裝配式T梁縱向連接方式比較及其影響因素研究

任 鵬 王沛源 王向陽(yáng)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (天津天怡建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司2) 天津 300110) (武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院3) 武漢 430070)

0 引 言

裝配式T梁在高速公路橋中應(yīng)用越來(lái)越多，其裂縫或者其他結(jié)構(gòu)破壞往往發(fā)生在連接處，而現(xiàn)階段對(duì)于裝配式T梁的縱向連接受力性能研究較為缺乏[1-6].因此，分析各種縱向連接接縫結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有助于裝配式結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)也提供了一定的理論支持.

文中采用ANSYS軟件建立裝配式T梁模型，以某高速公路裝配式橋梁為背景，通過(guò)改變連接接縫構(gòu)造，對(duì)比分析不同縱向連接形式下的受力影響因素問(wèn)題，以此得到較優(yōu)的縱向連接構(gòu)造.

1 工程概況

以某高速公路2×40 m裝配式T梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，此橋梁上部結(jié)構(gòu)為變截面T梁，橫向布置五片T梁，截面尺寸見(jiàn)圖1.

圖1 橋梁斷面圖 (單位：mm)

混凝土均都采用C50型號(hào)混凝土；橋面鋪裝采用8 cm厚瀝青混凝土.預(yù)應(yīng)力鋼筋采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，公稱(chēng)直徑d=15.2 mm的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線.

2 裝配式T梁縱向連接模型

2.1 縱向連接形式

裝配式梁常用和新型的縱向連接構(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，見(jiàn)圖2[7-13].

圖2 縱向連接接縫示意圖

2.2 縱向連接模型

1) 混凝土建模 使用SOLID95單元模擬橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)，橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖3.

圖3 混凝土實(shí)體模型

2) 預(yù)應(yīng)力鋼筋建模 在ANSYS軟件中采用“實(shí)體力筋法”進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的模擬.預(yù)應(yīng)力鋼筋建模的實(shí)常數(shù)見(jiàn)表1.

表1 預(yù)應(yīng)力鋼筋實(shí)常數(shù)

3) 縱向連接接縫處理 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(duì)濕接縫的相鄰混凝土采用約束方程法進(jìn)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(diǎn)通過(guò)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.

3 縱向連接影響因素計(jì)算分析

3.1 斜接縫影響因素分析

對(duì)于斜接縫的影響因素主要為傾斜角度的影響，對(duì)比分析的為5°、7.5°、10°、12.5°、15°五種傾斜角度.其連接接縫的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4.

圖4 斜接縫應(yīng)力云圖

1) 豎向最大變形分析 通過(guò)對(duì)五種模型豎向變形云圖與最大豎向變形分析，其結(jié)果幾乎相同.最大豎向變形均在T梁的跨中位置附近，距離跨中截面偏向T梁端部1 m處.結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 豎向最大變形

由表2可知，隨著傾斜角度的增加，其跨中附近最大豎向變形無(wú)明顯變化.

2) 連接接縫處上、下緣縱向正應(yīng)力分析 對(duì)五種模型的縱向應(yīng)力云圖與連接處上、下緣應(yīng)力分析，得知不同的傾斜角度對(duì)于連接處上、下緣的應(yīng)力有明顯影響，其具體結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 連接處上下緣應(yīng)力

由表3說(shuō)明，隨著連接接縫的傾斜角度的增加，其上下緣的縱向正應(yīng)力均有所減小.過(guò)總體應(yīng)力變化與減小幅度來(lái)看，改變斜接縫的傾斜角度是有利于改善裝配式T梁的受力性能.

3) 腹板應(yīng)力分析 對(duì)五種模型的應(yīng)力云圖與計(jì)算數(shù)據(jù)分析，得知不同的傾斜角度對(duì)于腹板的應(yīng)力有明顯影響，具體結(jié)果見(jiàn)表4，為了使結(jié)果對(duì)比明顯，以5°的斜接縫為類(lèi)比項(xiàng)，其他傾斜角度的斜接縫為對(duì)比項(xiàng)，對(duì)比圖為圖5.

表4 腹板應(yīng)力

圖5 連接處腹板應(yīng)力對(duì)比圖

由表4和圖5可知，橫向壓應(yīng)力隨著傾斜角度的增大而有所增加，增幅約為4.3%；縱向拉應(yīng)力隨著傾斜角度的增加有所減小，減幅約為4.4%.最大剪應(yīng)力隨著角度的增大而減小，并且減小幅度較大，約為19%.

通過(guò)剪應(yīng)力與腹板正應(yīng)力的分析得知，剪應(yīng)力減小，斜接縫的傾斜角度使得一部分的剪切應(yīng)力由相互連接的斜截面承擔(dān)，一部分剪應(yīng)力由連接面擠壓應(yīng)力的形式表現(xiàn)，從而使得剪應(yīng)力有所減小.

