大跨度公铁合建斜拉桥钢混板-桁组合梁关键节点空间受力特性

Spatial Force Characteristics of Key Joints of Steel-Concrete Slab-Truss Composite Girder of Long-Span Railway-cum-Road Cable-Stayed Bridge

摘要

针对大跨度公铁合建斜拉桥—主跨808 m洪奇沥特大桥新型钢混板-桁组合梁的关键节点—辅助墩顶钢混节点，采用ANSYS软件建立钢桁-混凝土板组合梁部分节段细化的全桥多尺度有限元模型，分析边跨组合梁节点在受力最不利工况下的受力规律及传力特性，并讨论下弦杆等杆件截面等结构参数变化对节点受力、传力的影响规律。结果表明：最不利组合工况下，边跨组合梁辅助墩顶钢混节点处钢结构最不利Mises应力为265.9 MPa，混凝土局部最大名义拉应力为9.2 MPa，导致局部开裂而受力转移至钢结构；在辅助墩顶局部负弯矩影响下，内外节点板处应力总体呈“倒V”形分布，混凝土顶面及底面分别呈“鞍形”及“倒鞍”形分布；节点处下弦杆（含管内混凝土）、竖杆分别传递77.86%和40.15%荷载，为纵向、竖向主要传力构件；混凝土桥面厚度变化对自身应力影响明显，其厚度和下弦杆截面面积对纵向传力比影响大，竖杆截面面积对自身竖向传力影响相对明显；混凝土厚度及下弦杆、斜腹杆、竖杆截面为节点受力、传力的主要影响因素，其系数在0.8~1.1时，组合梁关键节点各构件应力及传力比均较为合理。

Abstract

Aiming at the key joints of the new steel concrete slab-truss composite girder - steel-concrete joint at the top of the auxiliary pier, of the long-span railway-cum-road cable-stayed bridge - Hongqili Bridge with a main span of 808 m, the multi-scale finite element model of the whole bridge with partial segment refinement of steel truss-concrete slab composite girder is established using ANSYS software. The stress law and force transmission characteristics of the joint of the side-span composite girder under the most unfavorable working conditions were analyzed, and the influence laws of the structural parameters such as cross-sectional area of the lower chord and other members on the stress and force transmission mode of the key joint were discussed. The results show that under the most unfavorable combined working conditions, the most unfavorable Mises stress of the steel structure at the auxiliary pier top joint of the side-span composite girder is 265.9 MPa, and the maximum local nominal tensile stress of the concrete is 9.2 MPa, resulting in local cracking and force transfer to the steel structure. Under the influence of the local negative bending moment at the top of the auxiliary pier, the stress distributions at the inner and outer joint plates are 'inverted V' shape, and the top and bottom surfaces of the concrete are 'saddle' and 'inverted saddle' shape respectively. The lower chord (including the concrete in the tube) and the vertical rod at the joint are the main longitudinal and vertical force transmission components, which transmit 77.86 % and 40.15 % loads respectively. The thickness change of concrete deck has a significant impact on its own stress. The thickness of the concrete deck and the cross-sectional area of the bottom chord have a significant impact on the longitudinal force transfer ratio. The cross-sectional area of the vertical pole has a relatively significant impact on its own vertical force transmission. When the coefficient of concrete thickness and the section coefficients of the lower chord, the tilted belly poles and the vertical rod are between 0.8-1.1, the stress and force transmission ratio of each component of the key joint of the composite girder are reasonable.

Graphical abstract

关键词

公铁合建斜拉桥 / 钢混板-桁组合梁 / 关键节点 / 受力特性 / 传力机理

Key words

Rail-cum-road cable-stayed bridge / Steel-concrete plate-truss composite girder / Key joints / Force characteristic / Force transfer mechanism

