二次澆筑下鋼混組合梁橋面板結(jié)合面受力分析及優(yōu)化

李松斌,張定馬,劉國坤

(1. 中交第四航務(wù)工程局有限公司,廣東 廣州 510290;2.中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100008；3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

鋼混組合梁作為近年來興起的一種新型結(jié)構(gòu)形式，其具有自重輕、施工速度快、充分發(fā)揮材料性能、標(biāo)準(zhǔn)化制造等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于公路橋梁中[1-2]。其一般施工工序?yàn)椋旱跹b工字鋼或鋼箱梁，待栓接或焊接后安裝橫梁(部分橋梁還存在小縱梁安裝的工序)，隨后進(jìn)行橋面板澆筑或吊裝預(yù)制橋面板并澆筑濕接縫(部分橋梁還存在以預(yù)制橋面板為模板再現(xiàn)澆混凝土橋面板的情況)。對(duì)于此類鋼混組合梁，預(yù)制橋面板為消除收縮徐變影響往往需至少存放半年以上，因而存在3類橋面板二次澆筑下的新舊混凝土結(jié)合面：其一為預(yù)制橋面板與濕接縫混凝土，其二為預(yù)制橋面板與現(xiàn)澆混凝土橋面板，其三為預(yù)制橋面板、濕接縫、現(xiàn)澆混凝土橋面板三者共同界面。橋面板結(jié)合面粘結(jié)性能的優(yōu)劣，直接影響到鋼混組合梁承載能力，與自重、活載作用下的響應(yīng)息息相關(guān)[3]，因而研究橋面板結(jié)合面性能并提出相應(yīng)改善方法，對(duì)推廣鋼混組合結(jié)構(gòu)的適用范圍、優(yōu)化施工工序，具有重要意義。

針對(duì)混凝土結(jié)合面性能，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。XIAO[4]等針對(duì)不同配合比混凝土結(jié)合面在周期剪切荷載下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究；LONG[5]等研究了新舊混凝土中離子傳輸特性，給出了新混凝土選擇原則；BEHFARNIA[6]等對(duì)比了不同粗糙度、養(yǎng)護(hù)條件、結(jié)合面含水量的新舊混凝土粘結(jié)性能差異；ROBERT[7]等根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果，給出了不同鋼筋連接件埋置深度下的剪應(yīng)力-結(jié)合面滑移曲線。

上述研究主要集中于單一混凝土試件，而對(duì)于鋼混組合梁，其混凝土橋面板常于梁場(chǎng)預(yù)制并長(zhǎng)時(shí)間存放，其齡期相較于現(xiàn)場(chǎng)澆筑試件存在一定差異，且隨著工程進(jìn)度滯后而差異增大，考慮到鋼混組合梁與傳統(tǒng)單一材料梁在材料、剪力連接件、負(fù)彎矩區(qū)受力存在顯著差異，目前較少有對(duì)存在齡期差異的二次澆筑下橋面板新舊混凝土結(jié)合面的研究，且未考慮結(jié)合面性能對(duì)組合梁整體結(jié)構(gòu)的影響。因此，本文擬基于相關(guān)學(xué)者的研究，采用試驗(yàn)及有限元方法(FEM)對(duì)鋼混組合梁混凝土橋面板二次澆筑結(jié)合面性能展開分析，研究其對(duì)鋼混組合梁受力特性的影響，并給出相應(yīng)改善方法，為相關(guān)設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 數(shù)值仿真試驗(yàn)

正確的混凝土結(jié)合面數(shù)值仿真方法是對(duì)結(jié)合面受力分析及優(yōu)化的前提，現(xiàn)依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，建立FEM模型并對(duì)其正確性加以驗(yàn)證，對(duì)比一次澆筑及二次澆筑結(jié)合面處的力學(xué)性能差異，為下文鋼混組合梁橋面板二次澆筑結(jié)合面受力分析及優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1.1 試驗(yàn)概況