隨著傾斜角度的增加，連接上、下緣的縱向正應(yīng)力與腹板剪應(yīng)力等關(guān)鍵應(yīng)力均有所減小. 為了分析在斜接縫傾斜角度大于15°時(shí)的受力性能，對(duì)20°的斜接縫進(jìn)行有限元模擬，對(duì)幾種關(guān)鍵應(yīng)力的計(jì)算分析見(jiàn)表5.

表5 20°斜接縫應(yīng)力 單位： MPa

由表5可知，當(dāng)傾斜角度大于15°時(shí)，在斜接縫的傾斜角度從15°增加至20°，其應(yīng)力降幅已經(jīng)趨于穩(wěn)定，對(duì)于斜接縫的受力性能的影響較小，但是會(huì)增加施工難度與施工工期，不利于裝配式T梁的施工.

綜上所述，考慮以上因素與實(shí)際施工中操作難度，斜接縫連接形式應(yīng)選擇15°為較優(yōu)選擇.

3.2 L型或階梯型接縫影響因素分析

3.2.1階梯面數(shù)量影響性分析

選擇200 mm的階梯面寬度，分別對(duì)單階梯面、雙階梯面與三階梯面進(jìn)行有限元模擬，對(duì)三種模型分別命名為L(zhǎng)1、L2與L3.具體連接形式見(jiàn)圖6，其應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7.

圖6 階梯形接縫種類(lèi)

圖7 L形或階梯形接縫應(yīng)力云圖

1) 連接接縫處應(yīng)力分析 通過(guò)對(duì)三種模型應(yīng)力云圖與應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，得知三種連接方式對(duì)裝配式T梁的連接處受力性能有一定的影響，具體分析結(jié)果見(jiàn)表6.

表6 連接接縫處應(yīng)力

由表6可知，改變階梯數(shù)量，影響最大的為下緣縱向拉應(yīng)力，最大值與最小值的差距幅度在大約45%；其次為腹板剪應(yīng)力，差距幅度在大約12%；上緣縱向壓應(yīng)力差距幅度最小，約為9%.

2) 階梯面應(yīng)力分析 L形或階梯形接縫的階梯面是延T梁縱向的水平面，是階梯形接縫連接形式與其他連接形式的最主要的結(jié)構(gòu)區(qū)別，主要分析應(yīng)力為三種：濕接縫截面的最大剪應(yīng)力、延階梯面法向方向的豎向壓應(yīng)力與延T梁縱向的拉應(yīng)力，具體分析結(jié)果見(jiàn)表7.

表7 階梯面應(yīng)力

由表7可知，三種主要應(yīng)力都會(huì)有所增加：豎向壓應(yīng)力增加幅度最大，為33.1%；其次為最大剪應(yīng)力，為28.8%；增加幅度最小的為縱向拉應(yīng)力，為9.6%.

3.2.2階梯面寬度影響性分析

選擇L1型連接形式為有限元模擬的形式，設(shè)置五種模型的階梯面寬度分別為100，150，200，250和300 mm，分別命名為L(zhǎng)100，L150，L200，L250，L300型.

1) 連接接縫處應(yīng)力分析 通過(guò)對(duì)五種模型的應(yīng)力云圖與應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，得知五種連接方式對(duì)裝配式T梁的連接處受力性能有較大的影響.具體分析結(jié)果見(jiàn)表8.

表8 連接接縫處應(yīng)力

由表8可知，隨著階梯面寬度的增加，三種主要應(yīng)力均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，尤其以下緣縱向拉應(yīng)力與腹板剪應(yīng)力的增減幅度最為明顯，上緣縱向壓應(yīng)力數(shù)據(jù)變化幅度較小.

2) 階梯面應(yīng)力分析 對(duì)五種模型應(yīng)力云圖與應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，得知五種連接方式對(duì)裝配式T梁的連接處階梯面的受力性能有較大的影響，具體結(jié)果見(jiàn)表9.

表9 階梯面應(yīng)力

由表9可知，隨著階梯面寬度的增加，延階梯面方向的最大剪應(yīng)力會(huì)有明顯的增加，最大值約為最小值的4倍；豎向壓應(yīng)力的變化也較大，最大值約為最小值的2倍.

3.2.3L形或階梯形接縫影響因素分析總結(jié)

通過(guò)實(shí)際情況與模型的分析得知，階梯面這種特殊構(gòu)造承擔(dān)了原本接縫承擔(dān)的剪應(yīng)力與大部分的豎向與縱向正應(yīng)力. 在施工條件允許與實(shí)際情況良好的情況下，L2型即雙階梯形為較優(yōu)選擇；但一般來(lái)說(shuō)，為了防止連接處出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞與簡(jiǎn)易施工，L1型為較優(yōu)選擇.

