剪力鍵抗剪剛度對組合梁橋收縮徐變的影響分析

鹿俊杰， 趙 青

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601)

鋼混組合梁橋在國外發(fā)展已久，隨著經(jīng)濟(jì)水平和橋梁工程領(lǐng)域的發(fā)展在國內(nèi)也得到了越來越多的應(yīng)用。鋼混組合梁橋是由兩種性質(zhì)差別較大的鋼材和混凝土通過抗剪連接件組成的一個(gè)整體，能發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，擁有眾多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，混凝土材料的存在，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受收縮徐變的影響[1]。收縮和徐變是影響混凝土力學(xué)性能和變形的兩個(gè)重要影響因素[2-4]。混凝土收縮徐變產(chǎn)生變形，也會導(dǎo)致鋼梁產(chǎn)生內(nèi)力重分布和附加變形，研究鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變是一個(gè)很重要的問題。鋼混組合梁橋剪力鍵抗剪剛度是影響梁橋收縮徐變的重要因素之一[5-7]。通過有限元軟件Midas/Civil建立相應(yīng)模型，探索剪力鍵抗剪剛度對撓度和應(yīng)力的影響規(guī)律，為橋梁工程的設(shè)計(jì)與施工提供有益參考。

1 有限元模型

1.1 模型假設(shè)

(1)鋼混組合梁橋不考慮相對滑移；

(2)模型不考慮組合梁橋坡度的影響以及溫度應(yīng)變的影響。

1.2 工程實(shí)例

某鋼混組合梁橋的上部結(jié)構(gòu)為三跨連續(xù)組合梁橋(35 m + 45 m + 35m)，總長度115 m，從上往下依次為0.3 m厚混凝土橋面板、4.5 m高鋼梁和4.8 m高鋼混組合梁橋斷面。混凝土橋面板采用C50混凝土，上下分別鋪設(shè)36根直徑為25 mm的縱向鋼筋。槽型鋼梁材料采用Q345。橋梁跨度方向上均布φ20剪力釘。

1.3 有限元模型

用有限元軟件Midas/Civil建立模型，該模型一共有個(gè)123節(jié)點(diǎn)，122個(gè)單元。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.4 施工步驟

將模型分為7個(gè)施工階段：第一階段為鋼梁架設(shè)，持續(xù)時(shí)間為3 d；第二階段為鋼梁拼接，持續(xù)時(shí)間為2 d；第三階段為正彎矩部位混凝土的澆筑，澆筑時(shí)長為7 d；第四階段為負(fù)彎矩部位混凝土澆筑，澆筑時(shí)長為7 d；第五階段為去除臨時(shí)支座，用時(shí)為2 d；第六階段為混凝土橋面板上的防護(hù)層鋪裝，用時(shí)為15 d；第七階段為混凝土收縮徐變，考慮研究目的假設(shè)用時(shí)為10 a。

1.5 收縮徐變本構(gòu)模型

以粘彈性本構(gòu)理論[8]為基礎(chǔ)，水泥體是彈性水泥凝膠骨架。為了簡化計(jì)算，忽略溫度應(yīng)變的影響，混凝土在應(yīng)力、收縮下的應(yīng)變公式為：

ε(t)=J(t,t0)σ+εcs(t)

(1)

(2)

其中：J(t,t0)是柔度函數(shù),εcs(t)是收縮應(yīng)變，φ(t,t0)是徐變系數(shù)。由式(1)和式(2)可知混凝土的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(3)

1.6 混凝土收縮模型

收縮是混凝土自身的特點(diǎn)，由材料內(nèi)部水分變化引起?？紤]混凝土的材料特性，混凝土的收縮應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εcs(t,ts)=εcs0βs(t-ts)

(4)

εcs0=[1.6×10-4+10-5βsc(9-fcm/fcm0)]βRH

(5)

(6)

βRH=-1.55[1-(RH/RH0)3]

(7)

式(4)中，βs(t-ts)是收縮發(fā)展系數(shù)。式(5)中，βRH為環(huán)境年平均濕度系數(shù)。由式(4)～式(7)可知收縮應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(8)

1.7 混凝土徐變模型

建立混凝土徐變模型的目的是為了準(zhǔn)確衡量混凝土徐變，在所有的影響因素中徐變系數(shù)最為關(guān)鍵。混凝土徐變系數(shù)為：

φ(t,t0)=φ0βc(t-t0)

(9)

(10)

(11)

(12)

式(9)中，φ0是名義徐變系數(shù)，βc(t-to)為徐變隨t變化系數(shù)。由式(9)～式(12)可知混凝土徐變系數(shù)為：

(13)

