鋼懸臂拓寬混凝土蓋梁的數(shù)值模擬與模型試驗研究

李杰

(廣東交科檢測有限公司,廣東 廣州 510550)

舊橋拓寬改造可充分利用原橋結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量資源且工期較短，對現(xiàn)有交通影響較小。吳文清等通過對中國高速公路橋梁拓寬工程經(jīng)驗教訓(xùn)的討論，針對滬寧高速公路的橋梁提出了拓寬總體方案，并通過實踐進(jìn)行了方案的有效應(yīng)用；常規(guī)的橋梁加寬方法有復(fù)橋拓寬法、懸臂挑梁加寬法、斜撐桿加寬法，聶建國提出的鋼-混凝土組合梁加寬舊橋法，張哲提出的混凝土箱梁正交異性鋼懸臂板拓寬法。懸臂挑梁加寬法與斜撐桿加寬法加寬寬度有限，且拓寬部位承載能力低；鋼-混凝土組合梁加寬舊橋法與正交異性鋼懸臂板拓寬法耗費較多且在橋下空間不足的情況下難以適用；黃立浦等提出了縱橫梁拓寬加固法，并對拓寬擴(kuò)建后橋梁荷載橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究?；诖耍撐奶岢鲆环N不占用橋下地面空間，適用性廣，經(jīng)濟(jì)可靠的新型蓋梁拓寬法，即鋼懸臂拓寬混凝土蓋梁法。通過試驗與有限元對比的方法研究拓寬后蓋梁的力學(xué)性能，以證明該方法的可行性。

1 工程概況與方案簡介

1.1 工程背景

廣東省境內(nèi)某簡支T梁橋，跨徑為6×30 m，上部結(jié)構(gòu)由5片梁高2 m的T梁組成，橋?qū)?3.05 m，下部結(jié)構(gòu)為雙墩柱加蓋梁，由于城市擴(kuò)張發(fā)展，交通量增大，原有橋梁已不能滿足通行量需求，需左右各加寬1個車道，但舊橋兩側(cè)空間不足無法新建復(fù)橋，且橋下現(xiàn)有交通不允許新設(shè)墩柱，故拓寬方案采用上部結(jié)構(gòu)增設(shè)邊梁，下部采用該文提出的鋼懸臂拓寬混凝土蓋梁的方法。

1.2 方案簡介

采用鋼懸臂拓寬混凝土蓋梁的拓寬形式為：在原混凝土蓋梁兩端增設(shè)鋼蓋梁，鋼蓋梁的承壓板與原混凝土蓋梁通過螺栓與黏鋼膠相連；蓋梁體外兩側(cè)，分別布置預(yù)應(yīng)力鋼束連接兩端鋼蓋梁；原混凝土主梁兩側(cè)增設(shè)T梁(小箱梁/組合梁/鋼箱梁)，新設(shè)梁體支座布置于鋼蓋梁上。新增設(shè)的鋼懸臂與混凝土蓋梁梁端的連接處理：在混凝土蓋梁梁端開鑿螺栓孔，植入螺栓，螺栓孔補(bǔ)澆混凝土；將鋼懸臂通過定位螺栓與混凝土蓋梁連接，橫向預(yù)應(yīng)力施加完畢后，鋼懸臂的承壓板與混凝土蓋梁梁端緊密相連，從而形成整體蓋梁。拓寬后原橋由雙向兩車道變?yōu)殡p向四車道，大幅提高其通行能力。拓寬前后橫斷面及橋面布置對比見圖1。

2 試驗概況與數(shù)值模擬

2.1 鋼-混組合懸臂極限承載力正交試驗設(shè)計

新型鋼-混組合懸臂結(jié)構(gòu)，由鋼梁通過黏鋼膠、螺栓與鋼筋混凝土梁連接，通過體外預(yù)應(yīng)力提高承載力，是一種新型的懸臂組合結(jié)構(gòu)。新型鋼-混凝土組合懸臂結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理尚不明確，可能出現(xiàn)的破壞情況為：螺栓縱向變形過大導(dǎo)致鋼-混剝離破壞，螺栓切向變形過大導(dǎo)致鋼混滑移破壞，混凝土拉壓破壞，預(yù)應(yīng)力鋼絞線屈服破壞，鋼板拉壓屈服或屈曲破壞等。目前學(xué)者們主要進(jìn)行了鋼箱梁的受力特征研究、鋼-混凝土接觸面力學(xué)特性研究等，但對于新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)各受力構(gòu)件選取不同特性參數(shù)對結(jié)構(gòu)極限承載力的影響研究亟待開展?；谡辉囼炘O(shè)計原理和分析方法，研究混凝土性能，鋼混連接螺栓規(guī)格(面積)，體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線數(shù)量與內(nèi)力大小，鋼板厚度對鋼-混組合懸臂結(jié)構(gòu)破壞形式及極限承載力的影響，根據(jù)模擬試驗分析結(jié)果推出最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為鋼-混組合結(jié)構(gòu)拓寬蓋梁提供理論支持。

