鉸縫鋼筋構(gòu)造的改進與完善研究

陸文超 張俊海

(1．濟南市市政工程設(shè)計研究院 (集團)有限責(zé)任公司合肥設(shè)計院，合肥230000;2．工程兵學(xué)院，江蘇徐州221004)

在目前的小跨徑橋梁中，裝配式空心板簡支梁由于施工的快速便捷以及低廉的造價而受到了廣泛地使用。裝配式橋梁，每根空心板梁通過現(xiàn)澆的企口式的鉸縫實現(xiàn)橫向裝配，從而使空心板共同承受荷載作用［1］。為了達到共同受力的目的，鉸縫的構(gòu)造就顯得尤為重要。目前投入使用的空心板梁中，由于企口鉸縫的破壞而導(dǎo)致單板受力從而引發(fā)空心板橋破壞的比例占了很大一部分［2］。為了提高鉸縫的強度和傳遞荷載的能力，通常采用深鉸縫的鉸縫形式。除了采用深鉸縫之外，在鉸縫中加入構(gòu)造鋼筋也是一種比較好的提高鉸縫強度的形式。通常的鉸縫構(gòu)造鋼筋的形式如圖1所示，主要的構(gòu)造鋼筋由三種形式組成:第一是在鉸縫底部添加的構(gòu)造鋼筋;第二是在空心板頂部伸出并在橋面鋪裝層內(nèi)彎折的構(gòu)造鋼筋;第三是在鉸縫內(nèi)放置的交叉鋼筋。本文通過探討新的構(gòu)造鋼筋形式，以期找到能夠進一步提高鉸縫抗剪能力和荷載傳遞能力的鋼筋布置形式。

圖1 常見鉸縫構(gòu)造圖

1 新型鉸縫構(gòu)造鋼筋布置形式

新型的鉸縫構(gòu)造布置形式，在保留原有鉸縫構(gòu)造鋼筋的基礎(chǔ)上，再增加了位于鉸縫上部的構(gòu)造鋼筋，新增的鋼筋的布置圖如圖2a～2c所示。鉸縫上部的構(gòu)造鋼筋分別向兩側(cè)傾斜布置，提高鉸縫的抗剪能力，同時提高鉸縫沿高度方向的整體性。

圖2 鉸縫鋼筋布置圖

2 新舊鉸縫構(gòu)造鋼筋布置形式的有限元分析比較

為了比較采用新舊構(gòu)造鋼筋布置形式的鉸縫的受力性能的差別，本文采用abaqus進行有限元的分析，通過有限元模擬來進行新舊鋼筋布置形式的抗剪能力的比較。

通過參考已有的鉸縫抗剪能力的實驗［3］，確定建立推出鉸縫試件的模型來進行鉸縫抗剪性能的模擬。由于鋪裝層內(nèi)鋼筋和交叉鋼筋對鉸縫抗剪的影響較小，因此在建模時忽略，只考慮新增加的鉸縫上部構(gòu)造鋼筋和鉸縫下部的構(gòu)造鋼筋。有限元數(shù)值模擬共分為三種情形，模擬三種推出試件的模型:第一種鉸縫與空心板之間無連接鋼筋，位A組;第二種鉸縫與空心板之間按照現(xiàn)有空心板通用圖紙進行設(shè)計，即具有鉸縫下部的連接鋼筋，為B組;第三種，鉸縫同時具有下部和上部的構(gòu)造鋼筋，鉸縫上部構(gòu)造鋼筋與水平夾角為45°，為C組。本次模擬的主要目的不在于求出各個情況下確切的鉸縫抗剪能力值，而在于通過在相同的材料、邊界等條件下對三種不同設(shè)計的鉸縫與空心板的界面抗剪能力進行比較，從而得出比較優(yōu)秀的設(shè)計。有限元模擬建立1/2對稱模型進行模擬，模擬一組鉸縫鋼筋的情況。三種推出試件的有限元模型如圖3～圖5所示。

圖3 模型整體圖

圖4 B組連接鋼筋布置圖

在abaqus中C50混凝土采用C3D8R單元進行模擬，本構(gòu)關(guān)系選擇彈塑性模型進行計算，不考慮混凝土的塑性損傷。受壓時假定f＜0.7fc時混凝土處于彈性階段，彈性模量取相應(yīng)點上的割線斜率，即E=2.86e5 Mpa。R235連接鋼筋采用beam單元進行模擬。鋼筋的本構(gòu)模型采用較為常用的理想彈塑性模型進行模擬。鋼筋通過embedded關(guān)系嵌入混凝土中，鋼筋的x、y、z方向的平動自由度被混凝土限制，即不考慮鋼筋與混凝土之間的相對滑移。由于本次有限元模擬的目的主要在于考慮鉸逢與空心板界面上的抗剪能力，因此采用分離式模型是可靠的。鉸逢與左右塊體的接觸關(guān)系通過abaqus中Interaction模塊的接觸進行模擬，由于鉸逢與左右塊體的粘接關(guān)系涉及新老混凝土粘接關(guān)系，牽涉到黏聚力的問題，應(yīng)由試驗或經(jīng)驗確定，目前并沒有完善的理論計算公式［4］。本次數(shù)值分析目的并不在于確定新型鉸逢的確切的抗剪能力值，而是在于通過定性的模擬來對新型鉸逢與現(xiàn)有鉸逢的抗剪能力進行比較。因此在本次模擬時，只考慮混凝土之間的摩擦，忽略混凝土之間的黏聚力。本次模型采用位移加載。在進行網(wǎng)格劃分時，將關(guān)注的鉸縫與左右塊體的接觸面周圍進行細分，采用密網(wǎng)格。而對左右塊體本身進行粗劃分，使用較粗的網(wǎng)格，以此到達加快計算速度的目的，模型具體網(wǎng)格劃分如圖8所示

