混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置力學(xué)性能

楊 明，黃 僑，榮學(xué)亮

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，210096 南京，bartty－ym@sina.com;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，150090 哈爾濱)

混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置力學(xué)性能

楊 明1，2，黃 僑1，2，榮學(xué)亮2

(1.東南大學(xué) 交通學(xué)院，210096 南京，bartty－ym@sina.com;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，150090 哈爾濱)

針對波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力箱梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)和構(gòu)造特點，采用有限元分析與實驗研究相結(jié)合的方法，研究用于波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力箱梁的混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置的承載機理、受力特點、破壞形態(tài)、極限承載力等力學(xué)特性.采用非線性有限元方法對結(jié)構(gòu)從加載開始直至破壞的受力全過程進行了模擬分析，并用實驗對有限元分析的結(jié)果進行驗證，二者吻合良好.結(jié)果表明:轉(zhuǎn)向裝置對混凝土翼緣板的局部影響集中在轉(zhuǎn)向裝置與混凝土翼板連接部分及附近區(qū)域內(nèi);轉(zhuǎn)向裝置破壞時，受拉區(qū)混凝土受拉開裂、環(huán)向鋼筋受拉屈服，而受壓區(qū)混凝土受壓劈裂破壞;轉(zhuǎn)向裝置受壓區(qū)混凝土的受力表現(xiàn)出明顯的偏心受壓構(gòu)件的受力特點.研究結(jié)果可供工程設(shè)計人員在設(shè)計波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力箱梁轉(zhuǎn)向裝置時參考.

波紋鋼腹板;體外預(yù)應(yīng)力箱梁;混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置;力學(xué)性能

作為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的一種改進形式，波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力箱梁采用了具有良好力學(xué)性能的波紋鋼板作為結(jié)構(gòu)的腹板，解決了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力管道布置繁瑣、施工復(fù)雜、管道灌漿質(zhì)量不易保證、腹板裂縫難于控制、腹板開裂后預(yù)應(yīng)力筋銹蝕嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性、混凝土腹板對結(jié)構(gòu)收縮徐變的約束降低了預(yù)應(yīng)力的效率等一系列難以解決的問題［1－2］.與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁相比，這種結(jié)構(gòu)具有重量輕、預(yù)應(yīng)力效率高、施工簡便、耐久性好、造型美觀等優(yōu)點［3－4］.

在體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，體外預(yù)應(yīng)力筋通過轉(zhuǎn)向裝置改變方向從而形成預(yù)應(yīng)力折線配筋，體外預(yù)應(yīng)力筋對梁體的作用也通過轉(zhuǎn)向裝置傳遞.可見，轉(zhuǎn)向裝置是體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中最關(guān)鍵的構(gòu)造之一.體外預(yù)應(yīng)力的轉(zhuǎn)向裝置通常有橫隔板式、肋式和塊式3種，見圖1.在3種轉(zhuǎn)向裝置中，肋式轉(zhuǎn)向裝置的體積和重量介于橫隔板式和塊式之間，同時承載能力也介于二者之間.肋式轉(zhuǎn)向裝置通常由鋼管轉(zhuǎn)向器、環(huán)向鋼筋、周邊箍筋以及周圍混凝土構(gòu)成.承載力主要通過轉(zhuǎn)向肋柱體受壓承擔(dān)，環(huán)向鋼筋和受拉區(qū)混凝土也可提供一部分的承載力.

圖1 體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的轉(zhuǎn)向裝置形式

本文采用有限元模擬分析與實驗相結(jié)合的方法，研究了波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置的力學(xué)性能［2］，旨在為該類橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù).