钢-混凝土组合桁架梁具有承载力高、整体性好、自重与刚度均衡、经济性好等优势^［1-3］，在大跨径公路桥梁上应用较多，但钢-混组合桁架梁节点处构造复杂，交汇杆件多，空间受力复杂^［4-6］。钢桁梁节点^［7］的复杂受力已被众多研究者关注，卫星等^［8］对公铁两用斜拉桥整体节点的复杂受力性能进行了研究，结果表明，1.4倍设计荷载下，整体节点最大Mises应力在下弦杆局部达到203.8 MPa，焊缝及板件连接处均存在应力集中。张晔芝等^［9］基于理论研究和模型试验，对沪通长江大桥的新型全焊箱-桁组合节点的受力性能进行了研究，实测与有限元计算结果均表明，在节点板与斜腹杆、下弦杆顶板、横隔板等多板连接处的边角处有应力集中现象，但应力小于材料的屈服应力且高应力范围很小。钢-混组合桁架关键节点的受力特性因混凝土构件的参与而更为复杂，针对钢-混组合桁架关键节点的传力机理，国内外学者开展了不少模型试验研究^［10-12］。Sato等^［13］和Sakai等^［14］通过模型试验验证了钢-混组合桁架关键节点相对普通钢桁架节点具备更高的极限承载力，但接头焊趾处局部应力较大。基于钢-混组合桁架节点各构件应力分布规律，Xue等^［15］探明一种混凝土弦杆复合桁架节点中轴向荷载主要由混凝土传递，钢弦杆仅传递约11%~15%的轴向荷载。端茂军等^［16］发现在组合桁架梁轴向荷载传递中，斜腹杆在竖向均布荷载作用下导致节点弦杆区域产生竖向剪力，该剪力则主要通过内置节点板及剪力连接件一同传递^［12］。周凌宇等^［17-18］通过静力试验和有限元分析研究了耳板式组合桁架节点的极限承载力、破坏模式和荷载位移曲线，揭示组合节点极限承载力满足设计要求，但弦杆内填充的混凝土为节点薄弱部位，节点破坏模式为弦杆内混凝土开裂破坏、腹杆屈曲破坏、弦杆和耳板连接处屈服。刘永健等^［19］通过矩形钢管T，Y型节点的受压试验研究，揭示了管内混凝土对矩形钢管混凝土T，Y型节点受压性能的明显影响，避免了主管侧壁局部鼓曲破坏。刘君平等^［20］为研究管内混凝土对矩形钢管节点受力性能的影响，对比分析了管内填充混凝土的矩形钢管节点与空钢管节点的受压、受拉及受弯性能，结果表明管内混凝土能够改善节点的受力性能，显著提高受压节点的承载力。

目前，钢-混组合桁架节点的研究主要集中于公路桥梁与建筑结构，且基本为常规桁架节点，而受力更为复杂的空间桁架节点研究较少；对于大跨公铁合建、带上弦边桁架的钢混-板桁组合梁的空间节点，其复杂的受力特性与传力机理研究尚未见报道，有待进一步研究。

本文以主跨808 m的深江铁路洪奇沥特大桥为工程背景，采用有限元仿真分析方法，对其边跨采用的新型双层钢混-板桁组合梁关键节点的受力及传力特性进行深入研究，并开展结构参数影响规律分析。

1 公铁合建钢混板-桁斜拉桥概况

新建深圳至江门铁路洪奇沥特大桥主桥为公铁合建钢混板-桁双塔双索面斜拉桥，其跨径布置为（3×100+808+3×100）m，采用半漂浮体系，如图1所示。大桥上下层桥面分别承载8线市政道路和4线铁路，市政道路设计时速为80 km，铁路设计时速为250 km；设计荷载为8车道城-A级荷载和4线ZK活载。大桥采用H形桥塔，共设224根斜拉索，斜拉索采用2 000 MPa镀锌平行钢丝。大桥主梁采用上宽下窄、带上层副桁的桁梁截面，2片N形主桁桁宽23.8 m，副桁桁宽37 m，上层桥面总宽38.1 m，大桥主梁截面如图2所示。中跨采用钢箱-桁组合梁，边跨采用钢管混凝土板-桁组合梁，钢混结合面位于中跨距桥塔7.8 m处。钢桁梁除部分节点板采用Q420qD外，其他采用Q370qD；大桥桥塔及桥面板等均采用C60混凝土。