圖1 蓋梁拓寬示意圖(單位：cm)

2.2 幾何尺寸

由于蓋梁實際尺寸難以在試驗室進(jìn)行試驗設(shè)計，以1∶4的縮尺比例對原蓋梁進(jìn)行縮尺試驗，試件幾何尺寸為原蓋梁的1/4，根據(jù)應(yīng)力等效原則，預(yù)應(yīng)力加載量為原尺寸1/16。原結(jié)構(gòu)蓋梁寬190 cm，高180 cm，縮尺后試件寬47.5 cm，高47 cm，鋼筋布置見圖2。

圖2 鋼筋布置圖(單位：cm)

2.3 加載方式

試驗加載共兩種工況。工況1：預(yù)應(yīng)力的加載；工況2：梁端荷載的施加。

預(yù)應(yīng)力預(yù)加載值為60 kN,以每級10 kN進(jìn)行加載，并進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，預(yù)應(yīng)力加載完畢，靜置10 min后加載梁端荷載，以每級5 kN進(jìn)行，進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，直至加載到試驗構(gòu)件破壞或預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力達(dá)到危險應(yīng)力級別。

2.4 數(shù)值模擬

混凝土與鋼板采用實體單元C3D8R，鋼筋采用桁架單元T3D2，忽略鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)作用，使用Abaqus中的embedded命令將鋼筋嵌入混凝土中?；炷敛捎盟苄該p傷本構(gòu)模型，依據(jù)受壓及受拉損傷因子模擬混凝土在地震過程中的剛度退化，使用能量法計算損傷因子；鋼筋本構(gòu)模型采用理想彈塑性雙折線模型。由于該模型是空間對稱結(jié)構(gòu)，故只需建立1/4實體模型，在保證計算精度的同時減少計算成本，且將試驗中背墻與基座部分等效為邊界條件，有限元模型如圖3、4所示。

圖3 鋼-混組合懸臂梁有限元模型

圖4 拓寬后蓋梁1/4模型

3 試驗結(jié)果與模擬驗證

3.1 梁端荷載-撓度關(guān)系曲線

極限承載力試驗與數(shù)值模擬計算結(jié)果的懸臂梁端荷載-撓度關(guān)系曲線如圖5所示，圖5表明：試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近。分析試驗數(shù)據(jù)可知：預(yù)應(yīng)力加載完畢后，受預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩作用，鋼懸臂端上撓1.12 mm，當(dāng)加載力為0～182 kN時，荷載-撓度曲線基本呈線性，此時，鋼-混組合懸臂梁處于彈性階段，隨著荷載的增加梁端撓度由-1.12 mm漸變?yōu)?0.23 mm；當(dāng)梁端加載力為182～431 kN時，梁端撓度為-0.23～7.0 mm；當(dāng)荷載為431～511 kN時，梁端撓度增長加快，為7.0～12.65 mm，當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力511 kN后，梁端撓度迅速增加，此時鋼-混組合懸臂梁進(jìn)入破壞階段。

圖5 懸臂梁端荷載-撓度曲線

圖5中試驗結(jié)果與模擬結(jié)果差異產(chǎn)生的主要原因是：數(shù)值模擬模型的剝離發(fā)展較試驗剝離發(fā)展滯后，在同荷載狀態(tài)下，數(shù)值模擬模型的剝離量較試驗剝離的??；另一方面，試驗螺栓由于裝配不如數(shù)值模擬精細(xì)，存在試驗螺栓不如數(shù)值模擬螺栓受力均衡現(xiàn)象，致使試驗承壓板與混凝土梁剝離發(fā)展存在差異。從整體上觀察分析，試驗?zāi)Ｐ驮谡`差允許范圍內(nèi)。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力發(fā)展規(guī)律

梁端荷載-預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力關(guān)系曲線見圖6。

圖6 荷載-鋼束應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖6可知：梁端荷載為0～160 kN時，預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力僅從642 MPa增加至665 MPa，增長較為緩慢，其原因是由于預(yù)應(yīng)力錨固點在荷載作用下隨梁端向下位移，位移在預(yù)應(yīng)力鋼束方向分量很?。涣憾撕奢d為160～490 kN時，預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力由665 MPa增加至816 MPa，增幅較大，其原因是由于鋼懸臂端截面在荷載作用下發(fā)生向下及垂直于預(yù)應(yīng)力方向的轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力錨固點在預(yù)應(yīng)力鋼束方向位移分量逐步增大；當(dāng)試件達(dá)到極限承載力511 kN后，荷載不再增加而預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力持續(xù)增大，隨后試驗?zāi)Ｐ蛦适С休d能力，認(rèn)定試驗?zāi)Ｐ推茐摹?/p>

對比試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，主要差異為數(shù)值模擬模型的預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力發(fā)展較試驗剝離發(fā)展滯后，在同荷載狀態(tài)下，數(shù)值模擬模型的預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力較試驗剝離的小。從整體上對比分析，梁端荷載-預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力發(fā)展趨勢基本一致。

