摘要：大橋主橋位于R=9000m的凸形豎曲線內(nèi)，為300m跨徑的非對(duì)稱肋拱橋。拱肋由鋼箱節(jié)段和混凝土節(jié)段組成，東西兩拱肋向外傾斜，位于各自的拱平面內(nèi)。大橋?yàn)殇撆c混凝土組合拱結(jié)構(gòu)。為了保證各種內(nèi)力的可靠傳遞，接合部采用焊釘以及開(kāi)孔板2種連接件使鋼與混凝土形成整體，構(gòu)造復(fù)雜，技術(shù)含量很高，國(guó)內(nèi)外可供參考的資料較少。開(kāi)孔板連接件由于具有很大的剛度、強(qiáng)度及其抗疲勞性能，適用于荷載相對(duì)較大、對(duì)抗疲勞性要求較高的橋梁結(jié)構(gòu)中。本文建立了鋼與混凝土組合拱肋接合部局部試件的空間計(jì)算模型，將開(kāi)孔鋼板連接件用實(shí)體單元加以模擬，分析了組合拱連接部和開(kāi)孔板的受力性能。
　　關(guān)鍵詞：組合拱橋，開(kāi)孔板連接件，受力性能
　　
　　工程背景
　　大橋的主橋和引橋全部位于R=1500米的平曲線內(nèi)，采用單折線形的路拱形式。主橋全部位于R=9000米的凸形豎曲線內(nèi)，為300米跨徑的非對(duì)稱肋拱橋，由兩條傾斜的鋼箱拱肋、橋面曲線鋼箱梁、傾斜的吊桿、系桿及肋間平臺(tái)，共同構(gòu)成一個(gè)多元化的空間結(jié)構(gòu)體系，見(jiàn)圖1所示
　　
　　拱肋由鋼箱段和混凝土段組成，東西兩拱肋向外傾斜，位于各自的拱平面內(nèi)。鋼箱拱肋采用等寬變高的單箱單室截面，拱肋寬度7.4m，鋼箱拱肋高度由跨中的5.6m，漸變至鋼與混凝土組合連接部位置的10m，混凝土箱拱肋由與混凝土組合連接部位置的10.1m，漸變至拱腳位置的14.62m，拱肋鋼箱截面、混凝土箱截面構(gòu)造與尺寸見(jiàn)圖2所示。其中鋼箱拱肋在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的厚度為20mm，在鋼混連接部位的厚度為24mm，鋼箱拱肋的四周布置了縱向扁鋼加勁肋，其中混凝土拱肋的厚度為80cm。
　　拱肋中鋼混連接部位由三部分組成：
　　① 1.16m長(zhǎng)的鋼箱部分，該部分的鋼箱縱向加勁肋從20×210mm漸變?yōu)?0×480mm；
　　② 1m長(zhǎng)的焊釘部分，該部分共有28個(gè)小立柱，立柱的外表面是鋼板，立柱的內(nèi)部填充混凝土，鋼板與混凝土之間設(shè)置了φ19×90的焊釘；
　　③ 0.56m長(zhǎng)的開(kāi)孔鋼板與混凝土的過(guò)渡段，該部分的開(kāi)孔鋼板布置在28個(gè)小立柱的下面，在該部位的混凝土的內(nèi)外表面上還布置了厚度20mm的鋼板。
　　另外在拱肋鋼混連接部位還布置了28根15.24－15預(yù)應(yīng)力鋼束，預(yù)應(yīng)力鋼束的一端錨固在小立柱頂部的加強(qiáng)橫隔板處，分別貫穿28個(gè)小立柱，另一端伸入到拱肋的混凝土中。
　　
　　
　　組合拱肋連接部試件的計(jì)算模型
　　
　　3.1組合拱肋連接部試件設(shè)計(jì)
　　
　　為了分析大橋鋼混組合拱肋接合部各部分的應(yīng)力大小及分布、鋼與混凝土間的傳力機(jī)理、驗(yàn)證連接部細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)的合理性，用ANSYS建立鋼混接合部段兩根小立柱范圍的局部空間計(jì)算模型用以分析研究。
　　設(shè)計(jì)高度方向包括從第一過(guò)渡段頂部到第三過(guò)渡段底部、寬度方向包括2個(gè)封閉立柱、厚為壁厚的拱箱腹板的局部模型。
　　模型高3211mm、寬2493mm、厚800mm的組合拱壁，并設(shè)置3740×1240×300mm的加載底座。模型比例為1:1，共計(jì)1個(gè)試件。
　　
　　3.3實(shí)體單元模擬的計(jì)算模型
　　3.3.1實(shí)體單元計(jì)算模型
　　對(duì)比有限元計(jì)算模型，采用了空間混合有限元方法計(jì)算，在連接部建立全真的有限元計(jì)算模型，其中除了混凝土拱璧內(nèi)、外側(cè)板及端頭封板的鋼板采用板單元模擬外，開(kāi)孔板連接件等其余所有鋼板用殼單元模擬，混凝土用體單元模擬，焊釘采用三維的彈簧單元模擬。
　　在有限元建模時(shí)
　　①加強(qiáng)橫隔板鋼板與小立柱混凝土的上表面相連部分有公共節(jié)點(diǎn)，
　　②混凝土封頭端板鋼板與小立柱混凝土的下表面以及混凝土箱的上表面有公共節(jié)點(diǎn)，
　　③混凝土側(cè)板、開(kāi)孔鋼板與混凝土有公共節(jié)點(diǎn)，
　　④小立柱混凝土與四周的鋼板分離，在焊釘位置處通過(guò)三維彈簧元二者相連。
　　邊界條件及荷載
　　根據(jù)混合有限元模型，把底部混凝土梁?jiǎn)卧�的�?jié)點(diǎn)固結(jié)，在頂部鋼箱梁?jiǎn)卧�的�?jié)點(diǎn)上施加節(jié)點(diǎn)力，節(jié)點(diǎn)力是根據(jù)空間桿系整體模型計(jì)算得到的內(nèi)力。這里計(jì)算時(shí)采用的軸向壓力為Fy=-51555kN，在2個(gè)小立柱的上表面施加預(yù)應(yīng)力鋼束產(chǎn)生預(yù)壓力，壓力大小為N＝2344kN，作用面是A＝0.053721m2的圓環(huán)。
　　材料特性
　　鋼板：彈性模量2.1×108kN/m2，泊松比0.3；
　　混凝土：彈性模量3.5×107kN/m2，泊松比0.1667；
　　焊釘：剪切剛度1.75×105kN/m（水平和豎向），軸向剛度3.82×107kN/m；
　　實(shí)體單元模型的受力情況
　　混凝土拱壁內(nèi)外側(cè)鋼板的受力
　　
　　從圖2中可以看出混凝土拱壁內(nèi)外側(cè)鋼板：在拱肋鋼箱的上表面與內(nèi)側(cè)表面相交位置附近以及與開(kāi)孔板連接的部分的軸向壓應(yīng)力較大，；在拱肋鋼箱的下表面與外側(cè)表面相交位置軸向應(yīng)力較小。
　　焊釘連接件的模擬彈簧單元受力
　　連接腹板鋼板的焊釘模擬彈簧的受力如表1所示
　　
　　表1連接拱壁內(nèi)側(cè)鋼板的焊釘模擬彈簧受力表

