承压板式墩梁节点传力机理和适用性研究

Force Transmission Mechanism and Applicability Research on the Pier-beam Joint with Bearing Plates

摘要

在箱形组合刚构桥墩梁节点位置的受压区箱梁底部设置承压板，可增大受压面积，避免箱梁底板应力集中和局部屈曲.承压板式墩梁节点传力机理与适用性尚不明确，缺乏相应的节点构造设计方法.鉴于此，本文通过验证后的实体有限元计算模型，开展承压板式箱形组合刚构桥试设计，研究承压板式墩梁节点的传力机理和荷载占比，建立墩梁节点内力计算方法，开展承压板构造参数和适用性分析.研究结果表明：在试设计构造尺寸和材料特性确定基础上，承压板式墩梁节点在轴压力和轴拉力作用时，主要通过箱梁腹板传力，占比分别约为60%和50%.弯矩传力机理与轴力类似，剪力作用下，剪力背向侧主要通过纵向加劲肋传力，占比约为-80%；剪力同向侧主要通过承压板传力，占比约为80%.理论计算结果与有限元计算结果偏差不大于8.8%，可用于承压板式墩梁节点内力计算.建议承压板构造设计中，相对横向间距取1/6、相对板厚取1.当墩高超过15 m，梁墩线刚度比大于0.047，承压板式墩梁节点的钢梁应力小于常规形式墩梁节点的钢梁应力；当墩高超过30 m后，采用承压板构造，可显著降低箱形组合刚构桥墩梁节点位置的钢梁应力.

Abstract

Bearing plates installed at the bottom of the box girder in the compression zone at the pier-beam joint of the box-shaped composite rigid frame bridge can increase the compression area and avoid stress concentration and local buckling of the box girder bottom plate. The force transmission mechanism and applicability of bearing plate typed pier-beam joint are not clear. The design method of the joint construction is lacking. According to the verified solid finite element calculation model， the trial design of the box-shaped composite rigid frame bridge with bearing plates is conducted. The force transmission mechanism and load bearing ratio of the bearing plate typed pier-beam joint are analyzed. A calculation method of the internal force of the pier-beam joint is established， and a parameter analysis of the arrangement of bearing plates is carried out. Results indicate that， on the basis of determining the dimensions and material characteristics of the trial design， axial pressure and axial tension are mainly transmitted through the web plate of the girder， accounting for about 60% and 50%， respectively. The force transmission mechanism of bending moment action is similar to that of axial force. The shear force is mainly transmitted through the longitudinal stiffeners on the back side， accounting for about -80%； The shear force is mainly transmitted through the bearing plate on the same side， accounting for about 80%. The deviation between the theoretical calculation results and the finite element calculation results is less than 8.8%. The theoretical calculation can be applied to the internal force calculation of the bearing plate typed pier-beam joint. It is suggested that the relative transverse spacing should be 1/6 and the relative plate thickness should be 1 in the design of bearing plate. When the pier height exceeds 15 m， the beam-pier linear stiffness ratio is greater than 0.047， and the steel girder stress of the bearing plate typed pier-beam joint is less than that of the conventional pier-beam joint. When the pier height exceeds 30m， the steel girder stress at the pier-beam joint of the box-shaped composite rigid frame bridge can be significantly reduced by using the bearing plates.

Graphical abstract

关键词

桥梁工程 / 组合刚构桥 / 墩梁节点 / 承压板 / 传力机理 / 适用性分析

Key words

bridge engineering / composite rigid frame bridge / pier-beam joint / bearing plate / force transmission mechanism / applicability analysis

刚构桥的主梁与桥墩固结形成整体以共同抵抗外荷载，充分发挥墩身结构的作用，具有桥下净空大、无支座、桥面平顺性和抗震性能好等优点^［1］.国内已建成的刚构桥多为预应力混凝土连续刚构桥，主要存在跨中主梁下挠和主梁顶、底板及腹板开裂等病害^［2-3］.钢-混凝土组合刚构桥可避免上述问题，同时节省桥梁维护费用^［4-6］.

