波形鋼腹板PC組合箱梁剪力連接件力學(xué)性能研究

嚴(yán) 濤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

如今，波形鋼腹板箱梁橋已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，這種組合梁的受力性能不僅與使用的材料性能有關(guān)系，并且同剪力連接件的材料及構(gòu)造形似有很大的關(guān)系。

本文首先介紹了兩種不同類型的剪力連接件，對于依托的工程進(jìn)行局部的實(shí)體模型建立，對比了兩種剪力連接件對于組合梁力學(xué)性能方面的影響。

1 常用剪力連接件

通常情況下，剪力連接件大致分為三種不同的類型，一種是翼緣型，一種是嵌入型，最后一種是復(fù)合型(即上述兩種類型的結(jié)合)。隨著波形鋼腹板PC組合箱梁在實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，目前，在實(shí)際工程中主要采用S-PBL+栓釘形式和Twin-PBL形式。

2 剪力連接件建模

2.1 建模單元及材料

2.1.1 建模單元

受限于整橋?qū)嶓w建模計(jì)算量的巨大，本文僅對剪力連接件的關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)體建模，在建模的過程中，采用單元庫中的SOLID65和SOLID45分別進(jìn)行混凝土和鋼筋的模擬。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

一般情況下，在鋼板的開孔處及混凝土榫柱附近會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，所以應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注上述位置的網(wǎng)格劃分，可以使用自由的網(wǎng)格進(jìn)行一定的加密，而對于其余的部分可以使用映射網(wǎng)格進(jìn)行較粗的劃分。

2.2 邊界條件和接觸分析

在本文中，混凝土榫柱與開孔鋼板和貫通鋼筋兩種接觸位置都采用了剛體-柔體接觸單元進(jìn)行接觸的模擬。

3 靜載推出試驗(yàn)有限元分析

3.1 荷載-滑移曲線分析

通過荷載-滑移曲線能夠得到抗剪剛度、承載力和延性系數(shù)等剪力連接件參數(shù)，對于上述參數(shù)進(jìn)行研究便可以得出PBL連接件的承載與破壞的機(jī)理。

3.1.1 線性階段

分別選取了S4和T4兩種模型在4個(gè)孔洞關(guān)鍵位置的荷載-滑移曲線，其孔洞的編號(hào)順序：由小到大表示加載鋼板到構(gòu)件的底部位置。當(dāng)S-PBL連接件和Twin-PBL連接件所施加的荷載分別低于900 kN和1 200 kN時(shí)，兩種不同的連接件的滑移量是0.16 mm和0.19 mm，由此可見，兩者產(chǎn)生的滑移量均是比較小的，混凝土在這個(gè)階段不會(huì)發(fā)生破壞。

3.1.2 彈性階段

連接件依靠混凝土榫柱和貫通鋼筋進(jìn)行剪力的抵抗。在施加荷載的過程中，由于荷載由小變大，貫通鋼筋的抗剪能力要比榫柱大的多，因此榫柱會(huì)首先進(jìn)入塑性的狀態(tài)。在此種情況下，貫通鋼筋仍處于彈性的階段。此階段仍然是線性階段。

3.1.3 塑性階段

隨著施加荷載的進(jìn)一步的增大，剪力連接件中的鋼筋進(jìn)入了塑形的狀態(tài)，在這個(gè)階段混凝土榫柱已經(jīng)完全破壞。荷載-滑移曲線已經(jīng)表現(xiàn)出了明顯的非線性的特征，在相同的條件下，S-PBL+栓釘連接件的抗剪能力要弱于Twin-PBL連接件。

3.2 應(yīng)力分析

對于S5模型與T5模型施加一樣的荷載作用，對比分析其應(yīng)力的分配情況。

3.2.1 整體鋼構(gòu)件應(yīng)力

對于兩種不同的連接件在整體上的應(yīng)力分布，進(jìn)行對比分析可以得出，Twin-PBL連接件的受力更加的均勻，在鋼板的開孔處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，僅僅在底部處的栓釘表現(xiàn)出應(yīng)力的增大。

3.2.2 開孔鋼板應(yīng)力

分析兩種開孔鋼板的應(yīng)力云圖可以得出：S-PBL+栓釘連接件鋼板在其開孔、頂部及底部位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，有些位置已經(jīng)進(jìn)入了屈服狀態(tài)；而Twin-PBL連接件的應(yīng)力分布比較均勻，僅在個(gè)別的位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。因此Twin-PBL連接件的受力狀態(tài)要明顯的好于S-PBL+栓釘連接件。