文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了新舊混凝土界面抗剪性能測(cè)試試驗(yàn)，試件平面幾何參數(shù)如圖1所示，厚度為100 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，力筋為直徑16 mm的HRB400鋼筋，植筋為直徑14 mm的HRB400鋼筋，其中s3試件分別有3種槽口寬度a為40、60、90 mm，試件標(biāo)號(hào)分別為s3-40、s3-60、s3-90。試件采用位移加載，于正式加載前進(jìn)行預(yù)估最大荷載15%的預(yù)加載，持荷15 min后緩慢卸載。正式加載按0.05 mm每級(jí)加載至試件破壞或剪切滑移量至4 mm。

(a) 試件s1(b) 試件s2(c) 試件s3

1.2 數(shù)值模型

采用ABAQUS建立1.1節(jié)中加載試件的數(shù)值模型，以試件頂面位移形式實(shí)現(xiàn)加載，采用幅值方式模擬分級(jí)加載形式；為使FEM模型與實(shí)際加載狀況一致，使其不發(fā)生水平位移，約束分配梁側(cè)面水平面內(nèi)平動(dòng)自由度；C40試件底部采用固定約束，令其U1，U2，U3這3個(gè)方向平動(dòng)自由度為0；混凝土及分配梁種子近似尺寸10 mm，采用C3D8R單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格；對(duì)于試件力筋及植筋，建立實(shí)體鋼筋通過嵌入混凝土構(gòu)件的方式實(shí)現(xiàn)鋼筋-混凝土相互作用，種子近似尺寸4 mm，采用C3D8R單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。試件s1整體模型網(wǎng)格劃分見圖2，其余模型網(wǎng)格劃分類似，在此不一一列出。

圖2 s1試件FEM模型Figure 2 The FEM model of piece s1

1.2.1本構(gòu)關(guān)系

試驗(yàn)中涉及C40、HRB400兩類材料。為精細(xì)模擬新舊混凝土界面性能及植筋后結(jié)構(gòu)受力特性，僅采用線彈性本構(gòu)是不滿足分析精度要求的。為此，對(duì)于鋼材，采用改進(jìn)的多折線形式的彈性強(qiáng)化模型，屈服前應(yīng)力-應(yīng)變曲線為斜直線，屈服后應(yīng)力-應(yīng)變曲線為多段直線，如圖3(a)所示，拉壓彈性模量均為Es=2.06e5 MPa，泊松比υ=0.3[9]；對(duì)于混凝土，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》[10]， C40彈性模量Es=3.25e4 MPa，泊松比υ=0.2，采用LEE及FENVES[11]改進(jìn)的混凝土損傷塑性本構(gòu)，該模型假定混凝土材料破壞原因?yàn)槔扉_裂與壓縮破碎(單軸拉壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖3(b)、 圖3(c))，通過損傷因子描述材料剛度退化，主要表達(dá)式為：

(1)

(a) 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變

1.2.2混凝土結(jié)合面模擬方法

EMMONS[14]等指出，混凝土結(jié)構(gòu)可劃分為新、舊、界面區(qū)混凝土3個(gè)部分，僅依靠新舊混凝土間粘結(jié)力往往不足以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，往往需通過機(jī)械連接方法對(duì)界面進(jìn)行加固處理。因此，如何準(zhǔn)確模擬界面區(qū)混凝土是數(shù)值模型標(biāo)定的關(guān)鍵。現(xiàn)考慮通過如下3種方式模擬界面區(qū)混凝土:

a.考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)使用中，其所受荷載往往不使其發(fā)生破壞，新舊混凝土結(jié)合面一般不發(fā)生相對(duì)滑移，因此可對(duì)新舊混凝土采用綁定約束模擬界面結(jié)合[15]。

b.上述試驗(yàn)中分配梁頂部需不斷增大豎向荷載直至試件破壞，為考慮構(gòu)件破壞時(shí)新舊混凝土結(jié)合面滑移、開裂等情況，采用接觸對(duì)定義新舊混凝土結(jié)合面，并對(duì)接觸定義切向行為與法向行為，其中切向行為以罰形式定義，摩擦系數(shù)取0.2，法向行為以硬接觸定義[16]。

c.額外劃分界面區(qū)混凝土區(qū)域，定義為粘結(jié)單元，賦予Cohesive屬性，以模擬構(gòu)件破壞時(shí)界面區(qū)失效[17]。

