波紋鋼腹板組合箱梁橋內(nèi)襯混凝土布設(shè)參數(shù)研究

索文嘉

(中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司工程勘察設(shè)計(jì)分公司 北京市 100028)

0 引言

根據(jù)2016年7月《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》(交公路發(fā)[2016]115號)文件，到“十三五”時期末，新建大跨、特大跨徑橋梁以鋼結(jié)構(gòu)為主，新改建其他橋梁鋼結(jié)構(gòu)比例需明顯提高。

文件在推進(jìn)鋼混組合橋梁建設(shè)的主要措施中明確提出“應(yīng)重視鋼結(jié)構(gòu)縱、橫向受力的連續(xù)性和均衡性，細(xì)化截面過渡和連接設(shè)計(jì)，有效避免應(yīng)力集中引起的疲勞損傷”。為推進(jìn)鋼混組合橋梁在公路工程中的應(yīng)用，對波形鋼腹板混凝土組合箱梁橋中用于細(xì)化截面過渡設(shè)計(jì)、提高波形鋼腹板組合橋的抗屈曲性能、保障剪應(yīng)力的流暢傳遞以及緩和局部應(yīng)力的內(nèi)襯混凝土這一構(gòu)造展開深入研究。

對于跨徑大、截面高的波形鋼腹板組合橋，中支點(diǎn)附近約束條件復(fù)雜，彎矩和剪力均較大，宜在墩頂部分及附近節(jié)段的波紋鋼腹板內(nèi)側(cè)澆注混凝土構(gòu)成組合腹板結(jié)構(gòu)，這部分混凝土稱為“內(nèi)襯混凝土”[1]。國內(nèi)已建成的數(shù)座波形鋼腹板組合橋(如甄城黃河公路大橋、深圳南山大橋、蘭州小砂溝大橋等)的最大截面高度超過6m時，腹板內(nèi)側(cè)均布設(shè)了內(nèi)襯混凝土。同濟(jì)大學(xué)的學(xué)者設(shè)計(jì)并制作了兩點(diǎn)對稱加載實(shí)驗(yàn)證明了內(nèi)襯混凝土可提高組合梁的彎曲強(qiáng)度和延性[2]。在日本的鋼結(jié)構(gòu)組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范與施工準(zhǔn)則中，將設(shè)置內(nèi)襯混凝土作為強(qiáng)制規(guī)定，并通過極限破壞實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了設(shè)置內(nèi)襯混凝土的效果。故無論波形鋼腹板的最大高度如何設(shè)置，都應(yīng)在組合橋梁的墩頂部分澆注內(nèi)襯混凝土[3-6]。

雖然在波形鋼腹板組合橋的墩頂部分及附近節(jié)段設(shè)置內(nèi)襯混凝土已被國內(nèi)外的橋梁建設(shè)工程規(guī)定和應(yīng)用，但是有關(guān)內(nèi)襯混凝土的設(shè)置厚度、設(shè)置范圍及剪力承擔(dān)比例等問題仍缺乏明確的規(guī)范和準(zhǔn)則。以一座波形鋼腹板組合連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，研究?nèi)襯混凝土的設(shè)置參數(shù)及其對組合箱梁橋受力性能的影響。

1 內(nèi)襯混凝土設(shè)計(jì)原理

在焊釘?shù)倪B接作用下，內(nèi)襯混凝土與受壓區(qū)的鋼腹板應(yīng)變基本協(xié)調(diào)，在受拉區(qū)的混凝土開裂而退出工作后，內(nèi)襯混凝土可承擔(dān)部分彎矩作用，組合梁中的內(nèi)襯混凝土可改善負(fù)彎矩區(qū)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[7-8]。

內(nèi)襯混凝土在提高波紋鋼腹板組合橋抗剪剛度的同時減小了組合梁的剪切變形。腹板在設(shè)置內(nèi)襯混凝土后有效抗剪面積增大，混凝土與鋼共同承擔(dān)剪力作用，在同一截面內(nèi)這兩種材料的剪應(yīng)變接近相等的關(guān)系。通過混凝土與鋼的剪切剛度可得到兩種材料的剪力分配關(guān)系[9]：

(1)

式中：Vcd—內(nèi)襯混凝土所承擔(dān)的剪力設(shè)計(jì)值；

Gc、G—內(nèi)襯混凝土、波紋鋼腹板的剪切模量；

Ac—內(nèi)襯混凝土的平均斷面面積；

A—波紋鋼腹板的有效斷面面積；

Vd—豎向剪力的設(shè)計(jì)值。

由式(1)可知，當(dāng)內(nèi)襯混凝土的設(shè)置厚度大于一定值時，組合腹板的剪力將主要由內(nèi)襯混凝土承擔(dān)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對內(nèi)襯混凝土的設(shè)置厚度有最小值的要求。該值由式(1)代入組合腹板的材料參數(shù)計(jì)算得到。