组合刚构桥的主梁常采用箱形截面以提高跨越能力，其中墩梁节点构造设计最为关键，将直接影响到主梁内力有效地传递到桥墩.设计中如果直接将桥墩主筋穿入墩梁结合部形成箱形组合刚构桥，则负弯矩区箱梁底部将承受较大的压力，导致钢底板应力集中和局部屈曲，负弯矩区混凝土也易开裂.为解决箱形组合刚构桥负弯矩区受力问题，国内外学者提出了多种墩梁节点构造形式并开展相应研究.吉伯海等^［7-8］提出了一种内部全部采用高强螺栓连接的钢混结合部，并通过静力往复加载试验验证了这种新型结合部的受力性能.聂鑫^［9］通过钢-混凝土组合刚构桥钢筋式结合部、钢套筒式结合部的抗震性能试验和数值模拟，研究了墩梁结合部的传力机理和受力规律.樊健生等^［10］对波形钢腹板组合刚构桥墩梁结合部以及墩顶位置组合梁负弯矩区的受力性能进行了试验研究.地震频繁的日本已建成多座箱形组合刚构桥，墩梁节点主要采用栓钉、开孔钢板、预应力锚杆等形式连接，发展了锚杆式、承压板式、钢筋式、钢柱式等节点构造.角昌隆等^［11］、鈴木祐二等^［12］对某箱形组合刚构桥墩梁节点开展了1/5缩尺试验，研究了恒、活荷载作用下箱形组合刚构桥墩梁节点各个构件的应力特性和传力机制.小野誠大等^［13］、藤原良憲等^［14］、飯束義夫等^［15］、望月秀次等^［16］对某钢柱式墩梁节点进行了1/4缩尺试验，分析了钢柱式墩梁节点的传力路径和传力机制.森圭司等^［17］对腹板倾斜布置的箱形组合刚构桥墩梁结合部开展实体有限元分析，建立了墩梁结合部的设计方法.伊藤始等^［18］将上部结构采用开口钢箱梁、下部结构采用型钢混凝土（Steel Reinforced Concrete，SRC）墩的组合刚构桥刚结部作为研究对象，开展循环往复加载试验并建立实体有限元模型，对各部分的受力性能和刚结部的塑性化进行了研究，并提出此种刚结部的设计方法.岩崎初美等^［19］针对内壁不设开孔钢板连接件、内壁设置开孔钢板连接件、内壁设置开孔钢板连接件且桥墩钢筋伸入结合部内等三种不同的刚构桥墩梁节点进行了试验分析及数值模拟.

近年来，钢混组合梁桥在我国发展迅速，但相应的设计规范尚未有关箱形组合刚构桥的设计规定.工民建领域已开展了较多梁柱节点方面研究^［20-21］，与之相比，桥梁墩梁节点的研究和设计方法较少，未见有关箱形组合刚构桥工程实例，不利于这一桥型的发展.本文针对箱形组合刚构桥承压板式墩梁节点进行研究，并开展实桥试设计，分析承压板式墩梁节点传力路径与荷载分配机制、承压板构造影响参数和适用性，以期完善这种形式墩梁节点设计原理和方法，为这类桥型的设计和应用提供参考.

1 承压板式墩梁节点构造和传力机理

1.1 承压板式墩梁节点构造

承压板式墩梁节点构造如图1所示.通过在墩梁节点位置的箱梁底部受压区设置承压板，增大受压面积，避免箱梁底板应力集中和局部屈曲.在墩梁节点顶部设置纵向加劲肋，分担负弯矩区部分拉应力，降低桥面板开裂风险.加劲肋与横隔板焊接，加劲肋底部、横隔板和箱梁腹板通过栓钉连接件与墩顶伸出的桥墩主筋和混凝土共同受力.

1.2 节点传力理论分析

箱形组合刚构桥墩梁节点各部件间的接触关系是影响传力的关键因素.墩梁节点受力如图2所示，由两侧主梁和桥墩组成T形结合部，荷载传递通过结合部两侧主梁、承压板、横隔板、纵向加劲肋、栓钉等构件来实现.主梁内力经结合部传递至桥墩，并在桥墩截面产生轴力、弯矩和剪力.

轴力传递如图3所示.图中N为桥墩截面的轴力，Q₁、Q₂为两侧主梁截面的剪力.要满足受力平衡，则N=Q₁+Q₂.主梁截面剪力经结合部传递，在桥墩截面产生轴力，桥墩截面的轴力经相反传力路径在主梁截面产生剪力.