現(xiàn)對(duì)3種模擬方式下各構(gòu)件開裂荷載及極限剪切荷載FEM值及實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

(a) 開裂荷載

從圖4可以看出，3種新舊混凝土界面模擬方式中，法(2)精度最低， 而法(3)精度最高， 但考慮到法(3)采用Cohesive單元需消耗大量計(jì)算資源，效率較低，而法(1)則在保證一定精度的前提下最大程度提高了計(jì)算速度，因此，當(dāng)計(jì)算對(duì)精度需求一般時(shí)，采用法(1)可加快計(jì)算速度，節(jié)約時(shí)間。

1.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證分析

利用文獻(xiàn)[8]給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)文本FEM模型進(jìn)行驗(yàn)證，二者對(duì)比見圖5。

(a) 開裂荷載

從圖5可知，本文FEM模型對(duì)一次澆筑與二次澆筑混凝土界面進(jìn)行了良好的模擬，各個(gè)試件主要參數(shù)指標(biāo)與試驗(yàn)值基本保持吻合，說明了本文數(shù)值模型的有效性與正確性。而橫向?qū)Ρ雀鱾€(gè)試件計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，即便采取了植筋措施，但試件s2各項(xiàng)性能指標(biāo)仍顯著劣于一次澆筑試件s1，而采用不同寬度溝槽后，s3試件則在s2試件基礎(chǔ)上提高了各項(xiàng)性能指標(biāo)，但相較于一次澆筑試件，s1仍有一定差距。

上述試驗(yàn)及FEM結(jié)果表明，對(duì)于橋面板混凝土二次澆筑結(jié)合面，其受力性能相較于一次澆筑存在著明顯下降，而對(duì)于鋼混組合梁，其橋面板常采用預(yù)制混凝土板+濕接縫的構(gòu)造，某些組合梁還會(huì)在預(yù)制混凝土板+濕接縫的基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)一層現(xiàn)澆混凝土板，此時(shí)，由于預(yù)制橋面板一般需存放半年以上以消除收縮徐變的影響，而濕接縫及橋面板現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制板之間將存在混凝土結(jié)合面。同時(shí)，考慮到鋼混組合梁相較于普通混凝土梁在組合材料、負(fù)彎矩區(qū)受力狀態(tài)、剪力連接件上存在顯著差異，因此，有必要針對(duì)工程實(shí)例，考慮實(shí)際受荷對(duì)橋面板結(jié)合面位置進(jìn)行受力分析，明確其受力狀態(tài)并采取優(yōu)化措施進(jìn)行優(yōu)化。

2 混凝土橋面板結(jié)合面性能

2.1 工程背景

某高架橋第二聯(lián)采用(3×29.6)m鋼板組合梁，梁體以路線中心為軸，雙向1.5%橫坡，主梁采用“工字型鋼主梁+預(yù)制混凝土橋面板+現(xiàn)澆橋面板”組合結(jié)構(gòu)。綜合考慮鋼梁及混凝土橋面板受力、節(jié)段運(yùn)輸及起吊重量等因素，橫向布置8片工字鋼梁；橋面板上采用9 cm瀝青混凝土鋪裝，橋面板及鋼梁上翼緣均采用橫坡傾斜布置，鋼梁下翼緣按橫向按平坡布置(見圖6)。