3.3 混凝土懸臂梁懸臂根部截面上下緣應(yīng)力

梁端荷載-混凝土懸臂梁懸臂根部截面上下緣應(yīng)力曲線分別如圖7所示。

圖7表明：對于根部截面上緣應(yīng)力，當(dāng)梁端荷載為0 kN時，由于預(yù)應(yīng)力作用，混凝土懸臂梁懸臂根部截面上緣應(yīng)力為-0.65 MPa,當(dāng)梁端荷載為0～71 kN時，混凝土懸臂梁懸臂根部截面上緣應(yīng)力為-0.65～0 MPa，因荷載在混凝土懸臂梁根部產(chǎn)生彎矩，混凝土懸臂梁懸臂根部截面上緣應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)梁端荷載達(dá)到183 kN時，混凝土懸臂梁懸臂根部截面上緣應(yīng)力消失，此時應(yīng)變片斷裂。

對于根部截面下緣應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力加載完畢后，受預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的偏心受壓作用，混凝土懸臂梁懸臂根部截面下緣應(yīng)力為0.13 MPa；當(dāng)梁端加載力為0～30 kN時，該處壓應(yīng)力增加緩慢，由0.13 MPa發(fā)展為-0.72 MPa，梁端加載力為30～210 kN時，該處應(yīng)力呈線性增長，由-0.72 MPa增至-14.9 MPa；梁端加載力為210～510 kN時，該處應(yīng)力加速增長，由-14.9 MPa增至-45.2 MPa。

對比試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果，主要差異為試驗?zāi)Ｐ偷睦瓚?yīng)力在增長過程中突然消失，而模型拉應(yīng)力有下降段，這主要是因為數(shù)值模擬中，無法準(zhǔn)確模擬混凝土的斷裂與破壞，從而終止分析。整體而言，試驗與數(shù)值模擬在混凝土懸臂梁懸臂根部截面上緣應(yīng)力發(fā)展趨勢上基本一致。

4 整體蓋梁受力性能分析

4.1 鋼懸臂結(jié)構(gòu)受力分析

由JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》可知：Q345鋼材的鋼板厚度為16～40 mm時，抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計允許值為270 MPa。兩種工況下鋼懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)見圖8。由圖8可知：工況1下鋼懸臂最大應(yīng)力為215 MPa，存在于預(yù)應(yīng)力錨固點處；工況2下鋼懸臂最大應(yīng)力為236.8 MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.2 原混凝土蓋梁混凝土受力分析

由JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》可知:標(biāo)號為C40的混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.65 MPa，抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為18.4 MPa。兩種工況下混凝土蓋梁最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)、最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)分別如圖9、10所示。

圖8 鋼懸臂應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖9 混凝土蓋梁最大主應(yīng)力圖(單位：MPa)

由圖9、10可知：① 工況1作用下混凝土蓋梁最大主應(yīng)力存在于蓋梁跨中下緣，為1.11 MPa，滿足規(guī)范要求，工況2作用下混凝土蓋梁最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)由蓋梁跨中下緣轉(zhuǎn)至蓋梁懸臂梁根部，即墩頂上部的蓋梁上緣，為1.27 MPa；② 工況1作用下混凝土蓋梁最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)為-13 MPa，發(fā)生于鋼懸臂與混凝土懸臂梁接觸面上緣位置，工況2作用下混凝土蓋梁最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)由鋼懸臂與混凝土懸臂梁接觸面上緣位置變?yōu)槎枕斘恢?，?16.8 MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.3 原混凝土蓋梁鋼筋受力分析

兩種工況下原混凝土蓋梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力見圖11。

由圖11可知：工況1作用下鋼筋最大應(yīng)力存在于蓋梁懸臂部位上部縱筋，為62 MPa，工況2作用下鋼筋最大應(yīng)力存在于蓋梁懸臂根部下緣縱筋，為77.4 MPa。均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖10 混凝土蓋梁最小主應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖11 鋼筋應(yīng)力圖(單位：MPa)

5 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析表明：數(shù)值模型與試驗?zāi)Ｐ驮谑芰﹃P(guān)鍵部位的應(yīng)力發(fā)展、撓度變形、破壞模式基本一致，試件極限承載能力為511 kN，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

(2)對于鋼懸臂，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果都表明同級荷載下，根部截面下緣應(yīng)力最大，但即使在極限荷載狀態(tài)下，鋼板應(yīng)力仍未超材料設(shè)計允許值，因此，該設(shè)計中鋼懸臂選取的鋼材材料與厚度尺寸均滿足受力要求。

(3)對拓寬后蓋梁進(jìn)行力學(xué)分析可知，拓寬構(gòu)件與原混凝土蓋梁構(gòu)件在施工階段與使用階段的受力都滿足相應(yīng)規(guī)范要求，證實了鋼懸臂拓寬混凝土蓋梁新式橋梁拓寬方法的可行性。