開(kāi)孔鋼板鉸縫連接構(gòu)造受力性能與計(jì)算方法研究

王欣南， 陳美忠, 趙秋

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430052； 2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院)

裝配式混凝土空心板結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于中國(guó)的中小跨徑橋梁中，根據(jù)2014年進(jìn)行的中國(guó)橋梁調(diào)查結(jié)果顯示，在所有的橋梁中，大跨度橋梁所占比例不到10%，其余為中小型橋梁，其中60%左右為空心板橋。鉸縫使裝配式空心板在橫橋向連接成為整體，從而能夠共同分擔(dān)橋上的車輛荷載。鉸縫構(gòu)造設(shè)計(jì)上的缺陷是導(dǎo)致空心板出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象的重要原因之一。為了改善鉸縫受力，在不改變空心板橋力學(xué)模式的情況下，采用承載力高的鋼制鉸結(jié)構(gòu)是一個(gè)較好的選擇?？赏ㄟ^(guò)在原有的鉸縫中增加開(kāi)孔鋼板，并在孔中穿鋼筋來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而避免鉸縫破壞導(dǎo)致的單板受力。該文通過(guò)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的有限元數(shù)值模擬方法，探討此新型結(jié)構(gòu)的受力性能和計(jì)算方法。

1 新型預(yù)制板連接構(gòu)造

針對(duì)現(xiàn)有空心板鉸縫抗剪承載力不足，在順橋向按一定的間距在空心板橫斷面內(nèi)預(yù)埋開(kāi)孔鋼板，并在處于鉸縫中的鋼板開(kāi)孔中貫穿鋼筋，形成鋼制鉸結(jié)構(gòu)，從而提高鉸縫的抗剪承載力，受力模式更加接近鉸接板梁法基本假定，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。為了保證空心板中混凝土的連通性，并且讓縱向鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋連續(xù)通過(guò)，在滿足受力要求的情況下，可將處于預(yù)制板中的鋼板進(jìn)行適當(dāng)開(kāi)孔。為了方便鋼筋進(jìn)行穿孔并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，在開(kāi)孔鋼板邊緣開(kāi)設(shè)缺口。另外，也可以將圖1所示的空心板內(nèi)預(yù)埋鋼板的下部去掉，只在空心板截面上部受壓區(qū)保留鋼板，這樣更有利于該新型結(jié)構(gòu)的整體受力。

圖1 開(kāi)孔鋼板鉸縫連接構(gòu)造示意圖

2 新型鉸接結(jié)構(gòu)抗剪承載力的數(shù)值模擬

空心板鉸縫的抗剪承載力研究沒(méi)有固定的構(gòu)件形式和研究方法，由于推出試驗(yàn)的結(jié)果偏安全，且容易操作，受力較為明確，國(guó)內(nèi)外對(duì)于該類型結(jié)構(gòu)抗剪性能研究大部分采用推出試驗(yàn)形式。空心板鉸縫推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶?∶2比例進(jìn)行縮尺，試件尺寸如圖2所示。

采用有限元軟件Ansys對(duì)新型鉸縫進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，開(kāi)孔鋼板和鉸縫混凝土為實(shí)體單元，單元類型為C3D8R；鋼筋為桁架單元，單元類型為T3D2?；炷吝x擇適用靜力問(wèn)題，且單項(xiàng)加載的收斂性好的損傷塑性模型。開(kāi)孔鋼板的材性本構(gòu)采用雙折強(qiáng)化彈塑性模型，鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型。有限元模型如圖3所示，沿試件橫向?qū)挾确较蜃鴺?biāo)系方向?yàn)閄，沿試件高度方向坐標(biāo)系方向?yàn)閅，沿試件厚度方向坐標(biāo)系方向?yàn)閆；模型邊界為簡(jiǎn)支約束，一端釋放Y方向約束，一端固結(jié)。該數(shù)值模擬方法通過(guò)上述推出試驗(yàn)對(duì)其荷載-滑移曲線和破壞模態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證，限于篇幅，驗(yàn)證過(guò)程見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[9]。

圖2 試驗(yàn)試件尺寸示意圖(單位：mm)

圖3 有限元模型圖

3 開(kāi)孔鋼板鉸縫連接構(gòu)造受力性能

為了全面了解新型鉸縫結(jié)構(gòu)的受力性能，采用經(jīng)推出試驗(yàn)驗(yàn)證的數(shù)值模擬方法，變化貫穿鋼筋的直徑、開(kāi)孔鋼板的鋼材強(qiáng)度和鋼板厚度進(jìn)行其受力性能分析。