圖6 鋼混組合梁斷面布置圖Figure 6 Section layout of steel-concrete composite beam

工字鋼主梁高120 cm，工字鋼主梁上翼緣寬600 mm(厚18、28、40 mm，上對(duì)齊)，下翼緣寬800 mm(厚22、32、40 mm，下對(duì)齊)，腹板厚16 mm。鋼梁按直線平行布置，在端、中橫梁處設(shè)置折角適用曲線變化。

橋面混凝土板采用鋼筋混凝土疊合板結(jié)構(gòu)，橋面板高30 cm(由10 cm厚預(yù)制混凝土板和20 cm厚現(xiàn)澆混凝土板疊合構(gòu)成)，懸臂端部板厚18 cm，預(yù)制板尺寸為1(順)×2.5(橫)×0.1(厚) m，預(yù)制橋面板由預(yù)制廠加工完成后，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝，并作為后澆層混凝土的模板。預(yù)制板按標(biāo)準(zhǔn)尺寸預(yù)制，通過中橫梁及端橫梁處現(xiàn)澆段調(diào)整曲線變化，橋面外輪廓曲線通過上層現(xiàn)澆板形成。

上部結(jié)構(gòu)鋼梁及預(yù)制橋面板均為預(yù)制構(gòu)件，鋼梁節(jié)段現(xiàn)場(chǎng)連接之后形成連續(xù)結(jié)構(gòu)之后，分塊吊裝預(yù)制橋面板，(單塊預(yù)制板平面尺寸為2.5 m×1.0 m，可確保預(yù)制板吊裝強(qiáng)度，橫橋向通過濕接縫聯(lián)系)，澆筑濕接縫及現(xiàn)澆橋面板至設(shè)計(jì)強(qiáng)度。本工程實(shí)例采用上述構(gòu)造的原因在于，鋼 — 混凝土疊合板結(jié)構(gòu)，相較于現(xiàn)澆組合結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量支模時(shí)間與工序，施工速度快，吊裝質(zhì)量輕，現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑量小，綜合效益好；相較于預(yù)制組合結(jié)構(gòu)，其橋面整體性更佳，現(xiàn)澆層混凝土基本無齡期差異，收縮徐變影響更趨于一致，線型更為平順，且該橋位于市區(qū)內(nèi)，受制于吊裝設(shè)備限制，采用先預(yù)制后現(xiàn)澆的方式，一方面降低了吊重，有利于降低施工風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也降低了對(duì)吊裝設(shè)備噸位及作業(yè)條件的要求，可采用多臺(tái)設(shè)備同步施工。上部結(jié)構(gòu)預(yù)制及安裝流程如下：① 在工廠內(nèi)分別制作鋼梁節(jié)段及預(yù)制橋面板，其中預(yù)制橋面板存板至少6個(gè)月;② 根據(jù)橋位實(shí)際情況，施工橋墩及臨時(shí)墩;③ 鋼梁及預(yù)制橋面板從工廠通過水運(yùn)或陸運(yùn)，運(yùn)輸至橋位現(xiàn)場(chǎng);④ 吊裝架設(shè)鋼橫梁及鋼主梁，鋼梁節(jié)段之間螺栓連接形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，鋼箱間橫向聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接;⑤ 拆除臨時(shí)支墩，完成支承體系轉(zhuǎn)換;⑥ 橋下吊裝預(yù)制橋面板，并澆筑正彎矩區(qū)濕接縫及現(xiàn)澆橋面板，待混凝土至設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%以上澆筑負(fù)彎矩區(qū)濕接縫及現(xiàn)澆橋面板;⑦ 施工橋面鋪裝及其他附屬設(shè)施。其中鋼梁架設(shè)應(yīng)在兩側(cè)現(xiàn)澆箱梁預(yù)應(yīng)力張拉完槽口封錨以后進(jìn)行。