波紋鋼腹板組合橋在主梁屈服后,內(nèi)襯混凝土才能發(fā)生破壞，因此在極限狀態(tài)下的截面主拉應(yīng)力分布均勻[10]。由此可見，內(nèi)襯混凝土能夠有效解決波形鋼腹板的屈曲問題，改善結(jié)構(gòu)的抗剪性能。

較小的縱向剛度導(dǎo)致了波形鋼腹板的剪切變形較大，而剪切變形在支點(diǎn)位置又被頂?shù)装搴蜋M隔梁所約束，因此在波形鋼腹板與混凝土的接合部會產(chǎn)生局部應(yīng)力。內(nèi)襯混凝土的過渡作用能起到緩和局部應(yīng)力的作用。

2 有限元模型

2.1 工程背景

以一座預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔瑯蛄涸O(shè)計(jì)跨度為(60+2×100+60)m，單幅橋面寬度為13m，見圖1、圖2。主梁截面類型為箱型，腹板采用波形鋼腹板，箱梁底部設(shè)計(jì)為1.8次拋物線。墩頂處梁高為6.2m，跨中合攏段梁高為3.2m，主梁采用C55混凝土，腹板為Q345qD鋼材波形鋼腹板，板厚12mm、波長1600mm、波高220mm。體內(nèi)體外預(yù)應(yīng)力束混合配束，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值均為1860MPa。下部結(jié)構(gòu)采用變截面矩形空心墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，主墩墩高分別為65m、75m、50.5m。橋涵設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級荷載。橋梁抗震設(shè)計(jì)方法為A類。

圖1 墩頂處主梁橫斷面

圖2 跨中主梁橫斷面

2.2 模型建立

運(yùn)用有限元軟件Midas Civil 2015建立了全橋空間有限元模型，按照結(jié)構(gòu)離散化以及節(jié)點(diǎn)位置選擇的基本原則，并考慮施工工序，將橋面劃分，有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

3 內(nèi)襯混凝土的設(shè)置參數(shù)研究

3.1 內(nèi)襯混凝土厚度的理論計(jì)算

內(nèi)襯混凝土和波形鋼腹板共同承擔(dān)剪力，且在共同的截面內(nèi)兩種材料的剪應(yīng)變接近相等，通過剪切剛度可計(jì)算出組合腹板的剪力分配關(guān)系。根據(jù)公式(1)，可以算出在墩支座負(fù)彎矩區(qū)范圍內(nèi)內(nèi)襯混凝土在不同的設(shè)置厚度情況下所承擔(dān)的剪力比例。結(jié)果如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，在組合腹板中，內(nèi)襯混凝土所承擔(dān)的剪力比例隨著設(shè)置厚度的增加而提高。當(dāng)內(nèi)襯混凝土的厚度達(dá)到30cm時，內(nèi)襯混凝土承擔(dān)組合腹板的大部分剪力，比例達(dá)到72%；當(dāng)厚度大于50cm時，內(nèi)襯混凝土所承擔(dān)的剪力比例將超過81.1%，但增長趨緩。因此，對內(nèi)襯混凝土的設(shè)置厚度取值范圍在30～70cm時最為合理。

表1 內(nèi)襯混凝土在不同厚度情況下承擔(dān)的剪力比例

3.2 內(nèi)襯混凝土設(shè)置參數(shù)的有限元分析

由3.1節(jié)可知，內(nèi)襯混凝土的設(shè)置厚度取30～70cm。以下通過對比多個有限元計(jì)算模型的力學(xué)性能，探討內(nèi)襯混凝土的設(shè)置參數(shù)。

(1)內(nèi)襯混凝土的設(shè)置區(qū)間相同，內(nèi)襯厚度的布置方式不同

假定內(nèi)襯混凝土設(shè)置在墩頂零號塊兩側(cè)的1號塊至3號塊，第一個模型的內(nèi)襯混凝土厚度從70cm線性減少到30cm，第二個模型的內(nèi)襯混凝土厚度取該變化范圍的平均值50cm。

對于超靜定結(jié)構(gòu)體系，兩種不同的內(nèi)襯混凝土厚度布置方式將引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化。表2中列出了這兩種不同的布置方式對墩頂負(fù)彎矩區(qū)零號塊內(nèi)各計(jì)算單元彎矩值的影響。

表2 內(nèi)襯混凝土厚度不同布置方式的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比(單位：kN·m)

從表2可以看出，各墩墩頂零號塊所承擔(dān)的彎矩平均值，規(guī)律一致，均為模型一即內(nèi)襯混凝土厚度從70cm線性減少到30cm的模型所承擔(dān)的彎矩比厚度均勻布置的模型二更小。因此，從結(jié)構(gòu)所需承擔(dān)的彎矩值分析，內(nèi)襯混凝土厚度變化的布置方式更優(yōu)。

