刘沐宇 翟志雄 李 倩 何 勇 张 勇

(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室1) 武汉 430070) (武汉市城建工程有限公司2) 武汉 430015)

0 引 言

国内外学者对组合梁桥中剪力钉的受力特性已经开展了比较多的试验研究和有限元模拟分析[1-4].近几年，剪力钉数值模拟分析广泛应用于工程实际.赵建等[5]将集束式布置的多个剪力钉简化成一个等效剪力钉计算模型进行模拟，再根据群钉的荷载分配关系修正得到实际结构中受力最大的剪力钉受力状况；刘沐宇等[6-7]以港珠澳大桥组合梁为工程背景，采用ANSYS软件建立单跨85 m组合连续梁桥空间精细有限元模型，研究了组合连续梁在剪力钉集束式布置和剪力钉均布式布置两种方式下受力状况，以及荷载工况组合作用下剪力钉沿顺桥向及横桥向应力分布；黄彩萍等[8]通过剪力钉推出试验和数值仿真分析相互验证的方式，找出了合理的钢-混凝土界面及剪力钉的模拟方法，准确地模拟了剪力钉推出试验；高增增[9]采用ANSYS有限元软件，对无柞轨道结构剪力钉受力特性进行了计算分析.由此可见，对剪力钉的有限元模拟，多采用ANSYS有限元软件，进行局部分析，且有关有轨电车钢-混组合曲线梁桥剪力钉有限元研究较少，而ABAQUS有限元软件，以其较强的非线性分析技术，能精确模拟全桥剪力钉受力特性，这对钢-混组合曲线梁桥剪力钉受力特性分析是很有价值的.

文中采用ABAQUS有限元软件, 用弹簧单元Springs/Dashpots模拟剪力钉，建立全桥精细化空间有限元模型，研究四种工况下钢-混组合曲线梁桥剪力钉沿顺桥向和横桥向的受力特性，明确桥梁曲线半径对剪力钉受力影响规律，分析结果对曲线桥梁设计与施工具有重要指导作用.

1 工程概况

武汉市东湖国家自主创新示范区有轨电车T2实验线工程，线路全长19.192 km，跨武黄高速段采用三跨(49 m+54 m+38 m)钢-混组合曲线连续箱梁桥，曲率半径为150 m.钢箱梁采用闭合单箱双室截面，通过均布式剪力钉与混凝土桥面板结合，其中D6墩采用单铰支座形式立在路中绿化带内，D7墩采用墩梁固结形式，其中0～42.5 m为直线段，42.5～141 m为曲线段，见图1.由于桥梁呈小半径曲线，桥面板受弯扭复合作用，剪力钉不仅受顺桥向剪力作用，同时也承受横桥向剪力，剪力钉受力复杂.

图1 主梁纵断面图(尺寸单位：mm)

主梁截面采用钢-混组合箱梁，采用单箱双室截面，梁高3.2 m，桥面宽8.85 m，钢箱梁与桥面板采用均布式剪力钉连接，剪力钉直径22 mm，剪力钉布置见图2，钢箱梁中心线处梁高2.8 m，腹板厚20 mm，顶板厚16 mm，底板跨中处厚25 mm，中支点附近加厚到32 mm，固结墩处腹板、顶板和底板均加厚，主梁横断面图见图3.

图2 剪力钉横断面布置图(单位：mm)

图3 主梁横断面图(单位：mm)

主要技术标准如下：①使用年限，桥梁主体结构为100年；②曲率半径，150 m;③正线数目及线间距，本桥为双线连续梁，线间距4.15 m；④轨道：整体道床，高500 mm；⑤车辆型式采用100%低地板钢轮钢轨现代有轨电车，近期5模块(共6轴)，车辆最大轴重125 kN，最小轴重75 kN.对影响线异符号区段，按75 kN计，见图4.

图4 车辆型式(尺寸单位：m)

根据强度及稳定需要，钢箱梁的顶、底板设通长纵向加劲肋，钢梁腹板设竖向加劲肋，并每隔1.05 m设置横隔板，以保证钢箱梁稳定性.混凝土桥面板宽8.85 m、高0.4 m，采用现浇施工，先浇筑跨中部分，后浇筑支点部分，最后进行预应力张拉处封锚.

2 建立钢-混组合曲线连续梁桥有限元模型

2.1 单元类型的确定

该实验线工程采用2 140个实体单元C3D8模拟混凝土桥面板，用3 704个桁架单元T3D2模拟预应力筋，预应力通过降温法生成，该单元能够传递轴力，而钢筋的抗弯能力对结果影响基本可以忽略不计，将预应力筋通过接触关系 “嵌入”结合在一起；293 825个板单元S4R模拟钢箱梁，同时采用39 210个弹簧单元Springs/Dashpots模拟剪力钉，以准确计算每个剪力钉的内力，空间精细有限元模型见图5～6.

