新型裝配式方鋼橋受力性能研究

邢心魁，黨浩，劉順，朱萬旭，覃荷瑛

(1.廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004；2.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室；3.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院)

裝配式鋼橋優(yōu)點顯著，被廣泛應(yīng)用于橋梁建造中。國外先后有貝雷橋、200型鋼梁，梅貝快速架橋系統(tǒng)等，有“321”、CD型、ZB-200型裝配式公路鋼橋等。主體構(gòu)件為方鋼管的新型裝配式方鋼橋在日本已有研究應(yīng)用，中國卻鮮有。該文介紹這種方鋼橋，通過模擬和試驗研究其受力性能，以實現(xiàn)在中國中小跨度橋梁的建造中推廣使用。

1 方鋼橋簡介

1.1 基本構(gòu)造

新型裝配式方鋼橋多用于斜交角60°以上，跨徑不大于16 m的橋梁建造中。其基本構(gòu)件(圖1)有：① 方鋼管；② 混凝土填充料；③ 橫向連接栓孔；④ 橫向連接圓鋼管；⑤ 隔板；⑥ 混凝土灌注孔；⑦ 連接孔；⑧ 瀝青鋪裝層；⑨ 混凝土調(diào)平層。

圖1 方鋼橋基本結(jié)構(gòu)

1.2 拼裝流程

方鋼橋拼裝流程：預(yù)制方鋼管→指定位置開孔→用橫向連接圓鋼管拼裝方鋼管→相鄰方鋼管用螺栓鎖緊→插豎向鋼筋固定橫向圓鋼管→重復(fù)操作得指定寬度橋面板→通過灌注孔澆筑混凝土→鋪裝橋面→方鋼橋制作完畢。

2 開孔方鋼管力學(xué)性能研究

2.1 研究對象選取

查閱相關(guān)研究資料，結(jié)合研究現(xiàn)狀，選取截面形式如圖2所示，b×h=250 mm×250 mm,厚t=12 mm的Q345方鋼管為研究對象。

圖2 截面簡圖

2.2 研究目的及方案

影響方鋼管承載力的主因有：孔型、孔徑和孔間距等。該文先用有限元軟件建模分析跨中受集中荷載、兩端簡支、腹板以不同方案開孔的方鋼管的極限承載力，比選出較佳的開孔方案；再做無孔和開孔方鋼管靜力荷載試驗，驗證方案的合理性；總結(jié)一般開孔規(guī)律，給出方鋼管開孔建議。

2.3 模擬分析

2.3.1 參數(shù)選取

方鋼管截面如圖1所示，凈跨度L=6 000 mm。開孔尺寸見表1。如圖2當端部有孔時，約束位于構(gòu)件兩端圓孔圓心正下方。當端部無孔時，約束位于構(gòu)件端部正下方。參考相關(guān)文獻[20]和JGJ 99—2015《高層民用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》孔端距取固定值120 mm，因孔徑變化方鋼管實際長度會有微小變化。

2.3.2 邊界條件和加載方式

模型簡支梁邊界位移，構(gòu)成滑動鉸支座如圖4所示；在模型跨中上表面劃分出一個250 mm×250 mm的加載區(qū)域，將集中荷載轉(zhuǎn)化為加載區(qū)域上的面荷載施加。

表1 開孔尺寸

圖3 孔間距示意圖

圖4 模型示意圖

2.3.3 參數(shù)取值

模型開孔參數(shù)按表1取值，在分析某一參數(shù)影響時，模型的其他參數(shù)保持不變。對同尺寸無孔構(gòu)件也進行相同條件的模擬。

2.3.4 結(jié)果分析

該文約定當荷載增加很小，位移迅速增加，呈非線性增長；荷載-位移關(guān)系曲線明顯轉(zhuǎn)折時，則認為梁截面破壞，轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的荷載定義為極限承載力，相應(yīng)的位移為極限位移。根據(jù)有限元模擬結(jié)果分析，孔數(shù)和孔徑對方鋼管極限承載力影響規(guī)律如下：