4 剪力連接件力學(xué)性能分析

4.1 依托工程概況

本文依托工程背景的跨徑是(88+156+88)m。采用的截面形式是單箱單室，使用直腹板。

4.2 局部模型的建立

4.2.1 有限元模型

因?yàn)槟Ｐ偷木W(wǎng)格劃分較多，采用整體建模的話會(huì)有巨大數(shù)量的單元，一次計(jì)算過程會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，選取波形鋼腹板PC組合梁的16 m等高節(jié)段進(jìn)行有限元的實(shí)體建模，由此發(fā)現(xiàn)一些具有規(guī)律的結(jié)論。模型使用懸臂的方式進(jìn)行荷載的加載，即節(jié)段的一側(cè)采用平截面假定，另外一側(cè)采用梁端固結(jié)(圖1、圖2)。

圖1 節(jié)段有限元模型

(a)S-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖2 兩種連接件模型

對于模型的單元?jiǎng)澐质褂昧俗杂删W(wǎng)格劃分的方式，在鋼板的孔洞位置及栓釘位置都使用了加密的網(wǎng)格劃分，由此確保模型的計(jì)算精度。S-PBL+栓釘連接件模型共有847 851個(gè)單元，101 670個(gè)節(jié)點(diǎn)；Twin-PBL連接件模型共有288 651個(gè)單元，75 785個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.2.2 計(jì)算荷載

通過Midas Civil所建立的全橋的單梁模型進(jìn)行梁端荷載分析結(jié)果的讀取。通過Midas FEA所建立的節(jié)段的實(shí)體模型進(jìn)行梁端荷載、移動(dòng)荷載及恒載的讀取。依據(jù)規(guī)范對于梁端的荷載進(jìn)行一定的組合，其荷載的組合系數(shù)如下表1。

對于表1中的不同工況分別進(jìn)行計(jì)算，得出在工況7的荷載作用下，組合梁的節(jié)段實(shí)體模型會(huì)出現(xiàn)最不利的應(yīng)力。最不利的工況下，最大彎矩為47 800 kN·m，最大剪力為-3 172 kN，軸力為97 400 kN(表2)。

表1 荷載組合

對于移動(dòng)荷載與二期恒載的加載，可以將其直接作用于箱梁的頂面位置。移動(dòng)荷載的縱向加載位置可以依據(jù)整橋的計(jì)算模型得出的內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行確定。

表2 不同工況對應(yīng)梁端荷載

4.2.3 局部模型受力分析

由圖3可以看出，雖然鋼腹板使用兩種不同類型的連接件，但是其Mises應(yīng)力云圖所呈現(xiàn)出的規(guī)律是基本相似的。在鋼腹板與底板接觸的位置位置出現(xiàn)了最大的應(yīng)力，因?yàn)樵诖瞬课徊捎玫氖锹袢胧降倪B接形式，混凝土的齒塊對于鋼腹板具有一定的嵌固作用，使得此部位的應(yīng)力比較大。在整體上來看，其是向著梁端逐漸變小的。

(a)S-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖3 波形鋼腹板Mises應(yīng)力云圖

在施工階段，懸臂梁在底板和頂板位置分別存在受壓和受拉的情況。由圖4看出，采用兩種不同的剪力連接件，在底板的根部部位均出現(xiàn)了最大的壓應(yīng)力，數(shù)值分別是22 MPa和25 MPa。在梁端處，其應(yīng)力均處在12 MPa左右，數(shù)值比較小，并且均在規(guī)范要求的范圍之內(nèi)。

(a)S-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖4 底板主壓應(yīng)力云圖

由圖5、圖6得出，在兩種不同的模型中頂板束的預(yù)應(yīng)力值是基本相同的，其是由于在局部模型中軸向力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于預(yù)應(yīng)力鋼束上的軸線力，并且在貫通鋼筋的位置，其應(yīng)力也相差很小。

(a) Twin-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖5 預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力云圖

(a) Twin-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖6 貫通鋼筋應(yīng)力云圖

5 小結(jié)

(1)PBL剪力連接件在進(jìn)入極限狀態(tài)以后，貫通鋼筋發(fā)揮了較大的承載作用，而PBL剪力連接件在彈性狀態(tài)，榫柱發(fā)揮了較大的承載作用。

(2)使用多排和多列剪力連接件的時(shí)候，其承載能力不是線性疊加，并不是所有的剪力鍵均發(fā)揮了作用，采用3～5排剪力鍵為宜。