一種新型SCS 鋼—混組合橋面系力學(xué)性能分析

王 達(dá)，陳春苗，劉 揚(yáng)

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410114;2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410114;3.廣州珠江黃埔大橋建設(shè)有限公司，廣東 廣州511434)

0 引 言

當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，隨之增加的交通負(fù)荷使得許多交通基礎(chǔ)設(shè)施迅速惡化，橋梁作為交通樞紐，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，橋面系的病害是諸多橋梁結(jié)構(gòu)共同所面臨的嚴(yán)重問(wèn)題，而這一現(xiàn)象在大跨度懸索橋中尤為突出。正交異性橋面板是國(guó)內(nèi)外大中跨徑橋梁普遍使用的橋面結(jié)構(gòu)形式，由相互垂直的縱橫加勁肋及頂板焊接而成，具有高度低、自重輕、跨越能力大、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但車輛荷載的反復(fù)作用常使橋面鋪裝出現(xiàn)剝離、脫空等病害;此外，鋼橋面系易出現(xiàn)縱肋、橫隔板及相互之間的焊縫疲勞開(kāi)裂等現(xiàn)象［1-2］，在溫度變化(夏季鋼板的溫度可達(dá)到70 ℃)作用下還將出現(xiàn)瀝青混凝土鋪裝層剝離開(kāi)裂壓碎等問(wèn)題［3-4］，現(xiàn)階段鋼橋面系的病害或已成為世界性的難題，鋼橋面系的病害不僅影響行車通暢性和舒適性，而且對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性構(gòu)成極大威脅，如何根治或減輕這些病害便成為鋼橋面系研究的首要任務(wù)。

鑒于傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，本文在組合結(jié)構(gòu)已有研究［5］基礎(chǔ)上提出了一種新型鋼板夾心混凝土(steel-concrete-steel，簡(jiǎn)稱SCS)鋼—混組合橋面系，該新型橋面系的提出或許能給傳統(tǒng)橋面系的老問(wèn)題帶來(lái)新契機(jī)，該橋面系主要由鋼板、混凝土層及橋面鋪裝組成，鋼板與混凝土充分結(jié)合在一起，共同受力，共同變形;目前，該新型SCS 鋼—混組合橋面系的應(yīng)用仍處于初步階段，相應(yīng)可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)和施工經(jīng)驗(yàn)仍缺乏［6］，若要將該鋼—混組合橋面系推向更為廣闊的領(lǐng)域，還需加大對(duì)該組合橋面系的研究投入;而明確其力學(xué)特性，是進(jìn)行其他相關(guān)研究的先決前提。因此，對(duì)提出的新型SCS鋼—混組合橋面系的力學(xué)特性展開(kāi)研究具有重要意義。

1 新型組合橋面系結(jié)構(gòu)

鋼板夾心混凝土(steel-concrete-steel，簡(jiǎn)稱SCS)組合構(gòu)件，如圖1 所示，SCS 是一種借助剪力連接件將兩塊鋼板及其中間的核心混凝土板連接起來(lái)的一種新型鋼—混組合結(jié)構(gòu)［7-8］，SCS 結(jié)構(gòu)最先由工程師Tomlinson 提出，并于20 世紀(jì)80 年代首次應(yīng)用于水下的公路隧道，后逐漸擴(kuò)展到地下管道、房屋建筑、近海結(jié)構(gòu)、剪力墻等結(jié)構(gòu)工程中［9］;應(yīng)用研究結(jié)果表明，這種新型組合結(jié)構(gòu)繼承了傳統(tǒng)鋼—混組合結(jié)構(gòu)的承載力強(qiáng)、剛度大、延性好等突出優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鋼—混組合結(jié)構(gòu)存在負(fù)彎矩區(qū)域混凝土受拉開(kāi)裂的不足，并具有獨(dú)特的抗爆炸性能［10］，充分迎合了現(xiàn)代建筑業(yè)的需求。

圖1 鋼板夾心混凝土(SCS)組合結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造Fig.1 Detailed structure of steel-concrete-steel(SCS)composite structure