1 混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置有限元分析

1.1 有限元模型的建立

1.1.1 模型建立的原則和非線性問題的簡化

采用通用有限元軟件ABAQUS對混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置進行非線性有限元分析，研究內(nèi)容主要為轉(zhuǎn)向裝置的力學(xué)性能和轉(zhuǎn)向裝置對箱梁翼緣板的局部影響.轉(zhuǎn)向裝置從承受轉(zhuǎn)向力開始直至破壞的過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，包含了多種非線性力學(xué)模式.為減少計算成本，使模型計算更易于收斂，建模時根據(jù)研究的目的對模型進行了適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略了對結(jié)構(gòu)影響較小的部分非線性問題(如梁段模型中的混凝土材料非線性和波紋鋼板與混凝土翼緣板間的接觸非線性等).有限元分析過程中，分別建立了梁段模型和肋式轉(zhuǎn)向裝置局部模型.其中梁段模型主要研究轉(zhuǎn)向裝置對混凝土翼緣板的局部影響，而轉(zhuǎn)向裝置局部模型則主要研究轉(zhuǎn)向裝置從開始受力到破壞的全過程的力學(xué)行為.

1.1.2 梁段模型

梁段模型主要用以研究轉(zhuǎn)向裝置對梁段的局部影響.由于在體外預(yù)應(yīng)力筋加載過程中上下鋼筋混凝土翼板基本處于彈性受力階段，因此在模型分析中忽略了混凝土材料的非線性影響.梁段模型中，最主要的組件是帶肋式轉(zhuǎn)向裝置的梁段，除此之外梁段模型中還包括了提供轉(zhuǎn)向力的體外預(yù)應(yīng)力筋、轉(zhuǎn)向裝置中的轉(zhuǎn)向器、普通鋼筋、環(huán)向鋼筋、波紋鋼腹板以及模擬支座的支撐等組件.全部組件采用國際單位制(m、Pa、N)按照實驗中的真實尺寸建模，主要組件和裝配后模型見圖2.

圖2 梁段模型

由于二階單元不適于帶有接觸非線性和材料非線性問題的模擬［5］，梁段模型中實體組件(混凝土梁段、轉(zhuǎn)向裝置、轉(zhuǎn)向器和體外預(yù)應(yīng)力筋)選擇了C3D8R這種減縮積分的一階六面體單元.C3D8R單元在彎曲荷載作用時不會發(fā)生剪切自鎖，對于彈塑性問題又不會產(chǎn)生體積自鎖，適合于本模型［6－7］.為殼組件(波紋鋼腹板)選擇了減縮積分的4節(jié)點殼單元S4R、為線組件(普通鋼筋和環(huán)向連接鋼筋)選擇了2節(jié)點三維桁架單元T3D2.對于采用C3D8R單元的三維實體組件，通過合理規(guī)劃模型，在網(wǎng)格劃分時使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，劃分出的網(wǎng)格質(zhì)量良好.在轉(zhuǎn)向裝置附近的區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格適當(dāng)加密.

1.1.3 轉(zhuǎn)向裝置局部模型

轉(zhuǎn)向裝置局部模型中僅包含:與轉(zhuǎn)向裝置直接相連的小段梁體、轉(zhuǎn)向裝置和轉(zhuǎn)向器，見圖3.轉(zhuǎn)向裝置局部模型中主要考慮的非線性問題是混凝土與鋼筋的材料非線性，單元和材料本構(gòu)選擇應(yīng)滿足彈塑性分析要求.根據(jù)這一原則，為混凝土與鋼管的三維實體組件選擇了C3D8R單元，為鋼筋選擇了理想彈塑性本構(gòu)，為混凝土材料選擇了塑性損傷模型的混凝土本構(gòu).需要說明的是，塑性損傷模型通過定義反映混凝土受拉開裂及受壓破碎的損傷因子，改變損傷后混凝土的彈性模量，并以此模擬混凝土受力破壞過程中逐漸失去承載力的力學(xué)行為.采用塑性損傷模型的構(gòu)件，通過拉伸塑性應(yīng)變模擬裂縫的產(chǎn)生和程度.由于在進行彈塑性分析時，較密的網(wǎng)格有利于計算的收斂.因此，在轉(zhuǎn)向裝置局部模型中，加大了網(wǎng)格密度，使得劃分出的單元尺寸接近混凝土骨料粒徑.

