裝配式T梁縱向連接形式力學(xué)性能對比分析

任 鵬

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,湖北 武漢 430063)

0 引 言

現(xiàn)階段裝配式T梁在我國高速公路橋梁上應(yīng)用十分廣泛，但是其施工中的縱向連接形式、拼接工藝與接縫處受力性能的研究卻沒得到很大的發(fā)展，導(dǎo)致使用階段的受力性能下降、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降、連接處出現(xiàn)裂縫等問題。裝配式橋梁常用的新型縱向連接接縫形式除了常見的豎直接縫，還有斜接縫、L形或階梯形接縫、齒塊形接縫。

針對研究對象，首先分別對不同連接形式的橋梁利用ANSYS有限元軟件建模，分析結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力和撓度，研究結(jié)構(gòu)縱向連接形式變化對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，通過比較得到各種連接形式的優(yōu)缺點，并從中選出較優(yōu)結(jié)構(gòu)。本文研究對于裝配式T梁的設(shè)計與施工具有較好的參考價值。

1 裝配式T梁縱向連接模型

1.1 縱向連接形式介紹

根據(jù)已有裝配式橋梁縱向連接施工的采用情況以及現(xiàn)有規(guī)范、研究文獻(xiàn)，預(yù)制梁連接形式的常用和新型構(gòu)造形式主要有以下幾種：豎直接縫、斜接縫、L形或階梯形接縫、齒塊形接縫，如圖1所示。

圖1 縱向連接接縫示意圖

豎直接縫：此為裝配式橋梁縱向連接最為常用的形式。連接處截面的剪應(yīng)力主要由濕接縫承擔(dān)，由于相鄰預(yù)制梁截面的豎向變形與微小位移，連接處易出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力，這是此種接縫形式受到破壞的主要形式之一。

斜接縫：斜接縫的形式為傾斜狀平面，由于傾斜面的存在，剪應(yīng)力將由預(yù)制混凝土T梁與濕接縫共同承擔(dān)。本文選擇10°的傾斜面進行研究。

L形或階梯形接縫：此接縫形式是在豎直接縫的基礎(chǔ)上增加階梯面，由于接縫的形式并不是完全豎直，剪應(yīng)力由連接處相鄰混凝土共同承擔(dān)。本文選擇寬度為200 mm的二次階梯面進行研究。

齒塊形接縫：由于剪力鍵的存在，抵抗豎向變形的能力提高，且相鄰兩混凝土節(jié)段接觸面積大大增加，故其抗剪切變形能力較強。本文選擇齒鍵深度為75 mm的形式進行研究。

1.2 工程概況

以十堰經(jīng)鎮(zhèn)坪至巫溪高速公路鮑峽至溢水段的40 m裝配式T梁橋為工程背景，此橋梁上部結(jié)構(gòu)為變截面T梁，橫向布置5片T梁，截面尺寸如圖2所示。具體工程參數(shù)如下：

圖2 橋梁斷面圖(單位：mm)

混凝土：預(yù)制主梁及橫隔梁、濕接縫、封錨端、墩頂現(xiàn)澆段和橋面現(xiàn)澆混凝土均都采用C50型號混凝土，重力密度γ=26.0 kN/m3，彈性模量EC=3.45×104MPa。

瀝青混凝土：橋面鋪裝采用瀝青混凝土，重力密度γ=24.0 kN/m3。

預(yù)應(yīng)力鋼筋：預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa、公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強度鋼絞線，彈性模量EP=1.95×105MPa，松弛系數(shù)ξ=0.3。

1.3 ANSYS有限元模型

本文將分別建立在裝配式T梁通過縱橫連接與施加二期恒載完全成橋狀態(tài)下的豎直接縫、斜接縫、L形或階梯形接縫、齒塊型接縫縱向連接形式的橋梁模型，對不同連接形式的受力性能做出對比分析。此ANSYS有限元建模重點為混凝土建模、預(yù)應(yīng)力鋼筋建模與縱向連接的處理。

使用SOLID 95單元模擬橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)，此單元節(jié)點有X、Y、Z三個方向的平移自由度，并且SOLID 95單元可以充分適應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)的小變形、截面應(yīng)力計算與剛度的要求。橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

