剪力鍵對預(yù)制拼裝蓋梁受力特性的影響研究

黃本才， 黃宇辰， 張松

(中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 江蘇 210014)

隨著中國經(jīng)濟發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變和“綠色建造”理念的倡導(dǎo)，預(yù)制拼裝橋梁在一些經(jīng)濟發(fā)展較快的城市橋梁中正逐漸推廣應(yīng)用。預(yù)制拼裝技術(shù)以施工便捷、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、對交通及環(huán)境影響小等特點，已成為當(dāng)今國內(nèi)外橋梁施工的趨勢，而上部結(jié)構(gòu)采用裝配式小箱梁的全預(yù)制拼裝橋梁，其關(guān)鍵是下部結(jié)構(gòu)的節(jié)段拼裝技術(shù)。

目前，國內(nèi)外針對墩柱節(jié)段拼裝的分析已相對成熟，但關(guān)于預(yù)制拼裝蓋梁技術(shù)的文獻研究較多偏向體量較小的蓋梁，主要適用于整體預(yù)制的形式，而城市高架橋梁的蓋梁尺寸較大，若采用整體預(yù)制方案，則預(yù)制成的蓋梁自重很大，對起重和運輸機械的要求較高，施工適應(yīng)性差。因此，城市高架橋梁的大尺寸蓋梁宜采用分段預(yù)制拼裝的方案；目前中國國內(nèi)對預(yù)制節(jié)段拼裝蓋梁的研究尚未形成系統(tǒng)，2017年，葛繼平從時效性、功能性、操作性三方面對中國現(xiàn)有蓋梁節(jié)段拼裝工藝進行了對比分析，并給出了各種工藝實際應(yīng)用條件方面的建議，分析結(jié)果表明，橫橋向的分段拼裝方式是綜合評價較好的施工方案；沙麗新、李國平針對城市高架倒T形蓋梁，對比分析了橫向分段及豎向分層兩種預(yù)制方案的受力性能，但分析中采用了折減混凝土抗拉強度的方式模擬橫向接縫，未考慮剪力鍵，同時僅驗證了兩種方案的可行性，并未揭示各方案預(yù)制拼裝蓋梁的受力機理。不同于蓋梁的其他拼裝方案，采用橫向分段干接縫連接的分段蓋梁由于存在接觸面和剪力鍵，其受力情況復(fù)雜，具有高度非線性的力學(xué)行為。因此，明確剪力鍵對預(yù)制拼裝蓋梁受力特性的影響對設(shè)計中剪力鍵構(gòu)造及位置的確定具有重要意義。

該文以城市高架橋梁倒T形預(yù)制拼裝蓋梁為對象，將蓋梁橫向分為懸臂段蓋梁與中段蓋梁，采用干接縫節(jié)段拼裝工藝，利用Abaqus平臺建立蓋梁分析模型，對設(shè)置剪力鍵及不設(shè)置剪力鍵兩種節(jié)段蓋梁方案進行彈塑性分析，探討剪力鍵設(shè)置與否、剪力鍵位置及尺寸等參數(shù)對蓋梁受力特性的影響，為預(yù)制拼裝蓋梁設(shè)計提供參考。

1 有限元計算模型建立

選取某橋面寬為26 m、汽車設(shè)計荷載為城-A級的主線高架橋梁倒T形預(yù)制拼裝蓋梁為實例，基于Abaqus建立有限元分析模型，蓋梁采用C40混凝土，相應(yīng)截面尺寸、接縫構(gòu)造及預(yù)應(yīng)力布置如圖2所示，鋼束N1～N3均為15φs15.2型號。

另外，參考相關(guān)規(guī)范及文獻[4]、[5]的研究成果，并結(jié)合以往節(jié)段拼裝梁設(shè)計經(jīng)驗，初步擬定將設(shè)置剪力鍵的模型，在接縫處截面翼緣從上至下布置4排高深比為3、尺寸為10 cm×10 cm的梯形剪力鍵(圖1)。有限元模型中混凝土采用損傷塑性模型，材料應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線如圖2所示，該模型采用各向同性彈性損傷結(jié)合各向同性拉伸、壓縮塑性理論來表征混凝土的非線性行為，對于其塑性參數(shù)，剪脹角取30°，曲線流動勢偏移量為0.1，雙軸抗壓與單軸抗壓極限強度比取1.16；預(yù)應(yīng)力鋼束及普通鋼筋采用嵌入式鋼筋單元模擬，材料本構(gòu)取雙折線模型，屈后剛度比為0.01，鋼束(鋼筋)單元劃分尺寸為混凝土單元的一半，預(yù)應(yīng)力以降溫法施加，考慮實際預(yù)應(yīng)力損失后降溫參數(shù)為560 ℃；接縫處采用基于有限滑移的“硬”接觸模型，切向摩擦系數(shù)取光滑混凝土接觸面之間的摩擦系數(shù)0.4；施工階段中上部單片箱梁恒載下支座反力取792 kN，使用階段中接縫最不利車輛布載位置為蓋梁懸臂段內(nèi)側(cè)墊石處，模型材料強度均取標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 預(yù)制拼裝蓋梁構(gòu)造尺寸及剪力鍵構(gòu)造配筋圖(單位:cm)