弯矩传递如图4所示.图中M为桥墩截面弯矩，M₁、M₂为两侧主梁截面弯矩.要满足结合部受力平衡，则M=M₁+M₂.弯矩M可视为一对大小相等、方向相反的力偶，其值为M=FD，D为结合部混凝土桥墩纵桥向长度.主梁截面的弯矩经结合部在桥墩截面产生弯矩，桥墩截面的弯矩经相反传力路径在主梁截面产生弯矩.

剪力传递如图5所示.图中Q为桥墩截面的剪力，N₁、N₂为两侧主梁截面的轴力.要满足结合部受力平衡，则Q=N₁+N₂.主梁截面的轴力经结合部传递，在桥墩截面产生剪力，桥墩截面的剪力经相反传力路径在主梁截面产生轴力.

根据以上接触关系，将轴力、弯矩和剪力的传力路径汇总于表1.

1.3 节点有限元模型与正确性验证

1.3.1 节点模型试验介绍

节点传力路径和荷载分担情况分析无法通过杆系有限元进行分析，需要通过实体有限元模型开展.根据相关承压板墩梁节点模型试验结果^［12］，建立实体有限元模型并验证其正确性，分析传力机理和荷载分担情况.试验模型与本文研究对象类似，如图6所示.钢箱梁腹板与横隔板焊接形成箱形结合部，通过内腹板将结合部分成六个部分，钢筋混凝土桥墩向上贯入箱形结构并浇筑至顶板纵向加劲肋底部.钢箱梁底部设置承压板，横隔板和纵向加劲肋表面均通过阵列式栓钉与混凝土连接，栓钉规格均采用 φ13×50 mm，桥墩纵向钢筋规格由内到外分别采用 ϕ10和ϕ19.

该试验重点研究墩梁结合部的受力，不考虑桥面板混凝土，分别采用正置竖向和倒置纵向两种加载方案：将墩底两端固结，在梁体上通过千斤顶施加竖直方向的4个力P₁、P₂、P₃、P₄，模拟梁在竖直方向力的作用下的受力情况；将结合部倒置，将梁体两端固结，在桥墩处施加水平方向荷载F_h，模拟梁在水平方向力的作用下的受力情况，加载方式如图7所示.

1.3.2 节点实体模型

采用有限元通用软件ABAQUS建立试验模型实体有限元模型，如图8所示.包含钢箱梁、横隔板、承压板、纵向加劲肋、栓钉、结合部混凝土、钢筋混凝土桥墩和桥墩纵向钢筋等部分.钢筋采用T3D2桁架单元模拟，其余部件采用C3D8R实体单元模拟.混凝土采用ABAQUS内置的塑性损伤模型，其应力-应变曲线如图9所示.定义5个塑性参数：膨胀角ψ取30，流动势偏心率ε取0.1，双轴受压与单轴受压极限强度比f_b0/f_c0取1.16，不变量应力比K取0.667，黏性参数μ取0.005.钢材和钢筋采用双折线塑性模型，其应力-应变曲线如图10所示.根据文献［12］将材料参数汇总于表2.正置竖向加载将墩底固结，在主梁4块横隔板处施加竖向荷载P₁=-1 470 kN、 P₂=1 150 kN、P₃=6 10 kN、P₄=-940 kN.倒置纵向加载试验将模型倒置，梁体两端固结，桥墩处施加水平方向荷载F_h，直至混凝土压坏.

1.3.3 计算结果对比

如图11所示，试验构件共有9块钢横隔板，从左到右依次编号为D1~D9.其中，D5为结合部中央横隔板，D4为结合部左侧横隔板，D6为结合部右侧横隔板.钢箱梁内有2块内腹板，分别编号为Z1和Z2.结合区域有6根纵向加劲肋，分别编号为R1~R6.桥墩纵筋共9个测点，其中①、②、③号钢筋分别为桥墩最左侧纵筋、靠近中央横隔板处纵筋、最右侧纵筋，a、b、c分别为每根钢筋顶端区域、靠近承压板区域、钢筋中点处区域.