2.2 多尺度FEM模型建立

對(duì)于上述工序，《公路鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)與施工規(guī)范(JTG/T D64-01-2015)》第12.5.1條指出，“橋面板安裝前，宜存放6個(gè)月以上”，以消除混凝土收縮徐變影響，而在預(yù)制混凝土橋面板吊裝完畢、澆筑濕接縫后又需進(jìn)行現(xiàn)澆橋面板施工，而施工進(jìn)度的不統(tǒng)一又進(jìn)一步增大了預(yù)制與現(xiàn)澆構(gòu)件的混凝土齡期差異。此處預(yù)制橋面板與濕接縫、預(yù)制橋面板與現(xiàn)澆橋面板之間均存在新舊混凝土結(jié)合面，現(xiàn)通過第1節(jié)經(jīng)過驗(yàn)證的數(shù)值模擬方法，建立多尺度FEM模型，對(duì)該工程實(shí)例界面區(qū)混凝土加以分析。其中，對(duì)于預(yù)制橋面板，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)度，齡期約為9個(gè)月，濕接縫與現(xiàn)澆混凝土橋面板均為連續(xù)澆筑，差異相對(duì)較小。此時(shí)二次澆筑面主要為預(yù)制板與現(xiàn)澆混凝土的結(jié)合面。

鋼混組合梁中，鋼梁采用殼單元模擬，支座、混凝土預(yù)制板、濕接縫及現(xiàn)澆橋面采用實(shí)體單元模擬，模型共173122個(gè)節(jié)點(diǎn)，139 900個(gè)單元；按第1.2.1節(jié)方法，鋼材采用改進(jìn)的多折線形式的彈性強(qiáng)化模型，混凝土采用改進(jìn)的混凝土損傷塑性本構(gòu)，支座材料按設(shè)計(jì)圖紙中相應(yīng)剛度加以換算，以理想彈性模型進(jìn)行考慮；由第1.2.1節(jié)方法，殼單元與殼單元、實(shí)體單元之間采用綁定相互作用，實(shí)現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)的接觸關(guān)系；采用Model Change實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件的分階段激活，并考慮單元應(yīng)變的重激活，以實(shí)現(xiàn)正確的隨時(shí)間變化的結(jié)構(gòu)形變；對(duì)支座底面按三跨雙支座連續(xù)梁施加約束，以模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中支座對(duì)結(jié)構(gòu)豎向、橫向、縱向的約束；激活豎向重力加速度9.806 m/s2以計(jì)算結(jié)構(gòu)自重，采用壓強(qiáng)荷載模擬鋪裝層及護(hù)欄等二期荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用；殼采用S4R單元，實(shí)體采用C3D8R單元，結(jié)構(gòu)主要部件見圖7所示。

(a)鋼梁

2.3 橋面板結(jié)合面受力特性

現(xiàn)考慮施工過程，對(duì)濕接縫澆筑、橋面澆筑以及二期階段新舊混凝土結(jié)合面受力特性進(jìn)行分析。其中，新舊混凝土結(jié)合面主要包括3類：① 預(yù)制板與濕接縫結(jié)合面，包括中板縱向路徑A1，邊板縱向路徑C1，橫向路徑B1；② 預(yù)制板與現(xiàn)澆橋面結(jié)合面，包括中板縱向路徑A2，邊板縱向路徑C2，橫向路徑B2；③ 預(yù)制板、濕接縫、現(xiàn)澆橋面結(jié)合面，包括中板縱向路徑A3，邊板縱向路徑C3，橫向路徑B3。具體界面及路徑位置見圖8，9種結(jié)合面靠近軸線與鋼橫梁平面投影交點(diǎn)處為分析路徑起點(diǎn)，路徑在各個(gè)施工階段下最大主應(yīng)力增量對(duì)比見圖9(已扣除預(yù)應(yīng)力張拉對(duì)混凝土應(yīng)力的影響，考慮到對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)常采用最大主應(yīng)力分析其受力狀態(tài)并作為破壞準(zhǔn)則，故僅對(duì)比結(jié)構(gòu)自重及二期作用下的最大主應(yīng)力增量)，豎向位移增量對(duì)比見圖10(對(duì)于中板縱向路徑A1、A2、A3，其空間位置較為接近，豎向位移相差較小，故僅給出A1路徑豎向位移沿路徑距離的曲線，同理僅給出B1、C1路徑豎向位移沿路徑距離的曲線進(jìn)行對(duì)比)。