圖3 混凝土實體模型

為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本模型嚴(yán)格要求預(yù)應(yīng)力對于混凝土連接接縫的受力性能的影響，因此通過LINK 8單元建立鋼筋線形，采用“實體力筋法”模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的作用。預(yù)應(yīng)力鋼筋建模的實常數(shù)(其張拉應(yīng)力為1 395 MPa)見表1。

表1 預(yù)應(yīng)力鋼筋實常數(shù)

為了使縱向連接的濕接縫的受力性能區(qū)分于預(yù)制混凝土T梁，對接縫的相鄰混凝土采用約束方程法進行剛性連接，使相鄰的預(yù)制T梁在濕接縫截面自由度相同并且相鄰節(jié)點通過剛性連接，即受到的變形與應(yīng)力相同，以此分析不同接縫形式下的接縫處力學(xué)性能。

2 縱向連接形式受力性能對比分析

2.1 有限元計算結(jié)果對比分析內(nèi)容

本文進行了4種預(yù)制T梁的縱向連接形式的分析，為了使結(jié)果具有對比性與準(zhǔn)確性，通過使用相同的建模方法，建立一個無連接接縫整體式T梁有限元模型來提供對照應(yīng)力數(shù)據(jù)，使其數(shù)據(jù)作為類比項，其他接縫數(shù)據(jù)作為對比項，以此得到直觀可靠的力學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

通過對實際工程與有限元模型的對比分析，不同縱向連接形式的對比分析內(nèi)容應(yīng)為以下幾點：

(1) 裝配式T梁整體豎向變形分析；

(2) 連接接縫截面上下緣縱向正應(yīng)力分析；

(3) 跨中截面上下緣縱向正應(yīng)力分析；

(4) 連接接縫截面腹板剪應(yīng)力分析。

2.2 受力性能對比計算分析

2.2.1 豎向變形分析

由不同連接形式的T梁豎向變形云圖(圖4)可知，其最大撓度值均發(fā)生在跨中附近位置，距離跨中截面偏向T梁端部1 m處。此成橋階段邊界條件下的T梁豎向變形值見表2。

圖4 豎向變形云圖

表2 各種連接形式下豎向變形值

此成橋階段的上拱值是為了使用階段而存在的。一般來說，上拱值越大，預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的壓應(yīng)力儲備越大，對于之后使用階段的橋梁受力性能也會有一定的加強；但是，過大的上拱值，有可能在連接處或支座處產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力。因此橋梁變形需同時配合應(yīng)力數(shù)據(jù)進行比較。

2.2.2 連接接縫位置縱向正應(yīng)力分析

研究預(yù)應(yīng)力混凝土T梁在不同連接接縫形式下的受力性能，連接處的應(yīng)力特征為非常關(guān)鍵的參考依據(jù)。本文對連接處的上、下緣縱向正應(yīng)力分別做出計算分析，通過查看不同接縫形式的模型的應(yīng)力云圖(圖5)可知，不同連接接縫形式在連接處的應(yīng)力分布與大小差別較大，是非常值得研究與對比分析的。

圖5 連接處縱向應(yīng)力云圖

通過對裝配式T梁的連接處上緣與下緣的縱向正應(yīng)力分析，其上緣為壓應(yīng)力，下緣為拉應(yīng)力。表3給出了各種連接形式的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

表3 連接接縫位置上下緣縱向正應(yīng)力(單位：MPa)

為了更加形象地對比上述4種連接形式的上下緣縱向正應(yīng)力的大小情況，將整體式作為類比項，其余幾種連接形式做對比分析，如果如圖6、圖7所示。

圖6 上緣縱向壓應(yīng)力對比圖

圖7 下緣縱向拉應(yīng)力對比圖

對于上緣縱向壓應(yīng)力，斜接縫連接形式相對于其他連接形式，縱向壓應(yīng)力減小幅度最大，其他連接形式，除了齒塊形接縫連接形式差別比較大之外，其余連接形式差別較小。 對于下緣縱向拉應(yīng)力，斜接縫的下緣縱向拉應(yīng)力最小，應(yīng)力值較其他連接形式低了大約有9%；其他連接形式與整體式相比，都有2%到5%的減小幅度。