竖直加载后测得结合部区域钢箱梁顶板部分点的应力值，点的位置如图11中黄点所示.顶、底板测点应力对比如表3和表4所示，桥墩纵筋测点应力对比如表5所示.可以看出，结合部附近钢箱梁顶、底板应力有限元计算值与试验值最大误差不超过9%，桥墩纵筋应力有限元计算值与试验值最大误差不超过8.5%.

倒置纵向加载下加载点荷载-位移曲线对比如图12所示.桥墩开始产生裂缝时，试验和有限元模型的水平方向荷载F_h分别为400.0 kN和381.3 kN，误差为-4.7%；桥墩受拉侧主筋屈服时，试验和有限元模型的F_h分别为900.0 kN和855.7 kN，误差为-4.9%；桥墩混凝土压坏时，试验和有限元模型F_h分别为1 400.0 kN和1 372.0 kN，误差为-2.0%.有限元计算结果与试验结果吻合良好，可以验证承压板式墩梁节点有限元建模正确性.

2 实桥试设计研究

开展承压板式墩梁连接的箱形组合刚构桥试设计，分析墩梁节点传力占比和工程可行性.

2.1 设计参数统计

刚构桥桥墩的受力情况主要与桥墩截面尺寸、桥墩高度、边中跨比、单跨梁墩跨高比、梁墩刚度比、单跨梁墩线刚度比等因素有关.本文统计了部分日本已建成的等截面箱形组合刚构桥主要设计参数，如图13所示.桥梁全长在150~600 m范围，单跨主跨跨径在60~110 m范围，边中跨比多为0.5~1.0，单跨梁墩跨高比多为2.0~4.0，梁墩刚度比多为0.15~0.55，单跨梁墩线刚度比多为0.05~0.20.

另将统计到的国内部分箱形组合连续梁桥和日本箱形组合刚构桥设计参数进行对比，如图14所示.相同跨径下，箱形组合刚构桥的梁高较箱形组合连续梁桥低5%~25%，降幅随着主梁跨径增大而减小，箱形组合刚构桥高跨比也低于箱形组合连续梁桥.

2.2 总体布置

根据设计参数统计，拟定试设计桥梁长度为 3×60 m，整体布置如图15所示，主要设计参数如 表6所示.

2.3 墩梁节点设计

实桥墩梁节点构造形式如图16所示.桥墩处钢箱梁设置2道钢横隔板，横隔板底部设置钢承压板，钢箱梁顶部设置纵向加劲肋，墩梁结合区域钢箱梁不设置底板，钢筋混凝土桥墩向上贯入钢箱梁内部，在主梁腹板内侧、横隔板内侧和顶部纵向加劲肋下缘设置栓钉连接件，桥墩主筋向上延伸锚固于结合部中，最后在封闭区域内浇筑混凝土使墩梁固结形成整体.

2.4 传力占比分析

综合考虑圣维南原理、模型网格数量等因素，墩梁节点模型截取区域以刚接部为原点，沿主梁方向取1.3倍梁高长度，截取位置如图15中所示的1-1、 2-2、3-3截面.建立试设计桥梁墩梁节点实体有限元模型，将主梁两端固结，利用耦合约束在桥墩截面分别单独施加2 000 kN轴压力、2 000 kN轴拉力、 2 000 kN·m弯矩和2 000 kN剪力，通过传力理论分析各部件受力情况，得到各部件传力占比，实桥节点模型如图17所示.

2.4.1 轴力传递

在桥墩截面施加轴压力N_P=2 000 kN，方向竖直向上.由结构对称可知两侧主梁截面上的剪力Q_1np=Q_2np=N_P/2=1 000 kN，方向竖直向下.分别提取主梁、横隔板、纵向加劲肋和承压板以及对应区域混凝土和栓钉的竖向剪力，采用相同方法，计算轴拉力N_T=2 000 kN情况下各部件传力占比，结果如图18所示.可以看出，轴压力作用下，结合部主梁腹板传力占比59.4%，横隔板传力占比23.4%，纵向加劲肋传力占比9.0%，承压板传力占比8.2%.轴拉力作用下，结合部主梁腹板传力占比48.2%，横隔板传力占比35.9%，纵向加劲肋传力占比12.3%，承压板传力占比3.6%.