圖8 新舊混凝土結(jié)合面及路徑示意圖

(a)中板縱向路徑A

由圖9橫向?qū)Ρ?，?duì)于(1)類結(jié)合面，由于澆筑濕接縫后才形成預(yù)制板與濕接縫的新舊混凝土結(jié)合面，且澆筑過程中預(yù)制板搭接于鋼梁上，僅受鋼梁頂面支撐作用，水平面方向除開摩擦力外不受約束，故濕接縫澆筑時(shí)其自重作用基本不對(duì)(1)類結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力，而現(xiàn)澆橋面自重則對(duì)結(jié)合面應(yīng)力產(chǎn)生較大作用，隨著二期恒載的逐步增加，A1路徑的最大主應(yīng)力由1.05 MPa減小至0.72 MPa，B1路徑最大主應(yīng)力變化甚微，C1結(jié)合面最大主應(yīng)力由-1.37減小至-1.00 MPa；對(duì)于(2)類結(jié)合面，在橋面現(xiàn)澆后形成預(yù)制板與現(xiàn)澆橋面新舊混凝土結(jié)合面，縱向路徑A2、C2最大主應(yīng)力變化不大，僅靠近中橫梁負(fù)彎矩區(qū)存在一定差異，遠(yuǎn)離中橫梁的正彎矩區(qū)最大主應(yīng)力較為一致，橫向路徑B2靠近軸線位置隨著二期恒載增加最大主應(yīng)力減小約2.00 MPa，增加了應(yīng)力儲(chǔ)備，對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)更為有利；對(duì)于(3)類結(jié)合面，A3、B3、C3路徑變化形式與(2)類結(jié)合面基本一致。

由圖9縱向?qū)Ρ?，?duì)于路徑A、B、C，隨著二期恒載的增加，路徑最大主應(yīng)力波動(dòng)減小，且整體呈下降趨勢(shì)，僅(2)類結(jié)合面最大主應(yīng)力略微增加?？梢?，隨著結(jié)構(gòu)恒載的變化，(2)類結(jié)合面存在應(yīng)力增大，對(duì)結(jié)構(gòu)受力存在不利作用。

由圖10(a)可見，對(duì)于路徑A1，欄桿安裝減小了其豎向位移，橋面鋪裝則使豎向位移增大至-15.6 mm，這主要原因在于欄桿主要作用于邊板，而路徑A1位于中板，欄桿荷載使邊板向下?lián)锨耐瑫r(shí)會(huì)使中板存在一定的上撓，圖10(b)及圖10(c)也反應(yīng)了這一結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)，橫向路徑B1隨著二期荷載的增加，靠近邊板的部分出現(xiàn)下?lián)隙拷邪宓牟糠殖霈F(xiàn)上撓，距離中軸線約4 m處出現(xiàn)零位移點(diǎn)；邊板縱向路徑C1則隨著二期荷載的增加下?lián)现饾u增大。

(a) A1路徑

對(duì)于此類鋼梁格+混凝土預(yù)制板+現(xiàn)澆橋面的鋼混組合梁，考慮到圖10及圖11中的應(yīng)力及位移特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)施工階段下橋面板不同位置不同新舊混凝土結(jié)合面的位移及最大主應(yīng)力變化趨勢(shì)不同，對(duì)于縱向路徑，其位移變化基本隨恒載增加而增大(忽略護(hù)欄施工時(shí)中板略微上撓)，而最大主應(yīng)力隨著恒載增加而基本減小，僅負(fù)彎矩段存在一定波動(dòng)；對(duì)于橫向路徑，其位移沿路徑發(fā)生反向彎曲，在設(shè)計(jì)橫向預(yù)拱度時(shí)需考慮自重作用對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)拱度的影響；同時(shí)，對(duì)于橫向路徑以及第(2)類新舊混凝土結(jié)合面均存在最大主應(yīng)力增加的情況，其最大主應(yīng)力變化較大的位置出現(xiàn)在橫向路徑以及縱向路徑的端部，即結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩段，對(duì)此應(yīng)考慮采取相應(yīng)措施對(duì)該路徑區(qū)域受力特性加以改善。