大桥边跨主梁采用双层钢混板-桁组合结构，桁高12.5 m，节间长10 m。边跨主桁弦杆均采用矩形钢管混凝土箱形截面，上、下弦杆内宽均1 400 mm，上弦杆高1 280 mm，下弦杆高2 570 mm，副桁上弦杆内宽700 mm、高1 173 mm。主桁斜腹杆和竖杆采用箱形或H形截面，箱形杆件内宽为1 400 mm，内高为1 000~1 200 mm；H形杆件内高1 400 mm，翼缘板宽1 100 mm。副桁斜腹杆采用H形杆件，内高1 000 mm，翼缘板宽700 mm。上层公路和下层铁路桥面均采用叠合混凝土板-钢桁组合桥面，混凝土桥面板包括32 cm厚预制板及40 cm厚现浇层。上下层混凝土桥面结构自重大，有效平衡中跨钢梁重量，缩短了边跨长度。

边跨钢混板-桁组合梁包含主桁上弦节点、副桁节点以及主桁下弦节点3种空间整体节点，其中主桁下弦节点连接副桁斜腹杆，并与混凝土桥面形成新型钢混板-桁组合空间节点，节点处下弦杆内在横梁处还设置X形斜撑，结构构造复杂。下弦节点板与节点处主桁下弦杆、竖杆、斜腹杆、横梁、副桁斜撑局部构件等在工厂内焊接形成整体。在下弦节点中，E21节点位于48#墩墩顶处（其位置见图1），承受桥墩支座反力，是组合梁中最具有代表性、受力最不利的关键节点，其空间构造如图3所示。图中标注1~6的红线为后续应力分析路径，字母A—H及M和N为各分析路径的起点和中点。大桥全桥整体分析计算结果也表明，E21节点受力最为不利，遂将其作为研究对象，系统开展该空间节点的受力与传力特性分析。

2 关键节点—辅助墩顶钢混节点有限元分析

2.1　有限元模型

为系统研究大桥边跨钢混板-桁组合梁辅助墩顶钢混节点E21的空间受力及传力特性，采用ANSYS有限元软件建立包括边跨混凝土叠合板-桁组合梁部分节段细化的多尺度有限元模型。其中节段细化模型部分选取受力最不利的48#墩墩顶及其两侧共140 m长钢混板-桁组合梁，然后将其嵌入全桥杆系整体模型中，如图4所示。全桥整体模型中主梁及桥塔采用BEAM188单元，斜拉索采用LINK8单元，并用Ernst公式修正弹性模量。组合梁节段细化模型部分，钢结构采用SHELL63单元，以100 mm网格划分单元；混凝土采用SOLID45单元，以50 mm网格划分单元；剪力钉采用BEAM188单元，以50 mm网格划分单元；钢结构与混凝土依靠剪力钉模拟两者连接关系，即剪力钉一端与钢板共节点，其余节点与混凝土节点耦合三向平动自由度。细化节段模型在两端采用自由度耦合的方式与全桥杆系模型嵌套连接。全桥多尺度模型共5 932 876个节点、5 656 790个单元。为对比并验证全桥多尺度模型并提供最不利节点及其加载工况，同时采用Midas Civil软件建立全桥杆系有限元模型，如图5所示。

根据大桥全桥杆系有限元模型计算结果，“主力”及“主+附”工况下，下弦杆的轴力包络最大，受力最为不利，因而多尺度模型主要考虑“恒载+主桁下弦杆压力最大活载+附加力”工况，其中恒载主要考虑一期自重、二期恒载与斜拉索索力，主桁下弦杆压力最大活载为全桥满布活载工况，附加力考虑整体不均匀升温（温度荷载为钢结构+25 ℃、斜拉索+20 ℃、混凝土+15 ℃）和支座不均匀沉降。

2.2　受力规律

为分析钢混板-桁组合梁E21节点的受力特性，提取并分析节点各板件的Mises应力及弦杆内部混凝土的纵向正应力，结果见表1。表中内外节点板分别为节点靠近、远离桥梁中心线的板件。内外节点板及混凝土的应力云图如图6所示。