圖2 所示的傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系主要由頂?shù)装?、U 型加勁肋、橫隔板、腹板等組成，該類橋面系由于頂板剛度小，縱、橫向剛度差異大，外界和荷載作用下，橋面鋪裝層縱橫向變形失調(diào)，因而易出現(xiàn)前述各類病害，或許可從根本上改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，減少上部結(jié)構(gòu)病害。

圖2 傳統(tǒng)正交異性鋼橋面板Fig.2 The tradition orthotropic bridge deck

本文提出的新型SCS 鋼—混組合橋面系，圖3 所示，在上、下頂板之間填充混凝土，并通過(guò)剪力鍵，使混凝土與上下底板緊密結(jié)合，共同受力，而可供選擇的剪力鍵的形式有貫穿式、開(kāi)口式［9］、J-hook 式、花邊式［11］等，該新型SCS 鋼—混組合橋面系兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)鋼—混(CS)組合結(jié)構(gòu)及鋼箱梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)優(yōu)點(diǎn)，并能使上置的鋼—混組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮混凝土抗壓性能的優(yōu)點(diǎn)，施工過(guò)程中省去U 肋焊接的繁瑣工藝，改變傳統(tǒng)鋼橋面系的正交異性的特征，增強(qiáng)橋面系的縱、橫向受力性能，尤其是高速旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，提高了預(yù)制效率，若采用骨料粒徑小的活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete)，則可進(jìn)一步保證核心混凝土的施工質(zhì)量，推動(dòng)鋼混組合夾心結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

圖3 改進(jìn)一種新型SCS 鋼—混組合橋面系Fig.3 Steel-concrete-steel composite bridge deck

圖3 所示的新型SCS 鋼—混組合橋面系是一種全新結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特相比傳統(tǒng)橋面系如何，亟待進(jìn)一步研究。

2 理論分析

鋼混組合結(jié)構(gòu)的受力分析，計(jì)算過(guò)程中通常采用等效剛度法［12-13］，即截面換算法，將組合截面換算成鋼截面或者混凝土截面，然后利用初等彎曲理論計(jì)算組合結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力。

2.1 基本假定

計(jì)算分析時(shí)，通常需要做如下假定［14-15］:

①受拉區(qū)的混凝土若開(kāi)裂后，忽略其對(duì)極限承載力的影響，如圖4(a)所示;

②鋼構(gòu)件應(yīng)力均勻分布，且鋼板和混凝土中的應(yīng)力，沿截面高度呈線性分布，如圖4(b)所示;

③ 下部鋼板屈服時(shí)，即SCS 鋼—混組合橋面板達(dá)到彈性極限受力狀態(tài)，但其余各部仍處于彈性工作狀態(tài);

④忽略混凝土收縮、徐變及鋼板焊接施工過(guò)程中的殘余應(yīng)力。

2.2 計(jì)算理論

分析過(guò)程中，可將上層鋼板與核心混凝土層等效為鋼板，等效后的截面如圖4 所示。

圖4 計(jì)算模型Fig.4 Calculation model

圖4 所示的圖形中，形心軸距上部鋼板下緣的距離z 為:

式中:ts為上部鋼板厚度，tt為下部鋼板厚度，hc為核心混凝土厚度，Es為鋼材彈性模量，Ec為混凝土彈性模量，α0為鋼材與混凝土彈性模量之比。

若σs為上層受壓鋼板的應(yīng)力，σt為下側(cè)受拉鋼板的應(yīng)力。則當(dāng)下層鋼板中的應(yīng)力達(dá)到屈服極限，即σt=fy時(shí)，由假設(shè)條件②，可得:

式中:fy為屈服極限應(yīng)力。

對(duì)Nc的作用點(diǎn)取矩得組合梁的抗彎承載力為:

式中:Mut組合梁的抗彎承載力。

將式(2)代入式(3)得到SCS 橋面系的抗彎極限承載力為:

當(dāng)剪力鍵承受的剪力等于受拉鋼板的極限承載力時(shí)，則鋼—混組合結(jié)構(gòu)為完全剪力組合結(jié)構(gòu)，即

式中:nf為組合板為完全剪力連接組合結(jié)構(gòu)時(shí)受拉鋼板上的剪力連接件的數(shù)量;Pf為剪力連接件的抗剪承載力。

如若考慮剪力鍵數(shù)量的影響，則需引入剪力連接程度系數(shù)η:

式中:n 為剪力連接件的數(shù)量。

當(dāng)η ≥1 時(shí)，鋼板與混凝土之間為完全剪力連接，當(dāng)η ＜1 時(shí)為部分剪力連接。

因此，鋼板夾芯混凝土組合結(jié)構(gòu)的彈性抗彎極限承載力計(jì)算公式為:

式中:當(dāng)η ≥1 時(shí)，取η=1。

3 數(shù)值模擬分析

基于上述計(jì)算理論，借助大型有限元通用計(jì)算程序Ansys，根據(jù)已有正交異性鋼橋面系及夾層鋼板組合結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的研究成果，對(duì)提出的新型SCS 鋼—混組合橋面系與傳統(tǒng)的正交異性鋼橋面系分別建立等尺寸節(jié)段有限元計(jì)算模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，旨在明確新型橋面系受力特性的同時(shí)，通過(guò)與相同尺寸傳統(tǒng)鋼橋面系的對(duì)比分析得出其力學(xué)優(yōu)勢(shì)。

3.1 模型概述

兩種橋面系的外觀均采用相同的結(jié)構(gòu)尺寸，節(jié)段模型長(zhǎng)15 m、寬5 m、高0.6 m，其中腹板高0.2 m，縱向按5 m 間距設(shè)置橫隔板四道。

3.2 模型參數(shù)

計(jì)算模型中鋼板采用shell63 單元模擬，混凝土及瀝青混凝土以solid65 單元模擬，剪力鍵以combin39 單元模擬，該單元是一種包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的一維非線性受力單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有X、Y、Z 三個(gè)自由度。通過(guò)定義合適的荷載位移曲線在鋼板與混凝土板之間建立彈簧單元，模擬鋼梁與混凝土板沿三個(gè)方向的相對(duì)位移［16］，以此形成鋼板與混凝土之間的連接;實(shí)際工程中本文研究的組合結(jié)構(gòu)具有典型的單向板受力特征，主要產(chǎn)生縱向滑移，因此本文通過(guò)耦合combin39 單元節(jié)點(diǎn)在橫向及豎向線位移，暫不考慮混凝土與鋼梁在接觸面處沿這兩個(gè)方向的滑移，只考慮縱向滑移對(duì)組合結(jié)構(gòu)受力的影響;而鋼箱梁頂板與瀝青混凝土鋪裝層之間的連接，主要是通過(guò)單元共用節(jié)點(diǎn)的形式形成連接，不考慮鋼板與瀝青混凝土之間的界面滑移。

3.2.1 SCS 鋼—混組合橋面系模型參數(shù)

借助通用有限元程序Ansys，建立了如圖5 所示的有限元計(jì)算模型，該模型共分53 516 個(gè)節(jié)點(diǎn)，49 252個(gè)單元，端部邊界條件處理為對(duì)底板三分點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)線位移進(jìn)行限制，其中結(jié)構(gòu)模型參數(shù)如表1所示。

圖5 SCS 鋼—混組合橋面系模型(模型一)Fig.5 Finite element model of the new improved steel-concrete composite deck system(The first model)

表1 鋼板夾心混凝土組合橋面系參數(shù)Tab.1 The parameters of steel-concrete-steel composite deck

模型中鋼材彈性模量取值為2.1×105MPa，泊松比為0.3;混凝土彈性模量取值為3.45×104MPa，泊松比為0.2，密度取值為2 600 kg/m3;瀝青混凝土鋪裝層采用澆筑式瀝青混凝土，其彈性模量取值為2.75×103MPa，泊松比為0.2，密度取值為2 450 kg/m3。

3.2.2 傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系模型參數(shù)

結(jié)合Ansys 程序，對(duì)傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系建立了圖6 所示的有限元計(jì)算模型，共劃分32 948個(gè)節(jié)點(diǎn)，44 760 個(gè)單元，端部邊界條件處理為對(duì)底板三分點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)線位移限制，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖6 傳統(tǒng)正交異性橋面系箱梁模型(模型二)Fig.6 Finite element model of the tradition orthotropic bridge deck system(The second model)