各传力路径的传力占比随轴力变化如图19所示.可以看出，轴压力变化情况下，主梁腹板传力占比60%，横隔板传力占比在20%，纵向加劲肋传力占比10%，承压板传力占比10%.轴拉力作用下，主梁腹板传力占比在50%，横隔板传力占比在35%，纵向加劲肋传力占比在10%，承压板传力占比在5%.

2.4.2 弯矩传递

在桥墩截面施加弯矩M_s=2 000 kN·m，两侧主梁截面上的弯矩M_1N、M_2N之和在数值上与M_s相等.提取桥墩上的轴力为444 kN，数值与M/D近似相等，则弯矩M可视为一对大小相等、方向相反的力偶，在力偶的作用下，两侧主梁剪力的传递可等同于轴拉力和轴压力的传递，各部件的传力占比与轴拉力和轴压力下的传力占比一致.

2.4.3 水平剪力传递

在桥墩截面施加水平剪力Q_R=2 000 kN，方向水平向右.提取左右两侧主梁轴力分别为N_1L=704 kN、N_2L=1 296 kN，方向水平向左.改变剪力大小，分别提取水平剪力变化情况下两侧主梁腹板、横隔板、纵向加劲肋和承压板以及对应区域混凝土和栓钉的竖向剪力，结果如图20所示.受拉侧（左侧）主梁腹板传力占比集中在55%附近，横隔板传力占比集中在55%附近，纵向加劲肋传力占比在-80%，承压板传力占比在70%.受压侧（右侧）主梁腹板传力占比在25%，横隔板传力占比在25%，纵向加劲肋传力占比在-30%，承压板传力占比在80%.

2.5 节点内力计算方法

采用MIDAS/Civil建立试设计桥梁杆系有限元计算模型，基本组合下的边界荷载大小示于表7，将荷载施加于墩梁节点局部实体模型，如图21所示.轴力和剪力沿坐标轴正方向为正，弯矩绕节点顺时针为正.

2.5.1 剪力和弯矩分配计算

实桥墩梁节点受力包括轴力、弯矩、剪力共同作用.根据节点在轴力、弯矩、剪力单独作用下的传力机制可知，墩梁节点各部件的竖向剪力是由主梁竖向剪力和弯矩共同作用产生，弯矩作用将桥墩截面分为受拉侧和受压侧.主梁竖向剪力作用对墩梁节点各部件所产生的竖向剪力大小和方向相同，弯矩作用对各部件所产生的竖向剪力大小相等但方向相反.通过叠加主梁剪力和弯矩传递至墩梁节点的作用力，即可得到作用于受拉侧与受压侧各部件的作用力.根据传力占比分析结果，建立节点不同截面位置内力计算公式：

P_{\mathrm{1}\mathrm{T}}=\left[Q_{\mathrm{1}}-(M_{\mathrm{1}}-M_{\mathrm{2}})/D\right]\times \mathrm{60}\mathrm{\%}（1）

P_{\mathrm{2}\mathrm{T}}=\left[Q_{\mathrm{1}}-(M_{\mathrm{1}}-M_{\mathrm{2}})/D\right]\times \mathrm{20}\mathrm{\%}（2）

P_{\mathrm{3}\mathrm{T}}=\left[Q_{\mathrm{1}}-(M_{\mathrm{1}}-M_{\mathrm{2}})/D\right]\times \mathrm{10}\mathrm{\%}（3）

P_{\mathrm{4}\mathrm{T}}=\left[Q_{\mathrm{1}}-(M_{\mathrm{1}}-M_{\mathrm{2}})/D\right]\times \mathrm{10}\mathrm{\%}（4）

P_{\mathrm{1}\mathrm{P}}=\left[Q_{\mathrm{2}}+(M_{\mathrm{1}}-M_{\mathrm{2}})/D\right]\times \mathrm{60}\mathrm{\%}（5）

P_{\mathrm{2}\mathrm{P}}=\left[Q_{\mathrm{2}}+(M_{\mathrm{1}}-M_{\mathrm{2}})/D\right]\times \mathrm{20}\mathrm{\%}（6）

P_{\mathrm{3}\mathrm{P}}=\left[Q_{\mathrm{2}}+(M_{\mathrm{1}}-M_{\mathrm{2}})/D\right]\times \mathrm{10}\mathrm{\%}（7）