由表1及图6可见：钢混板-桁组合梁E21节点在恒载+主桁下弦杆压力最大活载+附加力工况下，最大Mises应力为265.9 MPa，为节点板支撑于辅助墩顶部位置，其余构件应力均在215 MPa以下，小于Q420qE钢材设计容许应力260 MPa；内、外节点板弧形过渡区域存在一定的应力集中，但量值并不显著；弦杆内部及附近混凝土受辅助墩墩顶局部负弯矩的影响，顶面局部名义拉应力最大分别为9.2和8.5 MPa，混凝土会开裂且退出工作，其受力重分布至节点钢下弦杆上；经模型考虑混凝土非线性计算，混凝土开裂后节点板、钢上弦局部应力增加10~30 MPa，未出现265.9 MPa以上高应力，因此后续分析仍基于线性模型结果进行。

3 关键节点—辅助墩顶钢混节点传力特性

3.1　传力路径

为进一步分析边跨钢混板-桁组合梁E21节点各构件的应力分布规律，提取并分析最不利荷载工况下主桁下弦节点主要构件的纵桥向、竖向及沿杆件方向应力分布，如图7所示。

图中路径1为主桁下弦腹板中心线位置，路径2为竖杆中心线位置，路径3为管内混凝土宽度中心线位置，路径4为桥面混凝土应力路径位置，路径5为斜腹板中心线位置，路径6为斜撑中心线位置。各考察路径见图3和图6。

由图6可见：E21节点内外节点板纵向应力因墩顶支反力影响沿纵向总体呈“倒V”形分布，应力量值并不显著；内外节点板及竖杆局部的竖向应力沿竖杆至主桁下弦节点方向平稳增大，应力相对较大，最大值为-182.0 MPa；节点处下弦杆管内混凝土同样受辅助墩影响较大，混凝土顶面及底面分别呈“鞍形”及“倒鞍”形分布，最大拉、压应力分别为9.2和-29.3 MPa，混凝土应力较大且变化显著；节点处桥面混凝土顶面在节点处拉应力最大，达到8.5 MPa，底面及中部应力较为平稳；节点处混凝土存在显著名义拉应力，局部混凝土将会开裂退出工作，部分应力重分布于钢结构；主桁斜腹杆腹板因受到桥面混凝土及横梁的影响，沿斜腹杆中心线方向在靠近混凝土桥面处应力存在突变，出现-171.1 MPa的局部较大应力，斜腹杆内、外斜腹板应力整体为受压，应力随至节点中心距离增大而趋于稳定；副桁斜撑左、右腹板应力沿斜撑中心线方向随至节点中心距离增大而逐渐减小并趋于稳定，以受压为主，基本在-80 MPa以下。

3.2　传力特性

为分析组合梁E21节点的纵向及竖向传力特性，选取E21节点隔离体如图8所示。图中：N_X1和N_X2分别为下弦杆左右两侧所传递的轴力；N_C1，N_C2和N_G分别为混凝土桥面两侧及斜腹杆所传递的轴力；Q_H，Q_F，Q_S和Q_C分别为节点横梁、副桁斜撑、竖杆、混凝土桥面所传递的纵向剪力；F_Y为竖向支座反力；N_S，N_G和N_F分别为竖杆、斜腹杆、副桁斜撑所传递的轴力；Q_X1，Q_X2，Q_y和q_Ci （i=1，2，3）分别为下弦杆两侧、节点横梁及混凝土桥面所传递的竖向剪力；γ为斜腹杆与竖杆之间的夹角；α为副桁斜撑与竖杆之间的夹角。各项纵向内力以E21节点指向中跨为正，各项竖向力以向下为正。节点的纵向荷载主要通过节点处竖杆、副桁斜杆、横梁以及节点两侧混凝土桥面（2倍下弦杆宽度）、下弦杆（含管内混凝土）及斜腹杆压、剪传递。竖向荷载主要通过斜腹杆、竖杆及副桁弦杆承压，下弦杆、节点横梁及混凝土桥面传递剪力的方式传递给支座。