圖4、圖5為兩個模型在設(shè)置內(nèi)襯混凝土的單元內(nèi)所承擔(dān)正、負(fù)剪力的變化。圖4中將三個橋墩墩頂零號塊沿順橋右側(cè)的1號至3號塊單元按順序分別編號為0-2、3-5、6-8；圖5中將各墩頂零號塊沿順橋左側(cè)3號至1號塊單元分別編號為0-2、3-5、6-8。

圖4 含內(nèi)襯混凝土單元的正剪力圖

圖5 含內(nèi)襯混凝土單元的負(fù)剪力圖

從圖4、圖5可以看出，兩個模型中內(nèi)襯所承擔(dān)的剪力變化規(guī)律一致，模型一所承擔(dān)剪力的絕對值小于模型二的對應(yīng)值。因此從結(jié)構(gòu)所需承擔(dān)的剪力值分析，內(nèi)襯混凝土厚度變化的布置方式更優(yōu)。

綜上所述，在內(nèi)襯混凝土設(shè)置區(qū)間相同的條件下，從結(jié)構(gòu)所需承擔(dān)的彎矩值和剪力值分析，內(nèi)襯混凝土厚度線性變化的布置方式較內(nèi)襯厚度保持不變的布置方式更優(yōu)。

(2)內(nèi)襯厚度的布置方式相同，內(nèi)襯混凝土的設(shè)置區(qū)間不同

假定內(nèi)襯混凝土從70cm線性減小至30cm，模型M0不設(shè)置內(nèi)襯混凝土，模型M1只有1號塊設(shè)置內(nèi)襯混凝土、模型M3在1號至3號塊設(shè)置內(nèi)襯混凝土、模型M5在1號至5號塊設(shè)置內(nèi)襯混凝土。

將三種在結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩區(qū)內(nèi)布置內(nèi)襯混凝土的模型與不設(shè)置內(nèi)襯的模型作對比，為分析不同內(nèi)襯混凝土設(shè)置區(qū)間對結(jié)構(gòu)受力的影響，以1號墩為代表，取其墩頂零號塊兩側(cè)設(shè)置有內(nèi)襯混凝土的單元所承擔(dān)的剪應(yīng)力值列于表3，其中11至15號單元(對應(yīng)1號至5號塊)為該墩沿順橋向左側(cè)的單元，26至30號單元(對應(yīng)5號至1號塊)為該墩沿順橋向右側(cè)的單元。

表3 不同內(nèi)襯設(shè)置區(qū)間條件下的剪應(yīng)力值(單位：MPa)

由表3可知，設(shè)置有內(nèi)襯混凝土的單元較未設(shè)置內(nèi)襯混凝土的單元截面內(nèi)剪應(yīng)力降低明顯，減幅均超過70%。由于C55混凝土的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4.0MPa，故M1、M3模型符合規(guī)范要求，且M3模型的優(yōu)化效果更佳。

通過上述分析可知，結(jié)構(gòu)中內(nèi)襯混凝土的設(shè)置區(qū)間為1號至3號塊最佳，即設(shè)置區(qū)間覆蓋負(fù)彎矩區(qū)范圍的一半。

4 結(jié)語

為了深入貫徹《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》的核心思想，對波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合橋梁中用以細(xì)化截面過渡設(shè)計(jì)、緩和局部應(yīng)力并提高結(jié)構(gòu)受力性能的內(nèi)襯混凝土這一構(gòu)造進(jìn)行了充分地研究。用工程實(shí)例結(jié)合理論計(jì)算及多個有限元模型的計(jì)算結(jié)果，充分研究了內(nèi)襯混凝土的布設(shè)參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力性能的影響，歸納內(nèi)襯混凝土的合理布設(shè)方法，得出以下定性、定量的結(jié)論：

(1)對于波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土組合橋梁，組合腹板內(nèi)的鋼與混凝土兩種材料將共同承擔(dān)剪力，且通過剪切剛度可計(jì)算出組合腹板內(nèi)兩種材料的剪力分配關(guān)系。

(2)當(dāng)內(nèi)襯混凝土的設(shè)置厚度大于30cm時，組合腹板所承受的剪力將主要由內(nèi)襯混凝土來承擔(dān)，比例超過72%；當(dāng)厚度超過50cm時，內(nèi)襯混凝土所承擔(dān)剪力的比例超過81.1%，但增長趨緩。因此，對內(nèi)襯混凝土的設(shè)置厚度取30～70cm最為合理。

(3)通過討論“內(nèi)襯混凝土設(shè)置區(qū)間相同，內(nèi)襯厚度的布置方式不同”與“內(nèi)襯厚度的布置方式相同，內(nèi)襯混凝土的設(shè)置區(qū)間不同”兩個問題，在多模型的對比計(jì)算中歸納出內(nèi)襯厚度線性變化的布置方式較內(nèi)襯厚度保持不變的布置方式更優(yōu)以及內(nèi)襯設(shè)置區(qū)間為1號至3號塊時最佳，即內(nèi)襯設(shè)置區(qū)間覆蓋負(fù)彎矩區(qū)范圍的一半時最佳。