴kN时,两个试件应力云图如图9所示。

　　 有限元计算结果表明,T1试件加载至1.8×10⁴kN时、S1试件加载至1.6×10⁴kN时,试件仅部分位置出现屈服,在钢管墩、下弦主管、下弦管、加劲肋之间的焊缝处出现应力集中的现象。两个试件有限元计算与试验的荷载-位移曲线对比如图10所示。由于节点刚度非常大,节点位移在整个加载过程中都在5mm以内,试验的测量误差等对荷载-位移曲线的影响不可忽略,因此,有限元计算与试验的荷载-位移并不能完全对应。

　　 由于空间V型节点构造过于复杂,本节重点研究混凝土底座以上的节点上部结构在竖向荷载作用下的受力机理。考虑节点各部件对节点竖向承载性能的影响,分别建立不带平联钢管节点模型(V)、带平联钢管节点模型(VN)、带加劲肋节点模型(VS)、带平联钢管及加劲肋节点模型(VNS)。为不失一般性,钢材与钢筋本构采用理想弹塑性模型,混凝土本构采用塑性损伤模型。其中,钢材采用Q345级,钢筋采用HRB400级,混凝土采用C50级。其余设置与本文第2节有限元模型建立的方法一致。本文模型加载采用位移加载法,通过有限元后处理分析得到荷载-位移曲线,节点模型的竖向承载力取节点域焊缝大面积屈服时节点的竖向力的大小。

　　 各模型竖向承载力的计算结果如图11所示。可见,节点中单独加焊上部加劲肋或单独添加平联钢管能较大地提高节点的竖向承载力。

　　 本节考察关键参数变化对节点竖向承载力的影响。参数分别选取为钢管墩壁厚、钢管墩直径、混凝土强度等级。以钢管墩截面为ϕ299×10,平联钢管尺寸为ϕ102×6,加劲肋厚度为8mm,采用C50强度等级混凝土的节点为标准节点。图12～14分别列出了不同钢管墩壁厚、钢管墩直径、混凝土强度等级节点的竖向承载力对比。由图12、图13可知,钢管墩壁厚、直径的变化对节点的竖向承载力影响较大。由图14可知,当采用C40及以上混凝土强度等级时,混凝土强度等级变化对节点竖向承载力的影响较小; 当采用C30混凝土强度等级时,节点承载力下降较多。

　　 另外,通过选取6,8,10mm共3种厚度的加劲肋以及ϕ70×4,ϕ60×4,ϕ60×3,ϕ45×4,ϕ32×4共5种截面的平联钢管进行有限元计算,发现加劲肋厚度以及平联钢管截面尺寸的变化对节点竖向承载力的影响很小。

　　 根据第1节节点试验研究、第2节节点有限元分析、第3节节点受力机理分析以及第4节节点参数化分析,提出以下设计及施工建议:

　　 (1)施工时,应特别注意下弦管、下弦主管、钢管墩、加劲肋之间的焊接残余应力的影响,严格控制现场焊缝的施工质量。

　　 (2)设计时,可采用截面尺寸较小的平联钢管。

　　 (3)设计时,不应缺少上部加劲肋。

　　 (4)建议采用C40及以上强度等级的混凝土。

　　 (5)加大钢管墩壁厚以及加大钢管墩直径是提高节点竖向承载力效果最好的方法,考虑到材料用量,建议采用加大钢管墩壁厚的方式。

　　 原桥节点在混凝土底座中预埋钢板并将钢板通过高强锚栓及高强螺栓连接,这不仅构造复杂、施工困难并且造价高昂,本节将节点底座中预埋钢板并通过高强锚栓及高强螺栓连接的方式改为在底座中加入H型钢的方式,对混凝土底座进行优化。在节点混凝土底座中放置两个截面尺寸为H428×407×20×35的H型钢,并配置25@100钢筋,如图15所示。

　　 节点上部钢管墩插入混凝土底座中,直接与H型钢的上翼缘焊接并在周围加焊一圈加劲肋。

　　 利用ABAQUS建立此节点的有限元模型进行计算。结果表明,底座改为加入H型钢后,节点的竖向承载力为2.23×10⁴kN,相较第2节有限元分析中T1试件的竖向承载力2.18×10⁴kN稍有提高。因此,将底座改为加入H型钢是解决原节点构造复杂问题行之有效的方法。

　　 (1)放射性空间V型节点在竖向荷载作用下,下弦主管、下弦管、钢管墩、加劲肋焊缝处均是应力较大的位置,是节点上部结构的薄弱部位; 而节点整体的薄弱位置是混凝土底座。

　　 (2)在影响放射性空间V型节点竖向承载力的几个参数中,混凝土强度等级、上部加劲肋厚度、平联钢管截面尺寸是影响较小的参数,而钢管墩壁厚、直径则是影响较大的参数,随着壁厚、直径的增大,节点的竖向承载力提高,且提高效果较为明显。考虑到材料用量,建议采用加大钢管墩壁厚的方式。

　　 (3)将节点底座中预埋钢板并通过高强锚栓及高强螺栓连接的方式改为加入H型钢是解决底座构造复杂行之有效的办法。