淮南孔李淮河大橋波形鋼組合橋面板推出試驗(yàn)研究

葉 琨

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

橋面板是公路橋梁橋面系的主要組成部分，直接承受和傳遞車(chē)輛荷載[1]。由于受到行車(chē)荷載的反復(fù)作用以及長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，因此橋面板是橋梁結(jié)構(gòu)中最易損毀的部件之一[2]。傳統(tǒng)的橋面板結(jié)構(gòu)有兩種：鋼筋混凝土橋面板和鋼橋面板。在汽車(chē)荷載的長(zhǎng)期作用下特別是重載甚至超載的情況下，鋼筋混凝土橋面板的抗剪能力不足，橋面板損傷嚴(yán)重，設(shè)計(jì)使用壽命明顯縮短。鋼橋面板承載力高，施工方便，但因鋼材的疲勞特性，在加勁肋處和焊縫處產(chǎn)生疲勞裂縫，也會(huì)使橋面板的耐久性和適用性受到很大影響[3]。

鋼-混凝土組合橋面板是在鋼橋面板和混凝土橋面板基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種組合橋面板[4]。其同鋼橋面板相比可以減少用鋼量從而降低造價(jià)和增強(qiáng)耐久性，而同混凝土橋面板相比可以減小結(jié)構(gòu)尺寸、減輕橋梁自重、增長(zhǎng)橋梁跨徑，且方便施工。目前鋼-混凝土組合橋面板大致有兩種：底部鋼板為平板和底部鋼板為壓型鋼板的鋼混組合橋面板。壓型鋼板通過(guò)平板鋼板壓成波折形狀，兩個(gè)腹板能提供較大的抗剪承載力，從而獲得更好的抗剪能力和更好的抗彎能力[5,6]。陳世鳴[7]指出，用壓型鋼板代替平底鋼板不僅能獲得更好的抗剪和抗彎能力，而且造型更加輕盈、美觀。2012年，許佳其對(duì)一組波形鋼-混凝土組合橋面板進(jìn)行了探討性試驗(yàn)，研究了組合板在兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)加載時(shí)的受力情況。2015年，同濟(jì)大學(xué)蘇慶田等設(shè)計(jì)了一類(lèi)波形鋼-混凝土組合板，通過(guò)足尺試驗(yàn)將其受力性能與常規(guī)混凝土板和正交異性鋼橋面做了一系列比較[8,9]。

本文以2014年安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的淮南孔李淮河大橋右汊航道橋?yàn)楸尘?，如圖1所示。該橋?yàn)槿玟撓淞合鲁惺竭B續(xù)系桿拱橋，跨徑布置為(110+180+110) m，以大橋新型的波形鋼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，按照實(shí)際工程情況，通過(guò)有限元模型分析和推出試驗(yàn)，對(duì)這種新型波形鋼-混凝土組合橋面板的受力性能進(jìn)行了研究。

圖1 安徽省淮南孔李淮河大橋

1 推出試驗(yàn)概況

根據(jù)實(shí)際施工圖紙，本文設(shè)計(jì)了推出試驗(yàn)的模型并加工了相應(yīng)試驗(yàn)方案的試件。試件高800 mm，寬750 mm，混凝土板厚200 mm，鋼板采用8 mm厚Q235qD鋼板。波折板構(gòu)造如圖2所示，混凝土強(qiáng)度為實(shí)測(cè)強(qiáng)度，栓釘采用Φ16×180 mm,H型鋼采用200 mm×200 mm普通H型鋼。栓釘焊接采用穿透栓釘焊。本文推出試驗(yàn)采用足尺試驗(yàn)，特別地采用直徑180 mm的栓釘，而不是國(guó)內(nèi)外推出試驗(yàn)采用的直徑90 mm或100 mm的栓釘。

圖2 波形板構(gòu)造示意圖

加載之前先測(cè)試混凝土立方體試塊的強(qiáng)度。推出試驗(yàn)布置情況如圖3所示，具體試驗(yàn)程序如下:

圖3 推出試驗(yàn)布置圖

(1)試件的就位，在推出試件兩邊的混凝土塊下面墊一層細(xì)砂，以確保試件在加載過(guò)程中，混凝土塊的下端不會(huì)出現(xiàn)局部混凝土被壓壞，也能夠墊平試件。

(2)將試件與加載裝置嚴(yán)格對(duì)中，以確保加載的過(guò)程中不產(chǎn)生偏心力。

(3)安裝儀器與其他裝置。

(4)采用分級(jí)加載的加載模式。首先對(duì)試件進(jìn)行3次預(yù)加載，檢查儀器運(yùn)行是否正常，同時(shí)根據(jù)2個(gè)百分表的讀值變化來(lái)調(diào)整試件的平衡和對(duì)中情況。待預(yù)加載符合設(shè)計(jì)要求后，才正式加載。

(5)勻速緩慢加載，每級(jí)加載20 kN，百分表在加載到位并保持2 min后讀數(shù)，每一試件測(cè)試的總時(shí)間都在半小時(shí)以上。

(6)邊加載邊記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)觀察混凝土的裂縫發(fā)展情況及試件的破壞特征。