圖2 混凝土材料應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線

2 剪力鍵對蓋梁受力特性的影響

2.1 剪力鍵對施工階段下蓋梁受力特性的影響

基于建立的干接縫預(yù)制拼裝蓋梁精細(xì)化有限元模型，將接觸面在翼緣處設(shè)置4排素混凝土梯形剪力鍵的模型設(shè)為工況Ⅰ；在翼緣處設(shè)置4排鋼筋混凝土梯形剪力鍵的模型設(shè)為工況Ⅱ；將接觸面不設(shè)置齒槽剪力鍵，僅靠預(yù)應(yīng)力實現(xiàn)節(jié)段連接的模型設(shè)為工況Ⅲ，其中剪力鍵詳細(xì)大樣圖及配筋圖如圖1所示。圖3、4為3個工況下中段蓋梁的主應(yīng)力(方向為拉正壓負(fù))與接觸面法向應(yīng)力云圖。

由圖3可知：在施工階段下，蓋梁設(shè)置剪力鍵會改變接縫區(qū)域的受力狀態(tài)；在無剪力鍵時，接縫處較大的主拉應(yīng)力主要集中在翼緣頂與肋板的轉(zhuǎn)角處，最大主拉應(yīng)力為1.09 MPa，而設(shè)置剪力鍵后，接縫處較大的主拉應(yīng)力主要在剪力鍵根部，最大主應(yīng)力約為1.44 MPa。即剪力鍵的設(shè)置增大了接縫區(qū)域的最大主應(yīng)力并改變了應(yīng)力分布，主要是因為接縫截面的預(yù)應(yīng)力主要作用在肋板處，此時在翼緣處設(shè)置剪力鍵會導(dǎo)致肋板與翼緣連接處的截面削弱、接縫截面整體性變差，從而使肋板與翼緣連接處的剪力鍵根部產(chǎn)生較大應(yīng)力集中(圖4)；需要指出的是在施工階段下，設(shè)置剪力鍵對蓋梁除接縫區(qū)域外其他區(qū)域受力影響不大。

圖3 施工階段接縫處主應(yīng)力云圖(單位:MPa)

另外如圖3所示，工況Ⅰ與工況Ⅱ在施工階段下接縫區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)基本一致，且其接觸面法向應(yīng)力也相等，表明在剪力鍵中配置鋼筋對接縫區(qū)域彈性狀態(tài)下的受力基本沒有影響。

2.2 剪力鍵對使用階段下蓋梁極限狀態(tài)的影響

針對前述3個工況，根據(jù)接縫最不利車輛布載位置在兩個墊石上逐步施加相同的均布荷載，直至結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變因達(dá)到極限值而發(fā)生破壞，分析剪力鍵對使用階段下預(yù)制拼裝蓋梁極限狀態(tài)的影響。分析得到：工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的極限荷載合力分別為8 342、8 481、8 577 kN，3個工況下模型能承受的極限荷載在總體上相差不大，在剪力鍵中增配鋼筋后會使極限承載力提高約2%。圖5為3個工況下蓋梁達(dá)到極限狀態(tài)時結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變分布云圖。

由圖5可見：設(shè)置剪力鍵會較大程度改變中段蓋梁極限狀態(tài)的受力情況，而懸臂段蓋梁的應(yīng)力狀態(tài)基本不變，說明剪力鍵會改變接縫處的傳力路徑。當(dāng)蓋梁未設(shè)置剪力鍵時，隨著外荷載的增大，接縫處截面產(chǎn)生較大負(fù)彎矩，此時大部分截面壓應(yīng)力從翼緣的平接觸面?zhèn)鬟f給中段蓋梁，使中段蓋梁承受很大偏壓彎矩，導(dǎo)致墩頂處蓋梁截面上緣嚴(yán)重開裂。而當(dāng)設(shè)置剪力鍵后，由于剪力鍵的位移限制效應(yīng)，較大部分截面壓應(yīng)力從翼緣第1排剪力鍵傳遞給中段蓋梁，偏心效應(yīng)較小，墩頂處蓋梁截面上緣的開裂程度也較??；另外，此時剪力鍵的根部與邊角處成為接縫連接處的位移限制區(qū)域，伴隨外荷載的增大，會產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)而出現(xiàn)較大塑性應(yīng)變，由此可見工況Ⅰ、Ⅱ在極限狀態(tài)下的最大塑性應(yīng)變值較工況Ⅲ有很大程度提高。