P_{\mathrm{4}\mathrm{P}}=\left[Q_{\mathrm{2}}+(M_{\mathrm{1}}-M_{\mathrm{2}})/D\right]\times \mathrm{10}\mathrm{\%}（8）

式中：P_1T、P_2T、P_3T、P_4T分别为受拉侧主梁腹板、横隔板、纵向加劲肋、承压板的竖向作用力；P_1P、P_2P、P_3P、P_4P分别为受压侧主梁腹板、横隔板、纵向加劲肋、承压板的竖向作用力；D为桥墩纵桥向宽度，（M₁-M₂）/D为弯矩对应墩宽的等效力偶；Q₁、Q₂、M₁、M₂分别是两侧主梁与结合部交界面的剪力和弯矩.

按表7取值代入式（1）~式（8），将各部件传力占比的公式计算结果与实桥有限元模型计算结果汇总于表8，可以看出，理论公式计算结果和有限元模拟结果误差在7.1%以内.

2.5.2 轴力分配计算

与剪力和弯矩传递相比，轴力使各部件产生纵向水平力，可直接计算得到轴力差，通过部件传递的荷载百分比计算得到内力分配.将水平轴力作用下各部件荷载分担占比的计算结果与实桥有限元模型计算结果汇总于表9，可以看出，计算结果和有限元模拟结果误差在8.8%以内.

3 承压板构造参数分析

3.1 承压板间距

承压板在满足构造要求下等间距布置，改变间距和尺寸，研究受力差异.构造要求包括受压板件加劲肋和底板加劲肋两部分.承压板十字形加劲肋根据《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）中T形钢加劲肋设计规定，取b_s0=230 mm，t_s0=40 mm，h_s=500 mm，t_s=40 mm，则：

\mathrm{5.75}=\frac{\mathrm{230}}{\mathrm{40}}=\frac{b_{\mathrm{s}\mathrm{0}}}{t_{\mathrm{s}\mathrm{0}}}\le \mathrm{12}\sqrt[]{\frac{\mathrm{345}}{f_{\mathrm{y}}}}=\mathrm{12}\sqrt[]{\frac{\mathrm{345}}{\mathrm{420}}}=\mathrm{10.88}（9）

\mathrm{12.50}=\frac{\mathrm{500}}{\mathrm{40}}=\frac{h_{\mathrm{s}}}{t_{\mathrm{s}}}\le \mathrm{30}\sqrt[]{\frac{\mathrm{345}}{f_{\mathrm{y}}}}=\mathrm{30}\sqrt[]{\frac{\mathrm{345}}{\mathrm{420}}}=\mathrm{27.19}（10）

满足规范对受压T形钢加劲肋构造要求.钢梁底板加劲肋构造要求受压底板加劲肋的间距不宜大于底板厚度的40倍.试设计箱梁底板厚度30 mm，则承压板横向间距d≤1 200 mm.当钢梁受压底板厚度 t≤30 mm时，Q420钢梁受压底板的最小厚度为 b/（42fn），计算得到底板加劲肋的布置等分数n≥4.5，即等分数n至少取5，底板加劲肋数n_r至少取4，此时承压板最大间距d≤5 400/5=1 080 mm，对应的承压板的布置间距与钢箱梁底板宽度之比为1/5.分别建立7组实体有限元模型，横向布置3~10组承压板，其余尺寸与试设计一致，各模型参数汇总于表10.

计算得到钢梁和桥墩混凝土的主应力结果如 图22所示，承压板传力占比变化如图23所示.可以看出，仅设置3个承压板，钢梁主拉应力和主压应力明显增加.承压板数量从3增加到5，即相对横向间距为1/6时，钢梁和混凝土桥墩主应力减小幅度较大，承压板传力占比增速较快.承压板数量从5增加到10，钢梁和混凝土桥墩主应力减小幅度较小，承压板传力占比增速较慢，因此，在保持单个承压板尺寸不变的情况下，等间距横向设置5个承压板，即相对横向间距为1/6时较合理.