根据力学平衡原理，E21节点在纵桥向、竖向受力满足下式。

\begin{array}{l}{N}_{\mathrm{X}\mathrm{2}}+N_{\mathrm{C}\mathrm{2}}+N_{\mathrm{X}\mathrm{1}}+N_{\mathrm{C}\mathrm{1}}+N_{\mathrm{G}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\gamma +Q_{\mathrm{H}}+\\ Q_{\mathrm{F}}+Q_{\mathrm{S}}+Q_{\mathrm{C}}=\mathrm{0}\end{array}（1）

\begin{array}{l}{N}_{\mathrm{S}}+N_{\mathrm{G}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma +N_{\mathrm{F}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +Q_{\mathrm{X}\mathrm{1}}+Q_{\mathrm{X}\mathrm{2}}+\\ Q_y+q_{\mathrm{C}i}-F_{\mathrm{Y}}=\mathrm{0}\end{array}（2）

为定量分析各构件的传力比例，按照式（1）和式（2）的E21节点纵、竖向受力示意，结合多尺度有限元模型分析，沿隔离体各截面进行应力积分即可得到最不利工况下各传力构件的纵、竖向传力比，分析结果如图9和图10所示。

由图9可见：E21节点左侧下弦杆、混凝土桥面及斜腹板承压分别承担77.86%，11.05%和11.09%的纵向荷载；节点右侧下弦杆、混凝土桥面分别承受85.37%和12%的纵向荷载，表明节点处主桁下弦杆为纵向荷载的主要传力构件，混凝土桥面、斜腹杆为次要传力构件。由图10可见：竖杆以轴力承压的方式传递了约40.15%的竖向荷载，斜腹杆同样以轴力承压的方式传递了约16.21%的竖向荷载，下弦杆在节点两侧则以传剪的方式共同传递了约29.77%的竖向荷载，混凝土桥面也以传剪的方式在节点两侧及节点侧面共传递了约10.7%的竖向荷载，其余构件传力较小，表明竖杆为节点处竖向荷载的主要传力构件。

4 节点受力及传力影响参数

4.1　节点受力的影响参数

通过组合梁E21节点的传力比分析可知，E21节点处主桁下弦杆（含管内混凝土）、混凝土桥面、斜腹杆是主要纵向荷载传力构件，竖杆及下弦杆为主要竖向荷载传力构件。为研究混凝土桥面厚度、下弦杆、斜腹杆及竖杆截面面积对主桁节点钢、混构件最不利应力的影响规律，开展参数讨论研究。其中节点钢、混最不利应力点分别为下弦杆底板辅助墩顶部、斜腹杆与竖杆的弧形过渡区、竖杆腹板底部弧形过渡区、混凝土桥面靠近节点构件交汇处，见表1。参数分析中，保持其他结构参数不变，取混凝土厚度变化系数λ_H即改变后与原方案的厚度之比为0.5~1.5且按梯度0.1变化，下弦杆、斜腹杆、竖杆截面面积变化系数分别取λ_X，λ_G和λ_S即改变后与原方案的截面面积之比为0.5~1.5且按梯度0.1变化，探讨E21节点在最不利工况下钢、混构件最不利应力随λ的变化规律，分析结果如图11—图14所示。

由图11—图14可见：混凝土桥面的最不利应力因墩顶局部负弯矩影响而相对较大，其随混凝土厚度变化系数λ_H增大呈先平缓后加速增大趋势，增幅达1 266.53%，影响显著；随下弦杆面积变化系数λ_X线性增大，增幅为6.23%；随斜腹杆截面面积变化系数λ_G和竖杆截面面积变化系数λ_S线性减小，减幅分别为15.72%和7.93%；节点板最不利应力随混凝土厚度变化系数λ_H增大而线性减小，减幅15.82%；随下弦杆截面面积变化系数λ_X、斜腹杆截面面积变化系数λ_G、竖杆截面面积变化系数λ_S线性增大，增幅分别为47.05%，15.70%和1.67%。竖杆最不利应力随λ_H，λ_X和λ_S线性减小，减幅分别为26.95%，5.76%和48.22%；随λ_G线性增大，增幅为17.57%；下弦杆最不利应力随λ_H，λ_X和λ_S线性减小，减幅分别为20.67%，39.69%和0.49%；随λ_G线性增大，增幅分别为4.56%；斜腹板最不利应力随λ_H和λ_S线性减小，减幅分别为20.67%和42.58%；随λ_X和λ_G线性增大，增幅分别为3.98%和1.73%。