(7)當(dāng)加載到極限荷載的90%左右的時(shí)候，每級(jí)的荷載調(diào)整到10 kN。

(8)考慮到百分表的安全，在荷載接近試件的極限荷載時(shí)，拆除百分表，然后繼續(xù)加載至試件破壞，記錄最后的破壞荷載值。

2 有限元模型的建立

為了從有限元分析中得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，剪切連接的所有部件都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Ｌ幚?。本文采用通用有限元程序ABAQUS對(duì)推出試件進(jìn)行了模擬?；炷涟?、鋼梁、鋼筋和剪切螺栓是影響剪切連接性能的主要因素。部件之間的相互作用也非常重要，同時(shí)考慮了幾何非線性和材料非線性。推出試件的幾何形狀是通過(guò)假定沿鋼梁腹板的半對(duì)稱(chēng)來(lái)建立的，如圖4所示。采用三維八節(jié)點(diǎn)單元(C3D8R) 對(duì)栓釘、混凝土板、異形鋼板和鋼梁進(jìn)行建模，采用桁架單元對(duì)焊接鋼絲網(wǎng)進(jìn)行建模。為了減少分析時(shí)間，將粗線條應(yīng)用為一個(gè)整體。在混凝土與栓釘接觸面附近區(qū)域應(yīng)用細(xì)網(wǎng)絡(luò)，從而得到了較為精確的結(jié)果。

圖4 推出試驗(yàn)半對(duì)稱(chēng)模型

采用塑性損傷模型模擬混凝土，對(duì)于混凝土的骨架曲線，采用丁發(fā)興等提出的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土單軸受壓及受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線統(tǒng)一計(jì)算式計(jì)算得到。鋼板和鋼筋均采用理想的彈塑性本構(gòu)模型。鋼梁、鋼筋網(wǎng)采用線彈性處理，鋼板、栓釘作為彈塑性材料。混凝土強(qiáng)度和栓釘抗拉極限承載力均由試驗(yàn)獲得。

鋼板被綁在剪切螺栓的底部。采用接觸對(duì)算法對(duì)鋼板面與混凝土板之間的表面接觸，以及螺栓與周?chē)炷林g的表面接觸進(jìn)行了定義。由于鋼板和剪切螺栓的剛度較高，以其為主面,而混凝土表面被假定為從屬面。

采用有限滑移法進(jìn)行表面接觸。這兩個(gè)接觸面之間的相互作用是由表面的正切行為決定的。假定默認(rèn)的正常行為包括“硬”接觸壓力-超閉關(guān)系。這種正常的行為保證了從表面到主表面的最小穿透。采用罰式摩擦公式，假定鋼板與混凝土板之間的摩擦系數(shù)為0.45。

假定鋼橋面與H型鋼之間的缺省無(wú)摩擦和“硬”接觸相互作用分別為切向和正常行為。采用相同的“接觸對(duì)”方法，將H型鋼的頂部定義為主表面，鋼板的底部為從表面。在內(nèi)置約束條件下，將鋼絲網(wǎng)嵌入混凝土板內(nèi)。

約束混凝土板底面所有節(jié)點(diǎn)Y方向位移；根據(jù)對(duì)稱(chēng)性約束栓釘單元節(jié)點(diǎn)的X、Z方向位移，只允許Y方向位移。在梁的加載面上施加了0.25 mm/s的位移。

試驗(yàn)所得結(jié)果見(jiàn)表1。將有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明經(jīng)過(guò)修正后的有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高。與此同時(shí),將波形鋼焊接推出試驗(yàn)結(jié)果與另外兩種剪力連接件形式的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示螺栓連接會(huì)降低組合構(gòu)件的整體性，也會(huì)降低組合結(jié)構(gòu)的極限承載力。波形鋼焊接連接與標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果顯示，波形鋼板的加入會(huì)影響前期混凝土對(duì)栓釘?shù)陌?，?dǎo)致前期滑移稍大，但結(jié)構(gòu)最終的延性與承載力有了很大的提高。

表1 推出試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用有限元軟件ABAQUS建立了安徽省淮南孔李淮河大橋波形鋼-混凝土組合橋面板的推出試驗(yàn)三維精細(xì)有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室推出試驗(yàn)對(duì)這一新型橋面板結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論:

(1) 對(duì)比結(jié)果顯示，螺栓連接會(huì)降低橋面板組合構(gòu)件的整體性，也會(huì)降低橋面板組合結(jié)構(gòu)的極限承載力。對(duì)比波形鋼焊接連接與標(biāo)準(zhǔn)推出試驗(yàn)結(jié)果顯示，波形鋼板的加入會(huì)影響前期混凝土對(duì)栓釘?shù)陌裕瑢?dǎo)致前期滑移稍大，但結(jié)構(gòu)最終的延性與承載力有了很大的提高。

(2) 波形鋼-混凝土組合橋面板中波形鋼板及混凝土底面應(yīng)變沿橋橫向分布波動(dòng)較大，波峰位置應(yīng)變較小，波谷位置應(yīng)變較大，且兩者應(yīng)變分布基本相同。