图5 钢-混组合曲线箱梁桥精细有限元模型

图6 剪力钉全桥分布图

2.2 模型参数的确定

材料参数参考相应规范，曲线钢-混组合梁桥相应材料特性见表1，表2.组合连续梁剪力钉布置方式采用均布式布置，直径22 mm，高180 mm，采用ML15钢，根据文献[10]，得到剪力钉材料参数见表3.

表1 曲线钢-混组合梁桥材料特性

表2 预应力束参数

表3 剪力钉材料特性

2.3 荷载工况的确定

据武汉T2有轨电车跨武黄高速高架桥周围环境与结构受力特点，按《地铁设计规范》所列荷载，对桥梁可能出现的荷载进行组合.工况一：自重+二期铺装+纵向预应力;工况二：自重+二期铺装+纵向预应力+活载(列车荷载+离心力+人群荷载+列车横向摇摆力);工况三：自重+二期铺装+纵向预应力+列车外侧脱轨荷载;工况四：自重+二期铺装+纵向预应力+列车内侧脱轨荷载.

其中列车荷载，通过对武汉T2钢-混组合曲线梁桥平面梁单元模型，做移动荷载分析，得到中跨跨中截面为最不利位置，再按确定的车位进行节点荷载对称添加.偏载以脱轨荷载考虑，按照确定的车位，列车集中力直接作用于线路中心线两侧2.1 m的位置，集中力值取为本线列车实际轴重的一半.

3 计算结果分析

3.1 顺桥向剪力钉受力特性

分析计算了四种工况作用下，钢-混组合曲线连续梁桥顺桥向剪力钉剪力分布，见图7～9.

图7 曲线外侧腹板顶部剪力钉分布

图8 曲线中腹板顶部剪力钉分布

图9 曲线内侧腹板顶部剪力钉分布

由图7a)、图8a)和图9a)可知，四种工况作用下剪力钉顺桥向剪力整体趋势一样，边跨在跨中最大，向两侧支点方向减小，中跨在D6,D7支点两侧最大，跨中处顺桥向剪力为0；在四个支点处，剪力钉顺桥向剪力为0；工况二作用下，剪力钉桥梁顺桥向剪力最大，第一跨跨中附近最大为56.65 kN，第三跨跨中附近最大为61.38 kN，顺桥向剪力与工况一相比最大相差为12.71 kN.

由图7b)、图8b)和图9b)可知，在直线段，曲线外侧腹板顶部和内侧腹板顶部剪力钉都受较小横桥向剪力，最大为6.42 kN和5.63 kN，而中线剪力钉横桥向受力为0；在曲线段，中跨在D7墩顶处最大，向D6墩方向减小，第三跨在靠近D7墩处最大，向两侧支点减小，在工况四作用下，剪力钉横桥向剪力最大，分别为23.33和22.13 kN.由此可知，由于小曲线对桥梁的弯扭复合作用，在直线段，中线剪力钉横桥向受力为0，在曲线段，剪力钉不仅受顺桥向剪力，同时还受横桥向剪力，横桥向最大剪力出现在D7墩两侧，向两侧支点减小.

3.2 横桥向剪力钉受力特性

根据顺桥向剪力钉受力特性分析，选取第一跨最大顺桥向剪力横断面(下面称为截面一)和D7墩顶横桥向剪力最大横断面(下面称为截面二)分析了四种工况作用下，钢-混组合曲线连续梁桥剪力钉横桥向剪力分布特性，见图10～11.

图10 截面一剪力钉分布

图11 截面二剪力钉分布

由图10可知，在直线段，中线剪力钉受横桥向剪力为0，腹板曲线内侧和外侧横桥向剪力沿中线对称，受力方向相反，且数值较小；而顺桥向，曲线外侧顺桥向剪力大于中线，曲线内侧剪力最小，其中工况四作用下，顺桥向剪力最大，为15.49 kN.

由图11可知，在曲线段，四种工况作用下剪力钉横桥向剪力沿腹板曲线内侧增大，整体上工况四最大，最大值为23.33 kN，工况三最小，在顺桥向则是工况一最大.由上可知，在曲线段，桥梁曲线内侧腹板顶部剪力钉横桥向剪力大于中间，外侧腹板顶部最小，剪力钉横桥向最大值在D7墩附近，在工况四作用下，曲线内侧腹板顶部剪力钉的横桥向剪力比外侧大63.6%.

4 结 论

1) 在四种工况作用下桥梁剪力钉顺桥向剪力，在边跨跨中、 D6和D7支点附近最大，最大值为61.38 kN；剪力钉横桥向最大值在D7墩附近，为23.33 kN.

2) 与直线段相比，在弯扭复合作用下，桥梁曲线段的剪力钉不仅受顺桥向剪力作用，还受较大横桥向剪力作用，剪力钉受力复杂；曲线内侧腹板顶部剪力钉的横桥向剪力比外侧大，在工况四作用下，两者相差 63.6%.

3) 在四种工况作用下桥梁最大剪应力为66.3 kN，小于文献[11]中剪力钉抗剪强度，满足规范要求.