兩種PBL連接件對(duì)波形鋼腹板PC組合箱梁力學(xué)性能的影響研究

王 軍，屈志英，柳建設(shè)，戚冬艷，吳 振

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安，710068）

0 引言

目前，隨著PBL連接件研究的深入和對(duì)其認(rèn)識(shí)的逐步成熟，許多學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向了基于傳統(tǒng)PBL連接件的衍生形式，主要有Twin-PBL形式和S-PBL+栓釘形式。

Twin-PBL連接件是由單個(gè)PBL連接件衍生出來(lái)的,如圖1所示。將原有的單塊PBL開(kāi)孔板變成兩塊板，共同焊接在水平翼緣板上，兩板之間留一定間距。Twin-PBL連接件無(wú)論是整體剛度還是抗剪強(qiáng)度都較以前有了很大的提高。日本有許多橋梁都采用了這種連接件，如谷川橋、游樂(lè)部川橋、宏內(nèi)第二橋等[1]。

圖1 Twin-PBL連接示意圖

S-PBL+栓釘連接件是在原有單個(gè)PBL連接件兩側(cè)增加兩排栓釘,如圖2所示。這種連接件將栓釘?shù)娜嵝院蚉BL連接件的剛性有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，最具代表性的橋梁有日本的中野高架橋。

圖2 S-PBL+栓釘連接示意圖

在波形鋼腹板橋梁的設(shè)計(jì)中，剪力連接件主要起連接鋼腹板與混凝土上下橋面板的連接，在設(shè)計(jì)荷載作用時(shí)最基本的要求是不會(huì)發(fā)生剪切滑移。通過(guò)對(duì)波形鋼腹板梁局部節(jié)段的有限元分析模擬，比較兩種不同連接件對(duì)波形鋼腹板PC組合箱梁橋力學(xué)性能的影響，對(duì)指導(dǎo)類似橋型剪力連接件的設(shè)計(jì)有著重要的意義。

1 PBL剪力連接件的構(gòu)造特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)采用PBL連接件的工程案例有：南寧大橋組合拱肋連接部、南京長(zhǎng)江三橋鋼混結(jié)構(gòu)部、舟山連島工程金塘大橋索塔錨固區(qū)、佛山平勝大橋主梁鋼混結(jié)合部等。正是由于PBL剪力連接件在實(shí)際工程中表現(xiàn)出優(yōu)異的工作性能，對(duì)其研究與日升溫，其主要構(gòu)造特點(diǎn)見(jiàn)表1所列。

2 PBL剪力連接件的作用機(jī)理

首先，貫通鋼筋和混凝土榫柱是PBL剪力連接件抵抗剪力的主要構(gòu)件。隨著貫通鋼筋直徑的增大，其抗剪能力也會(huì)有很大提高。但應(yīng)防止由于鋼筋過(guò)大導(dǎo)致孔洞內(nèi)混凝土榫柱體積過(guò)小，在荷載初期被壓碎而提前退出工作；其次，連接件依靠榫柱和貫通鋼筋承擔(dān)鋼與混凝土之間的分離力；最后，PBL連接件都是通過(guò)鋼板受壓來(lái)承擔(dān)面外橫向剪力。

表1 兩種PBL連接構(gòu)造的特點(diǎn)一覽表

3 計(jì)算實(shí)例

3.1 工程概況

以邢臺(tái)某橋?yàn)槔?，該橋?yàn)榇罂缍炔ㄐ武摳拱錚C連續(xù)梁橋，其跨徑布設(shè)為88+156+88（m）。箱梁采用單箱單室直腹板箱形截面，頂板全寬13 m，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)3.25 m；箱梁頂?shù)装宀捎肅60混凝土澆筑，頂板最小厚0.3 m，懸臂板端部厚0.2 m，懸臂板根部厚0.8 m；橫橋向箱內(nèi)上梗腋長(zhǎng)1.8 m、高0.5m；箱梁底板寬6.5m、底板厚0.3～1.2m。腹板鋼材采用Q345D，采用1600型波形鋼板，厚14～24mm，波紋水平段長(zhǎng)度430 mm、斜長(zhǎng)430.46 mm、斜段水平方向長(zhǎng)350 mm、波高220 mm。典型箱梁橫斷面如圖3所示。