圖5 極限狀態(tài)下的塑性應(yīng)變云圖

此外，對比工況Ⅰ、Ⅱ可發(fā)現(xiàn)：在剪力鍵中配置普通鋼筋雖然不會改變蓋梁塑性應(yīng)變的分布狀態(tài)，但會較大程度地降低剪力鍵的塑性應(yīng)變峰值；同時查詢3個工況下蓋梁的位移結(jié)果可知，未設(shè)置齒槽剪力鍵的蓋梁懸臂段接縫截面Z向位移要比設(shè)置了剪力鍵的蓋梁增大約17%，表明設(shè)置剪力鍵會減小接觸面產(chǎn)生的滑移。

綜上所述，預(yù)制拼裝蓋梁在接縫處設(shè)置剪力鍵會改變施工階段下接縫處的應(yīng)力分布，增大接縫處主應(yīng)力值；同時，剪力鍵的位移限制效應(yīng)會改變接縫處的傳力路徑，使蓋梁極限狀態(tài)發(fā)生變化，并減小接縫截面的豎向滑移，在剪力鍵中配置普通鋼筋能較大程度地降低剪力鍵破壞時的塑性應(yīng)變峰值；另外，剪力鍵的根部與邊角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生破壞，在設(shè)計時應(yīng)給予重視。

3 預(yù)制拼裝蓋梁受力特性參數(shù)研究

3.1 剪力鍵高深比的影響

相關(guān)研究表明，梯形剪力鍵的高深比對剪力鍵的受力狀態(tài)影響很大，是剪力鍵的關(guān)鍵參數(shù)之一；當(dāng)高深比較大時，剪力鍵一般發(fā)生局部壓壞，而當(dāng)高深比較小時，剪力鍵一般發(fā)生剪切破壞；當(dāng)剪力鍵達(dá)到一定深度時，其抗壓能力大于抗剪能力，繼續(xù)提高鍵深對承載能力影響不大。為研究剪力鍵高深比對預(yù)制拼裝蓋梁受力特性的影響，保持工況Ⅱ模型其他參數(shù)不變，通過調(diào)整鍵深改變剪力鍵高深比，對蓋梁結(jié)構(gòu)進行受力特性分析，各高深比下蓋梁施工階段接縫處的最大主應(yīng)力如圖6所示，另外表1給出了各高深比下蓋梁結(jié)構(gòu)使用階段的破壞狀態(tài)差異。

圖6 高深比對施工階段接縫處最大主應(yīng)力的影響

由圖6可知：剪力鍵高深比與蓋梁施工階段接縫區(qū)域最大主應(yīng)力呈雙線性變化關(guān)系，隨著高深比的提高，接縫區(qū)域的最大主應(yīng)力逐漸增大，而出現(xiàn)最大主應(yīng)力的位置基本無變化。其中，當(dāng)高深比從3增大到5時，最大主應(yīng)力增幅較大，隨后增幅變小。

另外，由表1可得：剪力鍵高深比為3～4時，蓋梁接縫區(qū)域的破壞主要集中在翼緣頂與肋板轉(zhuǎn)角處及第1排剪力鍵根部；而當(dāng)剪力鍵高深比大于4時，蓋梁接縫區(qū)域的第2～4排剪力鍵也開始出現(xiàn)開裂破壞，這主要是因為當(dāng)高深比較大時，第1排剪力鍵容易發(fā)生局部受壓而較快開裂，位移協(xié)調(diào)后使其余剪力鍵開始均勻受力并發(fā)生開裂。隨著高深比的提高，接縫截面的豎向位移逐漸增大，接縫區(qū)域的最大塑形拉應(yīng)變先逐漸增大，當(dāng)高深比大于5時轉(zhuǎn)而減??；高深比對蓋梁能承受最不利布置的極限荷載影響較小。

表1 各高深比下蓋梁極限狀態(tài)

因此，為防止施工階段下接縫區(qū)域主應(yīng)力超限，且考慮到剪力鍵在高深比較大時易出現(xiàn)局部壓壞對結(jié)構(gòu)不利，在實際工程設(shè)計中，剪力鍵應(yīng)取較小高深比，對于該文案例，剪力鍵的高深比應(yīng)該控制為3～4。