3 混凝土結(jié)合面受力優(yōu)化

針對(duì)第2節(jié)計(jì)算結(jié)果，上述鋼混組合梁負(fù)彎矩段橋面板結(jié)合面最大主應(yīng)力較大，對(duì)結(jié)構(gòu)不利，對(duì)此考慮以下兩種方案對(duì)混凝土結(jié)合面性能進(jìn)行優(yōu)化：

a.調(diào)整工序。由第2.3節(jié)，橋面現(xiàn)澆后縱向路徑存在一定下?lián)?，此時(shí)會(huì)使結(jié)構(gòu)負(fù)彎矩區(qū)最大主應(yīng)力增加，考慮采用調(diào)整施工工序的方式避免負(fù)彎矩區(qū)預(yù)制板與濕接縫、預(yù)制板與現(xiàn)澆橋面以及預(yù)制板、濕接縫、現(xiàn)澆橋面新舊混凝土結(jié)合面應(yīng)力過大，主要采用兩種子方案進(jìn)行改善：① 將濕接縫與現(xiàn)澆橋面分次澆筑改為一次整體澆筑；② 先澆筑縱向正彎矩區(qū)濕接縫，后澆筑負(fù)彎矩區(qū)橫向濕接縫，然后進(jìn)行橋面澆筑。

b.混凝土結(jié)合面植筋。由文獻(xiàn)[18]，新舊混凝土結(jié)合面植筋后其破壞荷載與開裂荷載試驗(yàn)值與FEM值均得到一定提升，故考慮采用文獻(xiàn)中三角排列植筋方式，對(duì)新舊混凝土結(jié)合面予以加強(qiáng)。

考慮到二期恒載作用下，上述兩種方案混凝土結(jié)合面應(yīng)力增量與位移增量均不發(fā)生變化，且改變工序或植筋僅對(duì)施工過程位移產(chǎn)生較大影響，而對(duì)二期恒載階段結(jié)構(gòu)位移影響較小，現(xiàn)僅給出上述混凝土結(jié)合面受力優(yōu)化方案下二期恒載施工完成后各路徑下最大主應(yīng)力的變化曲線，見圖11。

(a)中板縱向路徑A

由圖11可知，對(duì)于中板縱向路徑，方案1-a及方案1-b可以有效降低(1)類正彎矩段預(yù)制板與濕接縫新舊混凝土結(jié)合面最大主應(yīng)力，但對(duì)于(2)類、(3)類結(jié)合面其應(yīng)力改善效果不甚理想，且在靠近支點(diǎn)位置處相較于原方案產(chǎn)生了較大的主拉應(yīng)力，降低了相應(yīng)位置結(jié)構(gòu)的應(yīng)力儲(chǔ)備；方案2在中板縱向路徑上最大主應(yīng)力普遍低于原方案，起到了較好的改善結(jié)合面應(yīng)力效果，除(1)類結(jié)合面跨中區(qū)域主應(yīng)力偏高外，其余路徑上方案2最大主應(yīng)力均為4種方案里最低值，且方案2靠近負(fù)彎矩段最大主應(yīng)力均小于或接近0，相較于其他方案其應(yīng)力儲(chǔ)備更佳。

對(duì)于橫向路徑，3類結(jié)合面4種方案下的沿路徑的最大主應(yīng)力曲線不存在明顯趨勢(shì)，原方案與方案2變化趨勢(shì)基本一致，靠近中軸線處最大主應(yīng)力趨近于0，遠(yuǎn)離中軸線處最大主應(yīng)力均為負(fù)值；方案1-a與1-b相較于原方案與方案2，其路徑上最大主應(yīng)力呈波動(dòng)狀態(tài)，且普遍較高，因此相對(duì)于原方案使最大主應(yīng)力下降的方案2起到了對(duì)3類橫向路徑結(jié)合面應(yīng)力的改善作用。