　　
　　連接拱壁外側(cè)鋼板的焊釘模擬彈簧的受力如表2所示
　　表2接近拱壁外側(cè)鋼板的焊釘模擬彈簧受力表

　　
　　連接加勁肋的焊釘模擬彈簧的受力如表3所示
　　表3接近加勁肋的焊釘模擬彈簧受力表

　　從表1，2，3看出由焊釘模擬彈簧傳遞的力很小，所以由焊釘?shù)膫鬟f作用很小，僅起到固結(jié)混凝土和鋼板的作用。
　　
　　
　　
　　結(jié)論：
　　（1） 在拱肋鋼箱的上表面與內(nèi)側(cè)表面相交位置附近的軸向壓應(yīng)力較大；在拱肋鋼箱的下表面與外側(cè)表面相交位置軸向應(yīng)力較小。
　　（2） 彈簧元計(jì)算模型各開(kāi)孔板豎向模擬彈簧的受力值中，最大值為29.60N,最小值為-38.07N，由模擬開(kāi)孔板的彈簧元傳遞的力非常小。
　　（3） 立柱中的焊釘連接件用彈簧元模擬，它們的豎向受力值都不大于18N，說(shuō)明由它們傳遞的內(nèi)力很小，它們僅僅起到固結(jié)鋼板和混凝土的作用。
　　總而言之，在本文所建立的有限元計(jì)算模型中，由鋼構(gòu)件傳向混凝土構(gòu)件的內(nèi)力，主要是由與混凝土體接觸的端頭封板鋼板通過(guò)壓力的形式向下傳遞，過(guò)渡段的混凝土體承擔(dān)了大部分的壓力，僅有少量壓力由開(kāi)孔板連接件傳遞給混凝土體。
　　
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