3.2 承压板厚度

在设置5个承压板基础上，研究改变承压板厚度对节点受力性能影响.此时b_s0=230 mm，代入式（9）中，得t_s≥21.1 mm；将h_s=460+t_s，代入式（10）中，得t_s≥ 17.6 mm，要满足受压板件加劲肋构造要求，需t_s≥21.1 mm.建立2组实体有限元模型，横向等间距布置5个承压板，板厚分别为25 mm、30 mm，其他尺寸与试设计一致.另建立5个板厚分别为10 mm、15 mm、20 mm、35 mm和40 mm的模型，研究承压板板厚在低于规范构造要求的情况下和略超过母板厚度的情况下结合部的受力情况.各模型参数如表11所示.

计算得到钢梁和桥墩混凝土的主应力结果如 图24所示，承压板传力占比变化如图25所示.可以看出，承压板板厚从20 mm增大到30 mm，钢梁和桥墩混凝土主应力减小显著，承压板传力占比增速较快；板厚超过30 mm，钢梁和桥墩混凝土主应力几乎不变，承压板传力占比趋于平缓.因此，等间距横向设置5个承压板、板厚为30 mm，即相对横向间距为 1/6、相对板厚为1时较合理.

4 承压板式墩梁节点适用性分析

组合刚构桥的桥墩线刚度随着墩高减小而增加，桥墩分配到的内力随之增大，当内力增大到一定值时，箱梁底板和承压板可能因局部压应力过大而屈服.为研究承压板式墩梁节点的适用范围，改变试设计桥梁墩高，变化范围在5~60 m区间，分别提取墩梁结合部截面内力作为边界荷载，施加在墩梁节点实体模型中，计算得到不同墩高下墩梁节点钢梁和混凝土主应力，并与无承压板下的常规箱形组合刚构桥进行对比，如图26所示.

结果表明，有无承压板在不同墩高情况下，墩梁节点区域混凝土受力均可满足强度要求.墩高较低时，承压板应力增大速度要大于钢梁其他部位，当墩高降至8 m，梁墩线刚度比为0.025，承压板最大压应力接近320 MPa，承压板会因局部压应力过大而屈服，无法发挥承压板作用.墩高超过15 m，梁墩线刚度比大于0.047，承压板式墩梁节点钢梁应力小于常规形式墩梁节点的钢梁应力.当墩高超过30 m后，采用承压板构造可显著降低钢梁应力.

5 结 论

1）开展承压板式墩梁节点传力机制理论分析，根据接触关系归纳墩梁结合部传力路径，包含主梁腹板、横隔板、纵向加劲肋和承压板四种传力路径.建立墩梁节点实体有限元模型，与试验结果进行对比，验证了墩梁节点实体有限元建模方法正确性.

2）在试设计构造尺寸和材料特性确定基础上，分析试设计桥梁墩梁节点传力占比，轴压力作用下主梁腹板、横隔板、纵向加劲肋、承压板传力占比分别为60%、20%、10%、10%；轴拉力作用下主梁腹板、横隔板、纵向加劲肋、承压板传力占比分别为50%、35%、10%、5%；剪力作用下剪力背向侧主梁腹板、横隔板、纵向加劲肋、承压板传力占比分别为55%、55%、-80%、70%；同向侧主梁腹板、横隔板、纵向加劲肋、承压板传力占比分别为25%、25%、-30%、80%.建立节点内力计算方法，理论计算和有限元计算结果偏差在8.8%以内，可用于采用承压板式墩梁节点内力计算.

3）对比分析承压板横向间距和厚度变化情况下节点受力变化情况，建议承压板设计中相对横向间距取1/6、相对板厚取1较为合理.改变桥墩高度，进行承压板式墩梁节点适用性分析，并与无承压板下的常规箱形组合刚构桥进行对比.结果表明，有无承压板在不同墩高情况下，墩梁节点区域混凝土受力均可满足强度要求.墩高小于8 m时， 承压板应力增大速度要大于钢梁其他部位，导致承压板因局部压应力过大而屈服，无法发挥承压板作用.墩高超过 15 m，梁墩线刚度比大于0.047，承压板式墩梁节点钢梁应力小于无承压板墩梁节点的钢梁应力.当墩高超过30 m后，采用承压板构造，可显著降低箱形组合刚构桥墩梁节点位置的钢梁应力.

参考文献

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51608125)

National Natural ScienceFoundation of China(51608125)

福建省自然科学基金资助项目(2022J01093)

Natural Science Foundation of Fujian Province(2022J01093)