圖3 轉(zhuǎn)向裝置局部模型

1.2 梁段模型的計算結(jié)果和分析

1.2.1 梁段模型的計算結(jié)果

圖4為梁段模型計算得到的實驗梁在實驗荷載作用下的等效應(yīng)力(Mises應(yīng)力)云圖.在圖中可以看出轉(zhuǎn)向裝置對結(jié)構(gòu)的局部影響主要集中在梁體與轉(zhuǎn)向塊連接的部分及附近的一小塊區(qū)域.該區(qū)域在縱向和橫向的大小約為轉(zhuǎn)向裝置自身尺寸的2倍.鋼筋混凝土翼板受到轉(zhuǎn)向裝置局部影響區(qū)域的等效應(yīng)力值在1～5 MPa之間，離開這一范圍應(yīng)力迅速減小.受環(huán)向鋼筋粘結(jié)力作用影響，最大應(yīng)力位于上翼板下緣環(huán)向鋼筋與翼板相連處，最大值為5.98 MPa.

圖4 梁段模型Mises應(yīng)力云圖

1.2.2 接觸非線性對結(jié)構(gòu)的影響

梁段模型模擬了體外預(yù)應(yīng)力筋與轉(zhuǎn)向器的接觸作用，根據(jù)計算結(jié)果擬合得到了體外預(yù)應(yīng)力鋼筋與轉(zhuǎn)向器接觸面間的接觸壓應(yīng)力分布曲線(式(1))，見圖5.在轉(zhuǎn)向裝置局部模型中采用該曲線定義體外預(yù)應(yīng)力筋的接觸壓應(yīng)力荷載分布曲線.分析表明，接觸壓應(yīng)力是不均勻的.通過計算發(fā)現(xiàn)，在梁段模型中是否考慮接觸非線性的影響對翼緣板應(yīng)力的計算結(jié)果影響很小(差別不到1%).但在轉(zhuǎn)向裝置局部計算時如果忽略了接觸非線性(將體外預(yù)應(yīng)力筋與轉(zhuǎn)向器間接觸壓力按均勻壓力處理)，對轉(zhuǎn)向裝置的應(yīng)力分布以及環(huán)向鋼筋應(yīng)力都會有較大影響.如圖5所示，除轉(zhuǎn)向器兩端出口處較小以外，接觸壓應(yīng)力的變化基本呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)向器偏轉(zhuǎn)角度的增加而增加的趨勢.

圖5 轉(zhuǎn)向裝置局部模型的壓應(yīng)力分布曲線

式中:q(z)為接觸壓應(yīng)力沿梁長方向的不均勻系數(shù);z為以轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向塊一端連接處為零點，沿梁長方向的坐標.

1.3 轉(zhuǎn)向裝置局部模型的計算結(jié)果和分析

轉(zhuǎn)向裝置局部模型模擬了轉(zhuǎn)向裝置從加載開始到破壞(540 kN)的全過程.從豎直方向應(yīng)力云圖(圖6)上可以明顯發(fā)現(xiàn)，肋式轉(zhuǎn)向裝置分為受拉(轉(zhuǎn)向器以上區(qū)域)和受壓(轉(zhuǎn)向器以下區(qū)域)2種受力區(qū)域.在張拉力達到極限荷載時的轉(zhuǎn)向裝置塑性應(yīng)變云圖上可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向器以下的受壓混凝土已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的塑性變形，而受拉區(qū)混凝土則全截面形成明顯的受拉區(qū)域，裂縫明顯開展并貫通整個轉(zhuǎn)向裝置，見圖7.