圖3 典型箱梁橫斷面圖（單位:cm）

3.2 局部模型分析

3.2.1 有限元模型

通過(guò)對(duì)波形鋼腹板PC組合梁局部節(jié)段模型進(jìn)行有限元仿真分析和計(jì)算，可以全面、真實(shí)的掌握Twin-PBL、S-PBL+栓釘兩種不同形式的連接件對(duì)其力學(xué)性能的影響，揭示其應(yīng)力分布規(guī)律及受力特性，為以后工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。

由于模型中需要考慮連接件的細(xì)部構(gòu)件，采用整體模型分析，單元數(shù)量巨大，計(jì)算成本較高。故截取全橋16 m等高節(jié)段建模進(jìn)行分析，旨在發(fā)現(xiàn)規(guī)律性的結(jié)論。所建模型采用懸臂方式進(jìn)行加載計(jì)算，即在梁體一側(cè)端部固結(jié)，另一側(cè)斷面假定為平截面變形[2～3]。通過(guò)在該側(cè)截面形心處建立剛域，保證梁體各點(diǎn)與形心位置變形協(xié)調(diào)，將荷載施加在形心位置處。采用土木工程常用有限元分析軟件Midas FEA進(jìn)行計(jì)算[4]。根據(jù)頂板剪力連接件的不同，分別建立兩種不同模型。鋼腹板、剪力連接件、混凝土頂?shù)装寰捎脤?shí)體單元建模，如圖4～圖6所示。

圖4 節(jié)段有限元模型

圖5 S-PBL+栓釘連接件模型

圖6 Twin-PBL連接件模型

計(jì)算模型的單元?jiǎng)澐植捎昧俗杂删W(wǎng)格劃分的方法。由于考慮到網(wǎng)格疏密對(duì)后期結(jié)果影響較大，在PBL孔洞及栓釘位置處均采用較密的網(wǎng)格尺寸控制，保證計(jì)算的精度。S-PBL+栓釘連接件局部模型共建立了837841個(gè)單元，100660個(gè)節(jié)點(diǎn)；Twin-PBL連接件模型共建立了289641個(gè)單元，74776個(gè)節(jié)點(diǎn)。給出C60混凝土、栓釘、Q345鋼材的力學(xué)性能參數(shù)，如表2～表4所列。

表2 混凝土的力學(xué)參數(shù)表

表3 Q345鋼材的力學(xué)參數(shù)表

表4 栓釘?shù)牧W(xué)參數(shù)表

3.2.2 計(jì)算荷載

兩種模型采用相同的材料、施加相同荷載，以及相同邊界條件。在模型分析時(shí)通過(guò)輸入材料的彈性模量和泊松比來(lái)定義結(jié)構(gòu)的材料特性，并認(rèn)為混凝土和鋼腹板都是均質(zhì)彈性體。從Midas Civil[5]所建的全橋單梁模型中讀取梁端荷載的分析結(jié)果，如表5所列。局部分析模型的計(jì)算荷載包括：恒載、移動(dòng)荷載、梁端荷載（剪力、軸力、彎矩）。梁端荷載的取值按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[6]進(jìn)行自動(dòng)組合，荷載組合系數(shù)如表6所列。

通過(guò)對(duì)表中各個(gè)荷載工況的試算可知，在工況7荷載作用下，波形鋼腹板PC組合箱梁局部模型會(huì)出現(xiàn)最不利應(yīng)力情況。即：最不利工況為軸力（-97500 kN）+最大剪力（-3171.0 kN）+最大彎矩（47900 kN·m）。對(duì)于二期恒載和移動(dòng)荷載可以直接作用在箱梁頂面。移動(dòng)荷載作用位置根據(jù)整體計(jì)算模型的內(nèi)力包絡(luò)圖確定。

表5 荷載組合表

表6 不同計(jì)算工況下對(duì)應(yīng)的梁端荷載一覽表

3.2.3 局部模型受力分析

為比較波形鋼腹板PC組合箱梁在使用兩種不同剪力連接件后，力學(xué)性能的變化及應(yīng)力的分布規(guī)律，分別對(duì)連接件、鋼腹板、頂板、底板、預(yù)應(yīng)力鋼束及貫通鋼筋進(jìn)行分析。分析中以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)（見(jiàn)圖7～圖14）。

圖7 Twin-PBL連接件Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖8 S-PBL+栓釘連接件Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖9 鋼腹板Mises應(yīng)力云圖（Twin-PBL）（單位：MPa）