3.1 貫穿鋼筋直徑

貫穿鋼筋穿過(guò)兩片開(kāi)孔鋼板的開(kāi)孔，將兩個(gè)鋼板連接在一起，其直徑大小將對(duì)結(jié)構(gòu)整體性產(chǎn)生重要的影響。選取鋼筋直徑8、12、16、20和24 mm進(jìn)行分析。開(kāi)孔鋼板板厚為20 mm，鋼材為Q345，保持不變，貫穿鋼筋直徑變化對(duì)鉸縫抗剪強(qiáng)度影響如圖4所示。由圖4可以看出：在一定的范圍內(nèi)鉸縫抗剪強(qiáng)度隨著貫穿鋼筋直徑的增大而增大；當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，鉸縫抗剪強(qiáng)度提高并不明顯。與直徑為8 mm相比，隨著鋼筋直徑的增大鉸縫抗剪強(qiáng)度分別提高了1.43、1.53、1.68和1.79倍。直徑從8 mm增大到12 mm抗剪強(qiáng)度提高了43%，而直徑從20 mm增大到24 mm抗剪強(qiáng)度提高幅度僅5.6%。

圖4 貫穿鋼筋直徑的影響

不同貫穿鋼筋直徑應(yīng)力云圖、開(kāi)孔板應(yīng)力云圖和鉸縫接觸面應(yīng)力云圖如圖5～7所示(因篇幅所限，省略了直徑12、20 mm云圖)，隨著貫穿鋼筋直徑的增大，貫穿鋼筋的變形逐漸減小，鋼筋屈服范圍占總長(zhǎng)度的比例也逐漸變小，貫穿鋼筋附近開(kāi)孔板的應(yīng)力則逐漸變大，鉸縫接觸面的應(yīng)力也逐漸變大。這表明隨著貫穿鋼筋直徑的增大，鉸縫接觸面混凝土破壞提前。由此可知：隨著鋼筋直徑的增大，抗剪承載力提高，該處局部鉸縫混凝土更早破壞。

(a) 直徑8 mm

(b) 直徑16 mm

(c) 直徑24 mm

(a) 直徑8 mm

(b) 直徑16 mm

(c) 直徑24 mm

(a) 直徑8 mm

(b) 直徑16 mm

(c) 直徑24 mm

3.2 開(kāi)孔鋼板鋼材的板厚

由于開(kāi)孔鋼板的厚度是影響其剛度的重要參數(shù)，為了探究開(kāi)孔鋼板厚度變化對(duì)鉸縫承載能力的影響，保持貫穿鋼筋直徑16 mm和鋼材采用Q345不變，開(kāi)孔鋼板的厚度分別取5、10、15以及20 mm，并通過(guò)其抗剪強(qiáng)度-滑移曲線來(lái)判斷該參數(shù)對(duì)鉸縫承載能力的影響。各板厚下鉸縫連接結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度-滑移曲線如圖8所示。從圖8可以看出：對(duì)于彈性階段，開(kāi)孔板的板厚對(duì)抗剪強(qiáng)度影響不大。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著板厚的增大而增大，但是增大的幅度逐漸減小。相較于板厚5 mm，抗剪承載力分別提高了6.3%、11.2%和14.6%。

圖8 不同開(kāi)孔鋼板厚度抗剪強(qiáng)度-滑移曲線

開(kāi)孔鋼板的應(yīng)力云圖和鉸縫混凝土接觸面的應(yīng)力云圖隨著開(kāi)孔鋼板厚度的變化情況如圖9、10所示。

圖9 開(kāi)孔鋼板應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖10 鉸縫接觸面應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖9～10可知：隨著開(kāi)孔鋼板板厚的增大，鉸縫貫穿鋼筋附近的開(kāi)孔鋼板屈服范圍逐漸減??；鉸縫接觸面的應(yīng)力逐漸增大，鉸縫接觸面應(yīng)力在開(kāi)孔板板厚為20 mm時(shí)最大。說(shuō)明隨著開(kāi)孔板厚的增大，鉸縫接觸面破壞提前。

3.3 開(kāi)孔鋼板鋼材的強(qiáng)度

以開(kāi)孔鋼板鋼材強(qiáng)度為參數(shù)，研究不同的鋼材強(qiáng)度對(duì)鉸縫抗剪承載力的影響。保持貫穿鋼筋直徑為16 mm和開(kāi)孔鋼板板厚為15 mm不變。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700《碳素結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T 1591《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，分別取常用的碳素結(jié)構(gòu)Q235和4種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q295、Q345、Q390、Q420。開(kāi)孔鋼板在不同鋼強(qiáng)度材料下抗剪強(qiáng)度-滑移曲線如圖11所示。