對(duì)于邊板縱向路徑，方案1-a、1-b；改善了(1)類結(jié)合面正彎矩段預(yù)制板與濕接縫新舊混凝土結(jié)合面最大主應(yīng)力，但同時(shí)亦增大了負(fù)彎矩段最大主應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利有弊，而對(duì)于(2)類、(3)類結(jié)合面則影響不大；方案2在原方案基礎(chǔ)上整體降低了沿路徑的最大主應(yīng)力，具有較好的改善效果。

綜上，采用方案2植筋的方式對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合面受力的優(yōu)化效果較為顯著,且具有一定規(guī)律，對(duì)于3類結(jié)合面下的3種路徑，方案2均使路徑上的最大主應(yīng)力相較于原方案降低了部分，而調(diào)整工序則對(duì)跨中正彎矩段縱向路徑起到了應(yīng)力分布改善的作用，對(duì)于其他情況則無作用甚至不利于結(jié)構(gòu)安全。因此，建議對(duì)于此類鋼混組合梁，考慮采用部分結(jié)構(gòu)調(diào)整工序+植筋的措施，對(duì)3類混凝土結(jié)合面受力進(jìn)行優(yōu)化，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性，提高應(yīng)力儲(chǔ)備。

4 結(jié)論

本文基于混凝土結(jié)合面試驗(yàn)，對(duì)FEM模型進(jìn)行驗(yàn)證，并以此為基礎(chǔ)對(duì)鋼混組合梁橋面板二次澆筑結(jié)合面性能展開研究，并給出了改善混凝土結(jié)合面受力特性的相應(yīng)措施，得出以下結(jié)論：

a.采用考慮混凝土損傷塑性本構(gòu)以及鋼材多折線彈性強(qiáng)化本構(gòu)的數(shù)值模擬方法能較好地模擬二次澆筑混凝土及鋼筋的材料特性，對(duì)結(jié)合面使用綁定的約束模擬界面連接能在保證精度的基礎(chǔ)上節(jié)約計(jì)算時(shí)間，而基于混凝土結(jié)合面剪切試驗(yàn)與數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，二次澆筑會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)承載能力，而采用植筋、槽口等方式會(huì)不同程度改善結(jié)合面受力，提高其開裂荷載與極限抗剪荷載。

b.對(duì)于鋼混組合梁，3類結(jié)合面的縱向、橫向路徑隨施工階段推進(jìn)其最大主應(yīng)力與豎向位移均發(fā)生不同變化，其中(1)類結(jié)合面各路徑最大主應(yīng)力隨恒載增加而減小，(2)類、 (3)類縱向路徑隨恒載增加其正彎矩區(qū)路徑最大主應(yīng)力基本不變，而負(fù)彎矩區(qū)存在最大主應(yīng)力增大的情況，橫向路徑最大主應(yīng)力存在波動(dòng)增加的情況；縱向路徑位移變化基本隨恒載增加而增大(忽略護(hù)欄施工時(shí)中板略微上撓)，橫向路徑存在反彎曲，距離中軸線約4 m處出現(xiàn)零位移點(diǎn)。

c.對(duì)于鋼混組合梁中橋面板二次澆筑結(jié)合面，調(diào)整工序可以改善正彎矩段結(jié)合面受力但對(duì)其他部位則無作用甚至不利于結(jié)構(gòu)安全，而植筋則可以較為有效且具有規(guī)律性的降低結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力，具有較好的改善作用，因而采用合理調(diào)整部分結(jié)構(gòu)工序+植筋的方式可以起到改善結(jié)合面受力特性，增加結(jié)構(gòu)應(yīng)力儲(chǔ)備。