在階梯面寬度較小時(shí)，階梯面不能夠承擔(dān)連接處的所有應(yīng)力，其抗剪性能未能充分發(fā)揮其作用，因此其剪應(yīng)力值較小.

綜上所述，L200型即階梯面寬度為200 mm的L形接縫連接形式，為改善裝配式T梁的受力性能較優(yōu)的選擇.

3.3 齒塊型接縫影響因素分析

根據(jù)之前相關(guān)研究表明，齒鍵的傾斜角度應(yīng)與混凝土剪切破壞裂縫(與水平面為45°夾角)一致，齒鍵構(gòu)造見(jiàn)圖8.

圖8 齒鍵構(gòu)造示意圖

根據(jù)實(shí)際工程要求與有限元模型模擬需求，選擇深度為70，75和80 mm的齒鍵，分別將其命名為D70、D75與D80型.為了對(duì)比不同齒鍵間距的性能，選取D70與D75型，改變其間距大小，分別使間距S為1/2、1與3/2的齒鍵深度進(jìn)行有限元模擬對(duì)比分析.不同的齒塊形接縫連接類(lèi)型見(jiàn)表10.

表10 模型編號(hào)

通過(guò)對(duì)七種模型的分析得知，其豎向最大變形與跨中截面應(yīng)力無(wú)明顯差別，因此，下面將對(duì)連接處應(yīng)力與齒鍵應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)分析.其應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9.

圖9 齒塊形接縫應(yīng)力云圖

3.3.1齒鍵深度影響性分析

選擇齒鍵間距都為S=D的D70-1、D75-1與D80-1三種模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，并且將其齒鍵編號(hào)按從上緣至下緣分別編號(hào)為α1～α7.

1) 連接接縫處應(yīng)力分析 通過(guò)對(duì)三種模型的應(yīng)力云圖與應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，得知三種連接方式對(duì)裝配式T梁的連接處受力性能有一定的影響.具體分析結(jié)果見(jiàn)表11；為了顯示其各種應(yīng)力的增減幅度與比例，使D70-1型為類(lèi)比項(xiàng)，其余兩種為對(duì)比項(xiàng)(以下相同).

表11 連接接縫處應(yīng)力

由表11可見(jiàn)，改變齒鍵的深度對(duì)裝配式T梁的連接處的上、下緣應(yīng)力影響較小，但縱向正應(yīng)力都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).

2) 齒鍵應(yīng)力分析 對(duì)三種有限元模型的七個(gè)齒鍵的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將上緣至下緣的齒鍵應(yīng)力繪制成圖10.

圖10 齒鍵應(yīng)力圖

由圖10可知：不同的齒鍵深度對(duì)于齒鍵的受力性能是有明顯的影響.由齒鍵應(yīng)力圖所示，在縱向與豎向應(yīng)力圖中，α1與α7應(yīng)力變化最明顯；剪應(yīng)力圖中極大值變化最為明顯，使其對(duì)比結(jié)果明顯，見(jiàn)圖11～12.

圖11 齒鍵α1與α7應(yīng)力對(duì)比圖

圖12 齒鍵最大剪應(yīng)力對(duì)比圖

由圖11a)可知，靠近上緣的α1應(yīng)力最大，在α4處應(yīng)力值最小，對(duì)實(shí)際模型的變形分析可知，此處為腹板受拉區(qū)域；但在齒鍵深度D大于80 mm時(shí)，腹板受拉區(qū)會(huì)消失.由圖11b)可知，靠近下緣的α7應(yīng)力最大，在α4處應(yīng)力出現(xiàn)突變，此處為T(mén)梁腹板截面變形處，變化處易出現(xiàn)應(yīng)力集中.由圖11c)可知，上緣附近齒鍵α1應(yīng)力隨著齒鍵深度增加而減?。幌戮壐浇凝X鍵α7應(yīng)力隨著齒鍵深度增加而增大，并且變化較大.隨著齒鍵深度的增加，齒鍵的最大剪應(yīng)力增加幅度較為明顯，極值之間的差距為50%.

3.3.2齒鍵間距影響性分析

選擇具有相同齒鍵數(shù)量的D70-1/2、D70-1、D70-3/2與D75-1/2、D75-1、D75-3/2兩組有限元模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析.

1) 連接接縫處應(yīng)力分析 通過(guò)對(duì)D70與D75兩組六種模型的主應(yīng)力云圖與應(yīng)力數(shù)據(jù)分析，得知六種連接方式對(duì)裝配式T梁的連接處受力性能有一定的影響.具體分析結(jié)果見(jiàn)表12.