(1)奇數(shù)孔時，孔徑和孔數(shù)的影響

① 如圖5所示，當孔數(shù)一定時，隨著孔徑增大其極限承載力降低，孔徑越大下降越多，如開設(shè)3孔時不同孔徑下具體降幅如表2所示。

圖5 不同孔數(shù)時各孔徑下荷載-位移曲線

表2 開3孔時各孔徑下極限承載力降幅

② 如圖6所示，當奇數(shù)孔(N=1、3、5孔)孔徑不變時，隨著孔數(shù)增多其極限承載力基本不變。

圖6 奇數(shù)孔時各孔徑下荷載-位移曲線

③ 開奇數(shù)孔時，跨中必有一孔，內(nèi)力最大的跨中截面加以孔洞的削弱，必為控制截面，最終發(fā)生破壞，其他部位均不會成為控制截面。

④ 由表2可知：當孔徑超過腹板高度1/2時，極限承載力明顯大幅下降；由圖5(c)可知：當孔徑不變時，極限承載力基本不變。此時跨中孔徑大小是影響極限承載力的首要因素，而孔數(shù)的影響則可忽略不計。

(2)偶數(shù)孔時，孔徑和孔數(shù)的影響

如圖7所示，開偶數(shù)孔(N=2、4、6孔)時，跨中無孔。孔位處截面削弱，當開孔位置距跨中較遠且孔徑較小孔數(shù)不多時，孔位處不會成為控制截面，破壞截面仍在跨中，開孔對方鋼管極限承載力基本無影響。當開孔距跨中較近且孔徑較大時，孔洞附近成為控制截面，致使其極限承載力小于無孔方鋼管。如開設(shè)6個直徑200 mm的孔時，其極限承載力下降8.5%左右。

圖7 偶數(shù)孔時各孔徑下荷載-位移曲線

2.4 方案比選

在24種開孔方案中，根據(jù)模擬分析，否定了開奇數(shù)孔的12種方案和偶數(shù)孔下150 mm和200 mm孔徑的6種方案以及6孔50 mm和100 mm孔徑2種方案；單根開孔方鋼管要在孔洞中插入橫向連接圓鋼管拼接成橋面板，為保證橫向連接的抗剪強度和整體穩(wěn)定性，孔徑在合理范圍內(nèi)要盡量大，孔間距控制在適當值，故剔除2孔50 mm孔徑和4孔50 mm孔徑的孔徑最小方案和2孔100 mm孔徑的孔間距最大方案。最終選取4孔100 mm孔徑為較佳方案。

2.5 試驗驗證

2.5.1 試驗簡介

① 選取同尺寸的開4孔100 mm孔徑和無孔方鋼管做靜力荷載試驗。觀察變形記錄荷載-位移曲線，分析孔洞對方鋼管極限承載力的影響。確定最佳開孔方案；② 如圖8所示在支座上方、1/4處及跨中布置5個千分表測量撓度。DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試儀測量應(yīng)變。③ 加載：先按10 kN/級預(yù)加載至50 kN后卸載，重復(fù)3次，每級穩(wěn)定3 min。觀察各儀器的工作情況，正常后正式加載。按10 kN/級加載至100 kN后，按5 kN/級加載至破壞。無孔方鋼梁及4孔方鋼梁破壞見圖9～11。

圖8 千分表布置圖(單位：mm)

圖9 無孔和開孔鋼梁試驗結(jié)果

2.5.2 試驗結(jié)果

由圖9～11可知：① 加載初期方鋼管處于彈性工作階段，跨中荷載-位移曲線呈線性增加，腹板應(yīng)變值沿高度呈線性分布，滿足平截面假定；② 隨著荷載繼續(xù)增大，跨中撓度增長速率和腹板應(yīng)變變化率較之前明顯加快，方鋼管處于彈塑性工作階段，但仍滿足平截面假定；③ 持續(xù)增加荷載，當荷載增量很小時，跨中撓度急劇增加，荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，腹板應(yīng)變值迅速增大方鋼管發(fā)生破壞；④ 無孔和開孔方鋼管極限承載力分別約為250、246 kN，說明此方案開孔對方鋼管極限承載力基本無影響，4孔100 mm孔徑為最佳開孔方案。