圖5 網(wǎng)格劃分圖

在本模型中，對鉸縫的抗剪強度進行簡化計算，取P/A作為抗剪能力值，其中P為破壞荷載，A為鉸縫與一側(cè)混凝土塊的結(jié)合面面積。因此試件破壞時施加在一側(cè)塊體上的荷載越大，則表明界面上的抗剪強度越大，因此使用荷載——位移曲線來對三個方案進行對比。A、B、C三組的荷載——位移曲線如圖6(橫坐標(biāo)為位移mm，縱坐標(biāo)為荷載N)。其中荷載為施加在右邊塊上的荷載，而位移為右邊塊的豎向位移。且由于一側(cè)邊塊固結(jié)，且鉸縫豎向位移很小，右邊塊的豎向位移與鉸縫和右邊塊的相對滑移接近，因此將上圖的豎向位移值近似的看作是鉸縫與右側(cè)邊塊的相對滑移值。

圖6 荷載——位移曲線圖

由上圖可見，三組試件的抗剪強度A組＜B組＜C組。B組和C組模型的曲線都位于A組的上方，即B組和C組模型的滑移值隨剪應(yīng)力增長的速度比素混凝土模型慢。這說明鉸縫內(nèi)抗剪鋼筋對抗剪試件的力學(xué)行為有顯著的影響，提高了鉸縫的抗剪能力的，同時也提高了鉸縫的剛度。并且通過上圖還能看出采用新的方案 (C組)，即增加鉸縫上部的鋼筋比采用現(xiàn)有方案 (B組)配置鋼筋能夠大大的加強鉸縫與空心板界面上的抗剪能力。這說明了新的鋼筋方案對于提高鉸縫的抗剪能力有很大的幫助。

3 新型鋼筋構(gòu)造的初步參數(shù)分析

由上一節(jié)的有限元模擬可知，在鉸縫上部配置鋼筋的確能提高鉸縫的抗剪強度。因此接下來對上部配置的鋼筋的參數(shù)進行初步的設(shè)計分析。初步考慮可能影響鉸縫抗剪能力的因素有上部連接鋼筋的傾斜角度，連接鋼筋距離頂部的距離等。因此仍然采用上一部分的有限元模型，變化上部鋼筋與水平面的傾斜角度以及上部鋼筋距離頂部的距離，對比分析不同條件下的鉸縫抗剪能力。關(guān)于傾斜角度的參數(shù)分析共7個模型，關(guān)于距離頂部距離的參數(shù)分析共有三個模型，有限元模型的編號見表1和表2。

表1 驗證傾斜角度模型編號表

表2 驗證距離頂部距離模型編號表

仍舊采用荷載——位移曲線來描述鉸縫的抗剪能力，有限元分析的結(jié)果見圖7和圖8。其中傾斜角度為60°時，第一次迭代不收斂，因此未得到最后結(jié)果。通過參數(shù)分析可以看到，隨著傾斜角度的增大，鉸縫破壞時的滑移值幾乎沒有變化，同時鉸縫的抗剪能力大致呈先增大，后減小的趨勢。當(dāng)傾斜角度為75°時，鉸縫的抗剪能力最大。同樣隨著距離頂部距離的變化，鉸縫破壞時的滑移值也幾乎沒有變化，而且當(dāng)距離頂部為200 mm時，鉸縫的抗剪強度最大。

通過上述初步的有限元分析，初步判斷當(dāng)傾斜角度為75°，且距離頂部為200 mm時，新型的鉸縫構(gòu)造鋼筋布置方案能獲得最大的抗剪能力。

圖7 不同傾斜角度的荷載——位移曲線圖

圖8 不同距離頂部距離的荷載——位移曲線圖

4 結(jié)語及展望

通過對新舊的鉸縫鋼筋配置方案進行有限元模擬，證實了在鉸縫中配置構(gòu)造鋼筋能夠提高鉸縫的抗剪強度，且新的鉸縫鋼筋配置方案比以往的方案提高的抗剪強度更多。

通過有限元模擬，對新的鉸縫鋼筋配置方案中的傾斜角度和距離頂部距離這兩個參數(shù)進行了初步的設(shè)計，并且初步判斷了最佳的傾斜角度為75°，最佳的距離頂部距離為200 mm。

在之后的研究中，依據(jù)有限元的分析結(jié)果，設(shè)計實驗方案，進行鉸縫推出試件的實驗，通過實驗得到更加精確的結(jié)果，從而為新型的鉸縫鋼筋布置提供更加有效的依據(jù)，并得出鉸縫抗剪強度的簡化計算公式。

［1］衛(wèi)軍，李沛，徐岳，等．空心板鉸縫協(xié)同工作性能影響因素分析［J］．中國公路學(xué)報，2011(2):45－47．

［2］魏洋，胡勝飛，吳剛，等．壓漿修復(fù)橋梁鉸縫技術(shù)模型試驗與分析［J］．世界橋梁，2014(6):82－83．

［3］張婷．混凝土空心板鉸縫病害及防治措施研究［D］．南京:東南大學(xué)，2011．

［4］劉沛林．裝配式鋼筋混凝土簡支板梁橋鉸縫受力性能研究［D］．北京:清華大學(xué)，2010．