圖6 轉(zhuǎn)向裝置豎向應(yīng)力云圖

圖7 轉(zhuǎn)向裝置塑性應(yīng)變云圖

2 混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置的實驗研究

2.1 實驗設(shè)計和加載方案

2.1.1 實驗梁段設(shè)計

實驗梁段計算長度L=2 m，實驗梁段尺寸及配筋見圖8.頂?shù)装蹇v向鋼筋采用直徑為φ12的HRB335鋼筋.箍筋及環(huán)向鋼筋采用直徑為φ8的R235鋼筋.標準件實驗測定實驗梁段的混凝土強度為35.1 MPa.波紋鋼腹板采用厚度為6 mm的A3鋼板壓制而成.波紋鋼板通過帶圓孔鋼板與混凝土頂、底板連接，圓孔直徑為3 cm.為方便平衡轉(zhuǎn)向力的豎向分力，實驗中將實驗梁段倒置并在兩端簡支，見圖9.為方便描述，將朝上的鋼筋混凝土翼緣板稱為頂板(上翼板).

圖8 主梁配筋圖(cm)

2.1.2 轉(zhuǎn)向裝置構(gòu)造和應(yīng)變傳感器布置

實驗梁CEC－3采用混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置，其構(gòu)造見圖10.轉(zhuǎn)向器(圓鋼管)通過2排環(huán)向鋼筋與翼板縱向鋼筋相連.在環(huán)向鋼筋表面設(shè)置了鋼筋應(yīng)變片，在頂板上表面設(shè)置了混凝土應(yīng)變片.應(yīng)變片布置和編號見圖11.

2.1.3 加載方案

實驗采用4根φJ15.2鋼絞線為實驗梁段提供預(yù)應(yīng)力.鋼絞線的張拉角度為14°.鋼絞線一端用地錨錨固，另一端穿過反力墻，用千斤頂張拉(如圖12).實驗采用分級加載，在反力墻與張拉千斤頂之間設(shè)置壓力傳感器控制張拉力，張拉加載時每50 kN為一級.在每級加載到指定張拉力后維持荷載5 min，以保證試件各部分均勻受力，盡量消除突加荷載對實驗的影響.持續(xù)加載直至轉(zhuǎn)向裝置破壞結(jié)束.

圖10 混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置構(gòu)造

圖11 實驗梁CEC－3頂板表面應(yīng)變片布置(cm)

圖12 實驗加載示意(cm)

2.2 實驗結(jié)果及分析

肋式轉(zhuǎn)向裝置在張拉力作用下，環(huán)向鋼筋及周圍混凝土受拉，轉(zhuǎn)向器下側(cè)混凝土區(qū)域受壓，兩部分共同協(xié)作.在環(huán)向鋼筋荷載應(yīng)變關(guān)系圖中可以看到(圖13)，環(huán)向鋼筋應(yīng)變在400 kN之前基本呈線性規(guī)律增長;實驗荷載達到400 kN后逐漸呈現(xiàn)非線性受力特點，由于下部的混凝土部分發(fā)生開裂，對于轉(zhuǎn)向器的約束降低，環(huán)向鋼筋承受荷載增加，較大的拉拔力使得環(huán)向鋼筋應(yīng)變迅速增加;達到540 kN左右時，轉(zhuǎn)向器下混凝土劈裂，環(huán)向鋼筋屈服，轉(zhuǎn)向裝置破壞.肋式轉(zhuǎn)向裝置破壞后，轉(zhuǎn)向裝置表面可見明顯的劈裂縫，部分混凝土也已脫落(圖14).在整個實驗過程中，混凝土翼板的應(yīng)變較小，保持在彈性受力狀態(tài)(圖15).