圖10 無孔鋼梁腹板應(yīng)變分布

圖11 開孔鋼梁腹板應(yīng)變分布

2.6 模擬與試驗對比

無孔方鋼管極限承載力實測值為250 kN，模擬值為252 kN，誤差為0.8%，開孔方鋼管實測值為246 kN，模擬值為243 kN，誤差為1.25%，如圖12所示，模擬與試驗荷載位移變化曲線基本一致，兩者互相驗證所得結(jié)果可靠。

2.7 開孔規(guī)律總結(jié)

綜合數(shù)值模擬及試驗分析得到以下結(jié)論：

(1)跨中有孔(奇數(shù))時，孔數(shù)不變孔徑增加時，其極限承載力明顯減??；孔數(shù)增加開孔方鋼管的極限承載力基本不變。

(2)跨中無孔(偶數(shù))時，孔數(shù)和孔徑均較小時，其極限承載力基本不受影響，當開孔距跨中較近且孔徑較大時極限承載力減小。如在6孔200 mm孔徑時，其極限承載力大約下降8.5%。

圖12 試驗和模擬結(jié)果對比

2.8 開孔建議

① 不宜在方鋼管跨中開孔且宜距跨中一定距離；② 孔間距不宜過大；③ 孔徑不宜超過腹板高度的1/2。

3 方鋼橋受力性能研究

對方鋼橋進行加載試驗。觀察荷載作用下，橋面板的變形、相鄰方鋼管的相對錯動及裂縫。根據(jù)各方鋼管的荷載-位移曲線變化規(guī)律，探究其荷載分配性能和極限承載力。

3.1 方鋼橋有限元模擬分析

3.1.1 建模概述

試驗方鋼橋面板由5根同尺寸方鋼管拼接而成，每根方鋼管尺寸同前開設(shè)4個直徑100 mm圓孔。模擬試驗橋面板受力時，在橋面板中央方鋼管跨中上表面劃出一個250 mm×300 mm的加載區(qū)域，將集中荷載轉(zhuǎn)化為加載區(qū)域上的面荷載進行施加。

3.1.2 模擬結(jié)果分析

(1)方鋼橋應(yīng)力、位移云圖分析

① 方鋼橋應(yīng)力云圖如圖13所示，中間方鋼管在受力時，其他4根方鋼管顯示出幾乎相同的變化規(guī)律；② 由方鋼橋豎向位移云圖(圖14)可看出，當中間方鋼管產(chǎn)生豎向變形后，相鄰方鋼管跟隨發(fā)生豎向變形，方鋼橋面板具有良好荷載傳遞性能。

圖13 應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖14 位移云圖(單位：mm)

(2)跨中荷載-撓度曲線對比

為分析方鋼橋每根方鋼管受力變形情況，從對稱的方鋼橋最外側(cè)依次向內(nèi)選3根方鋼管，分別編號為L、M、N，如圖15所示。圖16為N、M、L方鋼管跨中荷載-撓度模擬結(jié)果圖。

圖15 下表面應(yīng)變片分布

圖16 鋼管跨中荷載-撓度模擬曲線

由圖16可知：N、M、L方鋼管的荷載-撓度曲線幾乎無差異，相互間相對錯值都不大，曲線總體規(guī)律一致，說明方鋼橋具有良好的荷載分配性能。

3.2 方鋼橋加載試驗研究

3.2.1 方鋼試驗橋簡介

方鋼試驗橋由5根尺寸和橫向連接孔布置同單根試驗體的方鋼管拼接而成；橫向通過4根長L=1 450 mm、外徑D=70 mm、厚t=12 mm的橫向圓鋼管連接；并在方鋼管預(yù)留孔內(nèi)澆筑混凝土。