表12 連接接縫處應(yīng)力

由表12可知，改變齒鍵間距對(duì)于連接處的應(yīng)力影響較小，D70型應(yīng)力變化在3%～5%之間；D75型應(yīng)力變化在4%～6%之間.但是，無(wú)論是增加齒鍵間距還是減小齒鍵間距，其上下緣的應(yīng)力都會(huì)有一定值的增加，因此，需要通過(guò)結(jié)合其他細(xì)部構(gòu)造共同分析.

2) 齒鍵應(yīng)力分析 通過(guò)對(duì)六種有限元模型的分析計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果中篩選并匯總七個(gè)齒鍵的應(yīng)力數(shù)據(jù)，將上緣至下緣的齒鍵應(yīng)力見(jiàn)圖13～15.

圖13 縱向正應(yīng)力

圖14 豎向壓應(yīng)力

圖15 剪應(yīng)力

六種模型的齒鍵應(yīng)力圖與上以節(jié)相似，根據(jù)上一節(jié)的分析內(nèi)容，將S-1/2為類(lèi)比項(xiàng)，其他兩項(xiàng)為對(duì)比項(xiàng)，做對(duì)比圖見(jiàn)圖16～18.

圖16 D70型齒鍵α1與α7應(yīng)力對(duì)比圖

圖17 D75型齒鍵α1與α7應(yīng)力對(duì)比圖

圖18 齒鍵最大剪應(yīng)力對(duì)比圖

由圖16可知:α1的應(yīng)力隨著齒鍵間距的增加而減小，但減小幅度較?。幌戮壐浇凝X鍵α7應(yīng)力變化最為明顯，且都呈現(xiàn)S-1型的應(yīng)力較小.由圖17可知:α1的應(yīng)力變化較為明顯，都呈現(xiàn)S-1型應(yīng)力較?。沪?應(yīng)力隨著齒鍵間距的增加而增加，但增加幅度相比α1的變化幅度較小.由圖18可知:兩種類(lèi)型的接縫的最大剪應(yīng)力都呈現(xiàn)隨著齒鍵間距增大而減小的趨勢(shì)，并且D75型相比D70型的變化幅度較大.

3.3.3齒塊形接縫影響因素分析總結(jié)

1) 齒鍵深度的增加使得連接處上、下緣應(yīng)力與最大剪應(yīng)力都有一定值的增加，齒鍵的應(yīng)力在下緣附近也顯著增加，但齒鍵深度較小不能解決腹板受拉區(qū)域的問(wèn)題，因此選擇75 mm型齒鍵.

2) 改變齒鍵間距，當(dāng)間距S等于深度D時(shí)，連接處上下緣的應(yīng)力最小.其主要原因?yàn)椋淖凖X鍵間距，使得陰陽(yáng)面的齒鍵形狀不一致，導(dǎo)致其受力變形有一定的差別.

3) 齒鍵間距的增加，使得齒鍵的最大剪應(yīng)力有一定值的減小，D70型減小幅度約為3%，D75型減小幅度約為10%.較小的齒鍵間距，使得齒鍵較為密集，局部會(huì)有應(yīng)力集中問(wèn)題，但有利于承擔(dān)T形截面中性軸處的最大剪應(yīng)力.

綜上所述，對(duì)于此裝配式T梁，一般來(lái)說(shuō)，齒鍵間距等于齒鍵深度的構(gòu)造對(duì)于改善裝配式T梁的受力性能為最佳的選擇；也可根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行適當(dāng)改變，但應(yīng)該使S/D在1與3/2之間變化.

4 結(jié) 論

1) 隨著傾斜角度的增加，其連接細(xì)部的主要應(yīng)力都有所較小，但局部變形會(huì)變大，所以在考慮施工難度與安全性原因，15°的傾斜角度為較優(yōu)選擇.

2) 隨著階梯面數(shù)量的增加，剪應(yīng)力會(huì)減小但拉應(yīng)力有一定的增加；階梯面寬度的過(guò)小，使得階梯面不能完全發(fā)揮其作用，而過(guò)寬會(huì)使重要應(yīng)力增加；所以選擇單階梯面200 mm寬度的L形接縫為較優(yōu)選擇.

3) 齒鍵深度的過(guò)小無(wú)法解決腹板附近產(chǎn)生的拉應(yīng)力問(wèn)題，而過(guò)大使得下緣應(yīng)力增加較大；齒鍵間距過(guò)小導(dǎo)致齒鍵密度增加，應(yīng)力集中問(wèn)題嚴(yán)重，而間距過(guò)大使得下緣附近齒鍵應(yīng)力明顯增加；綜上考慮，選擇齒鍵間距與深度相等的75 mm深度齒鍵(厚度為225 mm)類(lèi)型為較優(yōu)選擇，并且施工種盡量選擇齒鍵間距與深度比為1～3/2的齒鍵類(lèi)型.