圖13 混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置環(huán)向鋼筋應(yīng)變

圖14 轉(zhuǎn)向裝置破壞后照片

圖15 跨中混凝土頂板上緣應(yīng)變

3 有限元分析與實驗研究的對比

將實驗中采集到的環(huán)向鋼筋應(yīng)變記錄轉(zhuǎn)化為應(yīng)力與對應(yīng)的轉(zhuǎn)向裝置局部模型分析結(jié)果進行對比(圖16).有限元分析與實驗結(jié)果都顯示，在實驗荷載小于400 kN時，轉(zhuǎn)向力主要由轉(zhuǎn)向肋承受，環(huán)向鋼筋應(yīng)力相對較小.而當(dāng)實驗荷載超過400 kN后，受壓混凝土的應(yīng)力達到其抗壓強度極限值.受壓較大的環(huán)向鋼筋在這一階段應(yīng)力迅速增加并進入屈服階段.在肋式轉(zhuǎn)向裝置達到極限荷載時，轉(zhuǎn)向裝置由于受壓混凝土劈裂而失去承載力.

圖16 實測環(huán)向鋼筋應(yīng)力與FEA結(jié)果比較

4 結(jié)論

1)采用梁段模型和轉(zhuǎn)向裝置局部模型分別模擬分析轉(zhuǎn)向裝置對梁體的局部影響和轉(zhuǎn)向裝置受力至破壞的全過程是可行的.這種分析方法避免了在一個模型中并存多種非線性問題帶來的計算量大、收斂性差等問題.

2)轉(zhuǎn)向裝置對結(jié)構(gòu)的局部影響主要集中在梁體與轉(zhuǎn)向塊連接的部分及附近大小約為轉(zhuǎn)向裝置自身尺寸2倍的區(qū)域內(nèi).

3)混凝土肋式轉(zhuǎn)向裝置破壞時，受拉區(qū)混凝土受拉開裂、環(huán)向鋼筋受拉屈服，受壓區(qū)混凝土受壓劈裂破壞.

4)肋式轉(zhuǎn)向裝置受壓區(qū)混凝土的受力表現(xiàn)出偏心受壓構(gòu)件的受力特點，轉(zhuǎn)向角度較大側(cè)的混凝土受壓較大.

［1］楊明，孫筠，張樹仁，等.波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力箱梁橋的發(fā)展與展望［J］.公路交通科技，2006，23(12):72－75.

［2］楊明.波紋鋼腹板箱梁橋轉(zhuǎn)向裝置和剪力連接件理論與實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［3］SAYED-AHMED E Y.Behaviour of steel and(or)composite girders with corrugated steel webs［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2001，28(4):656－672.

［4］METWALLY A E，LOOV R E.Corrugated steel webs for prestressed concrete girders［J］.Materials and Structures，2003，36:127 －134.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006:64.

［6］莊茁.ABAQUS有限元軟件6.4版入門指南［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:65，215.

［7］曹金風(fēng)，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:277.

Mechanical characters of concrete rib deviator

YANG Ming1，2，HUANG Qiao1，2，RONG Xue-liang2

(1.School of Transportation，Southeast University，210096 Nanjing，China，bartty－ym@sina.com;2.School of Transportation Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

According to the mechanical and structural characters of externally prestressed box girder with corrugated webs，the mechanical performance，such as load bearing mechanism，mechanical characters，damage form and ultimate load capacity of concrete rib deviator used in externally prestressed box girder with corrugated webs is studied using FEA(Finite Element Analysis)and experimental methods.The experimental and FEA results fit each other well.The research indicates that the local influence in concrete flange caused by deviator concentrates in the joints of deviator and concrete flange and the nearby location.When the deviator damages，the tensional concrete cracks and the round reinforcements yield and compressional concrete splits.The compressional concrete shows obvious characteristics of eccentric compression member.The conclusion of this paper may be helpful for designers in designing deviators of externally prestressed box girder with corrugated webs.

corrugated webs;externally prestressed box girder;concrete rib deviator;mechanical characters

U441

A

0367－6234(2011)10－0119－05

2010－05－09.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51078078);交通部西部科技項目(200538181215).

楊 明(1980—)，男，博士，講師;

黃 僑(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 趙麗瑩)