混凝土桥面厚度变化时，对自身及各钢构件应力影响均较大；下弦杆截面面积变化时，对节点板、斜腹杆及混凝土桥面板应力影响较大；斜腹杆截面面积变化时，对竖杆应力影响较大；竖杆截面面积变化时，对自身及斜腹杆应力影响较大。

4.2　节点传力的影响参数

为研究混凝土桥面厚度、下弦杆、斜腹杆及竖杆截面面积对E21节点构件传力的影响规律，提取最不利工况下不同λ_X，λ_G和λ_S时的各构件传力比，结果如图15—图18所示。

由图15—图18可见：E21节点纵向荷载传递中，混凝土桥面纵向传力比与混凝土厚度变化系数λ_H呈线性增大，增幅11.1%，下弦杆、斜腹杆纵向传力比与λ_H呈线性减小，减幅分别为10.52%和0.58%；下弦杆纵向传力比与下弦杆截面面积变化系数λ_X呈线性增大，增幅12.59%；混凝土桥面、斜腹杆纵向传力比与λ_X呈线性减小，减幅分别为8.21%和4.38%；斜腹杆纵向传力比与斜腹杆截面面积变化系数λ_G呈线性增大，增幅9.65%。在竖向荷载传递过程中，竖杆竖向传力比与竖杆截面面积变化系数λ_S呈线性增大，增幅9.79%；斜腹杆、下弦杆竖向传力比与λ_S呈线性减小，减幅均小于5%。

下弦杆截面面积及混凝土桥面厚度变化时，对下弦杆、混凝土桥面纵向传力比影响较大；而斜腹杆截面面积变化时，对下弦杆、混凝土桥面纵向传力比影响较小；竖杆截面面积变化时，对自身竖向传力影响相对较大，对斜腹杆、下弦杆的竖向传力比影响较小。

参数分析表明，当混凝土厚度变化系数、下弦杆截面面积变化系数、斜腹杆截面面积变化系数和竖杆截面面积变化系数等参数的取值范围均保持在0.8~1.1时，组合梁E21节点各构件应力及传力均较为合理。

5 结论

（1）钢混板-桁组合梁辅助墩顶钢混节点—E21节点在最不利工况下最大Mises应力为265.9 MPa，位于墩顶处节点板；内、外节点板弧形过渡区域存在一定的应力集中，但量值并不显著；弦杆内混凝土受墩顶局部负弯矩影响，顶面名义拉应力最大为9.2 MPa，会开裂而受力转移至钢结构。

（2）E21节点内外节点板纵向应力因墩顶支反力影响沿纵向总体呈“倒V”形分布，混凝土顶面及底面分别呈“鞍形”及“倒鞍”形分布；主桁斜腹杆因受到桥面混凝土及横梁的影响沿中心线方向存在受力突变；斜撑受力较为均匀。

（3）E21节点左右侧由下弦杆（含管内混凝土）、混凝土桥面分别承担77.86~85.37%，11.05~12.0%的纵向荷载，为主要传力构件；竖杆以轴力承压传递约40.15%的竖向荷载，为竖向主要传力构件。

（4）混凝土桥面厚度变化对自身构件应力影响显著，下弦杆截面面积变化对节点板和斜腹杆应力影响较大，斜腹杆截面面积变化对竖杆应力影响较大，竖杆截面面积变化对自身和斜腹杆应力影响较大。

（5）混凝土桥面厚度和下弦杆截面面积变化对E21节纵向传力比影响大，变化幅度分别为11.10%和12.59%，竖杆截面面积对自身竖向传力影响相对较大，变化幅度为9.79%。

（6）当混凝土桥面厚度系数λ_H、下弦杆截面面积系数λx、斜腹杆截面面积系数λ_G和竖杆截面面积系数λ_S等参数的取值范围均保持在0.8~1.1时，组合梁E21节点各构件应力及传力比均较为合理。

（7）组合节点具有良好的承载能力，墩顶支反力对节点受力影响显著，混凝土厚度及下弦杆、斜腹杆、竖杆截面为节点受力、传力主要影响因素。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研发项目(N2021G034)

中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研发项目(2021K015)