2 有限元模型的結(jié)果分析

2.1 剪力鍵抗剪剛度對撓度的影響

剪力鍵是鋼梁和混凝土橋面板聯(lián)系的關(guān)鍵，是構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)的重要組成環(huán)節(jié)。剪力鍵在整體結(jié)構(gòu)當(dāng)中承擔(dān)剪力，阻礙由剪力引起的變形，同時(shí)還能起到抗傾覆和相對滑移的作用。栓釘在剪力鍵中的應(yīng)用最為常見，工程實(shí)例中采用均布φ20剪力釘。工程中剪力鍵剛度有限，取值不是無限大。有限元模型假設(shè)時(shí)不考慮鋼混組合梁橋相對滑移，但是在實(shí)際情況中，鋼梁和混凝土橋面板聯(lián)系截面處會產(chǎn)生相對滑移，相對滑移量的大小受到剪力鍵抗剪剛度的影響。

為分析剪力鍵抗剪剛度對梁橋撓度的影響情況，取第一跨跨中、第二跨跨中截面為關(guān)鍵截面。剪力鍵抗剪剛度K分別取值為50 kN·mm-1、100 kN·mm-1、500 kN·mm-1。為了更好地研究混凝土收縮徐變，統(tǒng)計(jì)10 a的變化情況。第一跨跨中撓度變化和第二跨跨中撓度變化如圖2和圖3所示。

圖2 第一跨跨中撓度變化圖

圖3 第二跨跨中撓度變化圖

由圖2和圖3可知，剪力鍵抗剪剛度對橋梁撓度影響較大，撓度隨時(shí)間呈非線性變化，初期變化較快，后期變化較慢。第二跨跨中截面比第一跨跨中截面撓度大，更容易發(fā)生破壞。隨著剪力鍵抗剪剛度K增大，第一跨跨中、第二跨跨中截面撓度皆有明顯增加。

2.2 剪力鍵抗剪剛度對應(yīng)力的影響

為分析剪力鍵抗剪剛度對梁橋應(yīng)力的影響情況，使混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，以鋼混組合梁橋建成10 a為時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，對比成橋時(shí)的應(yīng)力情況。取第一跨跨中、第二跨跨中截面為關(guān)鍵截面，截面位置處的應(yīng)力值如表1～表4所示。

表1 混凝土橋面板上邊緣應(yīng)力表

表2 混凝土橋面板下邊緣應(yīng)力表

表3 鋼梁上邊緣應(yīng)力表

表4 鋼梁下邊緣應(yīng)力表

由表1～表4可得，剪力鍵抗剪剛度對橋梁應(yīng)力影響較大，在建橋10 a混凝土收縮徐變充分發(fā)展后，應(yīng)力變化更加明顯。而且第二跨跨中截面應(yīng)力值比第一跨跨中應(yīng)力大，更容易發(fā)生破壞。

由表1～表2可得，對混凝土橋面板而言，混凝土橋面板上邊緣比下邊緣應(yīng)力大，剛好符合混凝土橋面板受壓的特點(diǎn)。建橋10 a后混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，第二跨跨中截面混凝土橋面板應(yīng)力隨剪力鍵剛度的增加先增大后減小。

由表3～表4可得，對鋼梁而言，鋼梁下邊緣應(yīng)力比上邊緣大，剛好符合鋼梁受彎的特點(diǎn)。建橋10 a后混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，第二跨跨中截面鋼梁應(yīng)力隨剪力鍵剛度的增加而減小。

3 結(jié) 語

(1)鋼混組合梁橋撓度隨時(shí)間非線性增加，初期變化較快，后期變化較慢。在一定范圍內(nèi)，隨著剪力鍵抗剪剛度增大，第一跨跨中、第二跨跨中截面撓度皆有明顯增加。

(2)鋼混組合梁橋應(yīng)力分兩個(gè)部分進(jìn)行分析，對混凝土橋面板而言，混凝土橋面板上邊緣應(yīng)力比下邊緣大。建橋10 a后混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，在一定范圍內(nèi)，第二跨跨中截面混凝土橋面板應(yīng)力隨剪力鍵剛度的增加先增大后減小；對鋼梁而言，鋼梁下邊緣應(yīng)力比上邊緣大，建橋10 a后混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，在一定范圍內(nèi)，第二跨跨中截面混凝土橋面板應(yīng)力隨剪力鍵剛度的增加先增大后減小。

(3)剪力鍵抗剪剛度對鋼混組合梁橋收縮徐變的影響很大，體現(xiàn)在對梁橋撓度和應(yīng)力的影響上，尤其在梁橋跨中截面處，在設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)得到充分重視。