3.2 剪力鍵數(shù)量的影響

當(dāng)接縫設(shè)置多排剪力鍵時，各排剪力鍵受力并不均勻，協(xié)同受力的過程也隨剪力鍵數(shù)量及外荷載的改變而變化，因此，剪力鍵的數(shù)量并非越多越好，如何確定恰當(dāng)?shù)募袅︽I數(shù)量對工程設(shè)計具有重要意義。為分析剪力鍵數(shù)量對預(yù)制拼裝蓋梁受力特性的影響，保持工況Ⅱ模型其他參數(shù)不變，通過調(diào)整蓋梁翼緣處的剪力鍵數(shù)量，對蓋梁結(jié)構(gòu)進行受力特性分析，不同剪力鍵數(shù)量下蓋梁施工階段接縫處的最大主應(yīng)力如圖7所示[其中4排剪力鍵工況如圖3(b)]，另外圖8給出了不同剪力鍵數(shù)量下蓋梁結(jié)構(gòu)使用階段的破壞狀態(tài)[其中4排剪力鍵工況如圖5(b)]。

圖7 不同剪力鍵數(shù)量下蓋梁施工階段接縫處的最大主應(yīng)力(單位：MPa)

由圖3(b)與圖7可知：在施工階段下，剪力鍵數(shù)量越多，剪力鍵根部的最大主應(yīng)力越大；當(dāng)在翼緣設(shè)置4排剪力鍵時，剪力鍵根部的最大主應(yīng)力為1.43 MPa，隨著剪力鍵數(shù)量的降低，剪力鍵根部的最大主應(yīng)力也逐漸降低至0.88 MPa；同時，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)取消第1排剪力鍵后，接縫區(qū)域翼緣頂與肋板轉(zhuǎn)角處的最大主應(yīng)力從0.89 MPa增加至1.22 MPa。

另外，由圖5(b)與圖8可得：當(dāng)設(shè)置的剪力鍵數(shù)量大于2排時，其極限荷載基本一致，接縫區(qū)域破壞狀態(tài)均為翼緣頂與肋板轉(zhuǎn)角處、翼緣最上排剪力鍵根部及墩頂肋板截面上緣的開裂破壞；當(dāng)僅設(shè)1排剪力鍵時，其極限荷載較設(shè)置多排剪力鍵的工況要降低約16.6%，接縫區(qū)域僅翼緣頂與肋板轉(zhuǎn)角處與剪力鍵根部發(fā)生破壞。這表明，僅設(shè)置1排剪力鍵會使塑性應(yīng)變主要集中在單排剪力鍵根部且無其他剪力鍵分擔(dān)，較大程度地降低了蓋梁接縫承受荷載的能力。在設(shè)計中應(yīng)避免僅設(shè)單排剪力鍵，同時考慮剪力鍵數(shù)量對蓋梁應(yīng)力的影響來確定恰當(dāng)?shù)募袅︽I數(shù)量；對于該文算例，剪力鍵設(shè)為2排較為合適。

圖8 不同剪力鍵數(shù)量的接縫極限狀態(tài)塑性應(yīng)變

4 結(jié)論

針對城市高架橋倒T形預(yù)制拼裝蓋梁，基于剪力鍵設(shè)置與否及剪力鍵配筋與否分別建立了3個蓋梁有限元仿真模型，探討了剪力鍵對預(yù)制拼裝蓋梁受力特性的影響，并進行了參數(shù)研究。結(jié)果表明：

(1) 設(shè)置剪力鍵會增大接縫區(qū)域的最大主應(yīng)力；

同時會改變蓋梁受最不利車輛荷載布置時的極限承載狀態(tài)，使剪力鍵根部與邊角處率先發(fā)生破壞，并減小接縫截面的豎向相對滑移；另外，在剪力鍵中配置普通鋼筋能較大程度地降低剪力鍵破壞時的塑性應(yīng)變峰值。在設(shè)計時應(yīng)重視剪力鍵根部與邊角處的應(yīng)力集中效應(yīng)，合理布置剪力鍵以獲得恰當(dāng)?shù)膫髁β窂健?/p>

(2) 隨著剪力鍵高深比的增大，施工階段下蓋梁接縫區(qū)域的最大主應(yīng)力逐漸增大；極限狀態(tài)下最大塑性拉應(yīng)變有先增大后減小的趨勢，接縫截面的豎向相對滑移也隨之增大。剪力鍵高深比對蓋梁能承受最不利布置的極限荷載影響較小，在設(shè)計中應(yīng)避免剪力鍵高深比過大對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

(3) 隨著剪力鍵布置數(shù)量的增加，施工階段下剪力鍵根部的最大主應(yīng)力增大；另外，當(dāng)剪力鍵僅設(shè)置1排時，會增加接縫區(qū)域的應(yīng)力集中效應(yīng)，降低預(yù)制拼裝蓋梁能承受的極限荷載。設(shè)計時，應(yīng)在滿足剪力鍵不少于2排的前提下，進行參數(shù)敏感性分析，合理確定剪力鍵數(shù)量。