表2 正交異性橋面系箱梁參數(shù)Tab.2 The parameters of orthotropic bridge deck

材料彈性模量、泊松比及密度取值如表1 所示，其中U 型縱向加勁肋上端寬0.1 m，下緣寬0.05 m，高0.1 m，間隔0.1 m。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

分別對(duì)圖5 及圖6 所示兩種橋面系的計(jì)算模型，在橋面中軸線的三分點(diǎn)位置施加兩個(gè)大小為150 kN的豎向向下集中力，模擬汽車輪壓荷載作用，經(jīng)計(jì)算可得出SCS 鋼—混組合橋面系及傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系的應(yīng)力與變形，分別如表3 及圖7、圖8 所示。

比較表3 中各數(shù)據(jù)項(xiàng)可發(fā)現(xiàn)，同等條件下，模型一的最大豎向變形值為7.42 mm，模型二的最大豎向變形值為15.23 mm，可見(jiàn)新型SCS 鋼—混組合橋面系的抵抗變形能力相比傳統(tǒng)鋼橋面系提高了51.3%;鋼結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力模型一相應(yīng)值為22.8 MPa，模型二相應(yīng)值為97.2 MPa，鋼構(gòu)件的極值應(yīng)力模型一的較模型二降低約76.5%;瀝青混凝土鋪裝層的極值應(yīng)力，模型一較模型二也從1.27 MPa 降低至0.30 MPa，內(nèi)充混凝土層處于全截面受壓狀態(tài)，而最大壓應(yīng)力僅為3.75 MPa，完全處于正常安全范圍內(nèi)。

表3 兩種橋面系的計(jì)算結(jié)果比較Tab.3 Comparison of the calculation results for two kinds of bridge deck

圖7 兩種橋面系撓度變形Fig.7 Deflection of the two types of bridge deck system

綜合比較表3 及圖7，可發(fā)現(xiàn)集中輪壓荷載作用下模型一的局部變形明顯低于模型二，模型一的縱橫向局部變形較為均勻，而模型二中，單向變形十分明顯，局部易出現(xiàn)過(guò)大變形。

此外，對(duì)兩種模型結(jié)構(gòu)在集中輪壓荷載作用下的豎向剪切應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析，得到如圖8 所示的應(yīng)力分布云圖。

圖8 兩種橋面系豎向剪應(yīng)力Fig.8 Vertical shear stress of the two types of bridge deck system

由圖8 所示，模型一的豎向剪切應(yīng)力最大值為19.2 MPa，均出現(xiàn)在栓釘剪力連接件處，且分布較均勻，而模型二的豎向剪切應(yīng)力最大值為41.5 MPa，在橫隔板與縱肋連接處發(fā)生較明顯的應(yīng)力集中。由此可見(jiàn)，新型SCS 鋼—混組合橋面系的豎向抗剪能力相比傳統(tǒng)鋼橋面系提高了53.7%，主要由剪力連接件承擔(dān)，應(yīng)力分布更加均勻，不易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

基于等效剛度法，借助大型有限元程序Ansys，對(duì)提出的新型SCS 鋼—混組合橋面系及傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系受力性能進(jìn)行了對(duì)比分析，可得出研究結(jié)論如下:

①新型SCS 鋼—混組合橋面系較傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，大幅降低焊接工作量，提高施工效率，且能有效解決傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系縱、橫肋的疲勞等問(wèn)題。

②等條件工作環(huán)境下，新型SCS 鋼—混組合橋面系橋面板的局部抗彎及豎向抗剪能力，較傳統(tǒng)正交異性鋼橋面系有顯著的提高;從根本上改變了傳統(tǒng)橋面系的單向受力模式，改善了橋面系結(jié)構(gòu)縱橫向受力性能，使橋面系縱橫向的受力變得更為協(xié)調(diào)。

③新型SCS 鋼—混組合橋面系充分利用了混凝土的良好抗壓性能，增強(qiáng)了箱梁上部結(jié)構(gòu)的抗壓性能，有效地降低了使用過(guò)程中鋼結(jié)構(gòu)及橋面瀝青混凝土鋪裝層的應(yīng)力幅值。

④SCS 鋼—混組合橋面系是一種新型結(jié)構(gòu)，有關(guān)施工技術(shù)及界面連接雙向滑移等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，尚需深入研究。

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