圖10 鋼腹板Mises應(yīng)力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

圖11 頂板主拉應(yīng)力云圖（Twin-PBL）（單位：MPa）

圖12 頂板主拉應(yīng)力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

圖13 底板主壓應(yīng)力云圖（Twin-PBL）（單位：MPa）

圖14 底板主壓應(yīng)力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

從圖7、圖8可知，Twin-PBL連接件最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在梁體根部PBL孔洞處，為76.97 MPa；S-PBL+栓釘連接件最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在根部翼緣板上，為87.11 MPa。通過(guò)讀取栓釘應(yīng)力可知，栓釘?shù)膽?yīng)力范圍介于44.6～10.25 MPa之間，栓釘應(yīng)力從梁體根部向梁端逐漸減小。通過(guò)分析應(yīng)力值可知，連接件均處于彈性階段，設(shè)計(jì)相對(duì)保守。

從圖9、圖10可知，采用兩種不同連接件的鋼腹板的Mises應(yīng)力云圖分布規(guī)律基本相同。最大應(yīng)力分別為120.43 MPa和123 MPa，鋼腹板應(yīng)力相差不大。最大應(yīng)力均出現(xiàn)在鋼腹板與混凝土底板相接位置，此處設(shè)計(jì)采用埋入式連接方式，鋼腹板發(fā)生變形時(shí)受到混凝土齒塊的嵌固作用，故此處應(yīng)力較大。應(yīng)力變化的總體趨勢(shì)是向梁端逐漸減小。

從圖11、圖12可知，采用兩種不同連接件的混凝土頂板應(yīng)力分布比較均勻，頂板主拉應(yīng)力均發(fā)生在梁端根部頂緣位置處。Twin-PBL連接件頂板最大主拉應(yīng)力為1.7 MPa，S-PBL+栓釘連接件頂板最大主拉應(yīng)力為2.0MPa，超過(guò)了混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度0.17 MPa。由此可見(jiàn)，Twin-PBL連接件較S-PBL+栓釘連接件對(duì)頂板混凝土抗裂貢獻(xiàn)較大，這主要是由于Twin-PBL連接件翼緣板整體鋼板截面積較大，兩根縱向加勁鋼板，提高了其縱向剛度。

懸臂梁的受力特點(diǎn)為頂板主要受拉，底板受壓。從圖13、圖14可知，采用兩種不同連接件的混凝土底板根部位置主壓應(yīng)力最大，分別為23 MPa和26 MPa。梁端壓應(yīng)力最小，均為13 MPa左右，主壓應(yīng)力值均在規(guī)范容許的范圍內(nèi)。

圖15～圖18為兩種局部模型中頂板預(yù)應(yīng)力和PBL孔洞內(nèi)貫通鋼筋的的應(yīng)力云圖。研究發(fā)現(xiàn)：兩種模型的頂板鋼束預(yù)應(yīng)力數(shù)值相差很小。這主要是由于施加于預(yù)應(yīng)力鋼束上的軸向力相對(duì)于施加于局部模型梁端的軸向力（-97500.0 kN）要小很多。貫通鋼筋應(yīng)力也相差很小。

圖15 預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力云圖（Twin-PBL）（單位：MPa）

圖16 預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

圖17 貫通鋼筋應(yīng)力云圖（Tw in-PBL）（單位：MPa）

圖18 貫通鋼筋應(yīng)力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

圖19和圖20為兩種連接件在豎直方向上的位移圖，Twin-PBL連接件端部最大位移為-18.5 mm；S-PBL+栓釘連接件端部最大位移為-20.5 mm。由此可見(jiàn)Twin-PBL連接件對(duì)梁體的總體剛度貢獻(xiàn)較大。

4 結(jié)論

（1）采用Twin-PBL連接件的波形鋼腹板PC組合箱梁局部模型各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均優(yōu)于S-PBL+栓釘連接件。主要是由于Twin-PBL連接件兩根縱向加勁鋼板能夠有效提高連接件的縱向剛度。

圖19 Twin-PBL連接件豎向位移圖（單位：mm）

圖20 S-PBL+栓釘連接件豎向位移圖（單位：mm）

（2）通過(guò)對(duì)依托工程局部節(jié)段的有限元分析，比較了這兩種不同剪力連接件對(duì)波形鋼腹板PC組合梁受力性能的影響。研究結(jié)果表明：數(shù)值模擬相比實(shí)體試驗(yàn)可以節(jié)約大量試驗(yàn)成本，該方法可用做試驗(yàn)輔助方法。

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[3]王軍文，倪章軍，李建中，孫峻嶺.石板坡長(zhǎng)江大橋鋼混結(jié)合段局部應(yīng)力分析[J].公路交通科技，2007，（08）：99-102.

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