圖11 開(kāi)孔鋼橫隔板鋼材強(qiáng)度的影響

從圖11可以看到：對(duì)于彈性階段，開(kāi)孔板的鋼材強(qiáng)度對(duì)抗剪強(qiáng)度基本沒(méi)有影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入到塑性階段時(shí)，雖然抗剪強(qiáng)度隨著鋼材強(qiáng)度的增大而增大，但是增大的幅度比較小。相較于Q235鋼，鉸縫抗剪強(qiáng)度提高分別了3.2%、15%、6.3%和6.7%。

開(kāi)孔板應(yīng)力云圖、鉸縫混凝土應(yīng)力云圖如圖12、13所示。由圖12、13可知：隨著開(kāi)孔板鋼材強(qiáng)度的提高，鉸縫開(kāi)孔附近開(kāi)孔板的屈服區(qū)域逐漸收縮，而鉸縫接觸面的應(yīng)力逐漸增大。說(shuō)明隨著開(kāi)孔板材強(qiáng)度提高，鉸縫接觸面破壞時(shí)間點(diǎn)提前。這正解釋了隨著開(kāi)孔板鋼材強(qiáng)度的提高，鉸縫抗剪強(qiáng)度提高并不明顯的原因。

3.4 合理構(gòu)造分析

綜合上述分析的結(jié)果可知：鉸縫抗剪承載力受貫穿鋼筋影響較大，當(dāng)貫穿鋼筋直徑增大到16 mm后，繼續(xù)提高貫穿鋼筋直徑鉸縫抗剪強(qiáng)度提高逐漸變小。因此從經(jīng)濟(jì)性考慮，貫穿鋼筋直徑以16 mm為宜。開(kāi)孔鋼板板厚和強(qiáng)度對(duì)于鉸縫抗剪強(qiáng)度的影響相較于貫穿鋼筋直徑的影響較小。雖然兩個(gè)參數(shù)變化都是隨著參數(shù)的增大而增大，但是增大幅度并不明顯。因此從經(jīng)濟(jì)性和鉸縫抗剪強(qiáng)度綜合考慮，開(kāi)孔鋼板的板厚取15 mm，鋼材強(qiáng)度以Q345為宜。

4 抗剪承載力計(jì)算方法

由于貫穿鋼筋直徑大小顯著影響著鉸縫抗剪強(qiáng)度，因此該文利用Abaqus數(shù)值模擬參數(shù)分析結(jié)果，以貫穿鋼筋直徑為參數(shù)進(jìn)行鉸縫抗剪強(qiáng)度公式擬合，擬合結(jié)果如圖14所示。從鉸縫抗剪強(qiáng)度擬合曲線的結(jié)果來(lái)看，該擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.76，吻合程度良好。當(dāng)貫穿鋼筋直徑較小時(shí)(直徑小于12 mm)，擬合值偏大；當(dāng)直徑較大時(shí)(直徑大于12 mm)，擬合值會(huì)稍微偏小。

(a) Q235

(b) Q295

(c) Q345

(d) Q390

(e) Q420

(a) Q235

(b) Q295

(c) Q345

(d) Q390

(e) Q420

擬合公式：

(1)

式中：Vu為鉸縫抗剪強(qiáng)度(N)；fy為鋼筋屈服強(qiáng)度(MPa)；A為鋼筋面積(mm2) 。

圖14 鉸縫抗剪強(qiáng)度隨貫穿鋼筋直徑分布變化規(guī)律

5 結(jié)論

(1) 鉸縫抗剪強(qiáng)度隨著開(kāi)孔鋼板板厚、強(qiáng)度及貫穿鋼筋直徑的增大而增大，但增大幅度逐漸減小。開(kāi)孔板板厚和強(qiáng)度變化對(duì)于鉸縫抗剪強(qiáng)度的影響小于貫穿鋼筋直徑變化的影響。

(2) 從經(jīng)濟(jì)性和鉸縫抗剪強(qiáng)度綜合考慮，貫穿鋼筋直徑取16 mm、開(kāi)孔鋼板的板厚取15 mm、鋼材強(qiáng)度選Q345為宜。

(3) 通過(guò)對(duì)開(kāi)孔鋼板連接的鉸縫抗剪強(qiáng)度進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.76，吻合程度較好。當(dāng)貫穿鋼筋直徑較小時(shí)(直徑小于12 mm)，擬合值偏大；當(dāng)直徑較大時(shí)(直徑大于12 mm)，擬合值稍偏小。