3.2.2 加載方案

試驗加載位置為中間方鋼管的跨中，采用兩點對稱式液壓千斤頂加載。經(jīng)壓力傳感器標定，計算油壓表每格的讀數(shù)為63 kN。荷載等級先按63 kN/級預(yù)加載至189 kN后卸載，再按63 kN/級加載至1 197 kN后，按32 kN/級加載至破壞。

3.2.3 測點布置及測量內(nèi)容

試驗中需要測量構(gòu)件撓度和應(yīng)變，如圖15所示，各測點布置：① 撓度采取對稱式測量。在L、M、N方鋼管的支座上方，距支座1/4跨度處及跨中下方依次布置5個百分表測量；② 應(yīng)變：在L、M、N方鋼管跨中、開孔處、支座處沿底面橫向均勻粘貼5個應(yīng)變花測量橫向應(yīng)變分布；③ 方鋼管相對錯動及裂縫：將百分表磁座和表針分別置于N及其相鄰方鋼管之上，用于測量方鋼管相對錯動。用裂縫觀測儀觀察裂縫，相鄰方鋼管出現(xiàn)裂縫時開始記錄，之后每200 kN記錄一次。

3.2.4 結(jié)果分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的L、M、N方鋼管跨中荷載-位移曲線如圖17所示，L、M、N方鋼管跨中下表面荷載-應(yīng)變關(guān)系如圖18所示。

圖17 鋼管跨中荷載-位移實測曲線

圖18 鋼管跨中荷載-應(yīng)變曲線

由圖17、18可知：加載初期位移和應(yīng)變的變化近似彈性變化。當荷載繼續(xù)增至一定程度時，方鋼管N變形稍大于M、L，總體上N、M、L各鋼管同級荷載下變形差異不大，荷載作用在N鋼管，通過橫向連接鋼管分配給M、L鋼管使其受力和變形趨于增加，整體的承載力得到充分發(fā)揮。證明橫向連接鋼管有很好的支撐效果。最終破壞時僅1/4處孔內(nèi)的混凝土發(fā)生破碎，連接孔處包裹在橫向圓鋼管處的混凝土未變化。

試驗中不同荷載下各方鋼管的荷載分配率μ(單根方鋼管的應(yīng)變/5根方鋼管的應(yīng)變之和)如表3所示。彈性階段L、M、N方鋼管的荷載分配率分別約為0.170、0.195、0.264。整體具有良好的荷載分配性能及變形能力。

表3 各方鋼管荷載分配率

3.2.5 試驗總結(jié)

(1)試驗中測定試驗橋最終極限承載力為1 323 kN，前文中單根無孔方鋼管極限承載力實測值為246 kN，試驗橋極限承載力約為單根方鋼管極限承載力的5倍。以該文研究確定的方案開孔拼裝的方鋼橋面板具有較高的極限承載力。

(2)經(jīng)測定，N、M、L鋼管跨中撓度分別為140.964、106.449、105.236 mm，證明了方鋼橋面板具有良好的變形能力。

(3)根據(jù)JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求，以該文所選截面尺寸的方鋼管裝配的方鋼橋，在人行荷載和載重15 t以下的輕型車輛荷載作用下，跨中產(chǎn)生的撓度可滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過模擬和試驗，研討了方鋼管的開孔規(guī)律及裝配式方鋼板橋的受力性能，得出以下結(jié)論：

(1)用于拼裝方鋼橋面板的方鋼管，其腹板開孔宜距跨中一定距離，同時孔徑不宜超過腹板高度的1/2。

(2)采用該文提出的開孔規(guī)律和拼接方式裝配的方鋼橋整體具有良好的荷載分配性能及變形能力，整體極限承載力大約為單根方鋼管極限承載力的疊加。