2.2.3 腹板最大剪應(yīng)力分析

接縫處由于新舊混凝土受力性能的不同，而連接處還要承擔(dān)永久支座、負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼筋與橋面鋪裝等二期恒載帶來的外加荷載作用，因此連接處腹板的剪應(yīng)力也為關(guān)鍵應(yīng)力之一。表4給出了各個連接形式的腹板剪應(yīng)力最大值。

表4 腹板最大剪應(yīng)力(單位：MPa)

為了更加形象的對比上述4種連接形式的剪應(yīng)力的大小情況，將整體式作為類比項，同其余幾種做對比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 腹板最大剪應(yīng)力對比圖

根據(jù)以上的剪應(yīng)力變化與對比，斜接縫的腹板最大剪應(yīng)力低了8%左右；齒塊形接縫的腹板最大剪應(yīng)力高了2%左右。

2.2.4 跨中截面縱向正應(yīng)力分析

不同縱向連接形式的跨中截面縱向正應(yīng)力的變化對于橋梁整體受力性能的影響，可作為次要因素分析。表5給出了各連接形式下的跨中截面應(yīng)力。

表5 跨中截面上下緣縱向正應(yīng)力(單位：MPa)

上述圖表的數(shù)據(jù)分析表明，不同的接縫連接形式對于預(yù)應(yīng)力混凝土跨中的上、下緣縱向正應(yīng)力都存在一定的影響，但通過對比4種主要連接形式可知，其不同的連接接縫形式對于上、下緣的縱向正應(yīng)力影響較小，但與整體式模型一定的差別。

2.3 對比分析結(jié)論

通過對連接處應(yīng)力的分析得知，4種連接形式的應(yīng)力變化規(guī)律相同，都為斜接縫應(yīng)力較小，齒塊形接縫應(yīng)力次之，其余差別不大。對應(yīng)力云圖與變形云圖的分析得知，出現(xiàn)此原因主要有以下幾點：

(1) 斜接縫的獨特傾斜面有利于變形的釋放，其傾斜的截面使得濕接縫截面長度增加，相鄰混凝土的變形影響對其將會減小一些。

(2)斜接縫的應(yīng)力通過靠重力相互擠壓的混凝土承擔(dān)一部分，濕接縫承受的應(yīng)力較小，因此，無論是第一種邊界條件還是成橋之后，其連接處應(yīng)力相比其他形式都較小。

(3) 齒塊形接縫由于齒鍵的作用，使得相鄰混凝土的連接更加緊密，其抵抗變形的能力也會有所提高；但是其上緣與下緣位置的部分接縫為豎直形式，因此其上下緣的受力性能較斜接縫要低一些。

(4) 階梯形接縫是通過階梯面來抵抗變形，與齒鍵的作用類似，但是因為形齒鍵的密集性，齒塊形接縫受力性能要優(yōu)于階梯形接縫。

綜上所述，結(jié)合施工難易等實際情況，本文認(rèn)為斜接縫連接形式為改善裝配式T梁連接細(xì)部結(jié)構(gòu)受力性能較優(yōu)的縱向連接形式。

3 結(jié)束語

本文對高速公路裝配式T梁的縱向連接形式與影響因素做出了計算分析研究，從而對實際裝配式T梁的縱向連接提出了一定的施工技術(shù)依據(jù)。本文主要使用ANSYS有限元分析軟件對40 m跨徑的裝配式T梁做出了有限元模擬分析，對不同濕接縫的縱向連接形式做出了對比計算分析，得到了以下成果：

(1) 改變連接形式，連接結(jié)構(gòu)細(xì)部的關(guān)鍵應(yīng)力(拉應(yīng)力)都有至少2.5%的減小，說明不同的連接形式對于改善連接處的受力性能都具有一定的優(yōu)勢。

(2)斜接縫連接形式在各種細(xì)部分析中占據(jù)主要優(yōu)勢，相比于其他連接形式，拉應(yīng)力與剪應(yīng)力都同比減小了7%～8%；所以綜合考慮，斜接縫為此裝配式T梁的縱向連接形式的較優(yōu)選擇。

(3) 根據(jù)有限元模型結(jié)果分析了不同連接形式力學(xué)性能的表現(xiàn)原因，為設(shè)計施工提供了參考依據(jù)。