橋面板徐變對(duì)曲線組合梁橋剪力釘受力性能的影響

馮軍, 郭增偉*, 趙付強(qiáng)

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074; 2.中交路橋建設(shè)有限公司, 北京 100027)

鋼-混凝土組合梁橋是由鋼材和混凝土板通過(guò)剪力鍵連接而成的輕型結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了混凝土的抗壓性能和鋼材的受拉性能[1]，具有良好的受力特性，應(yīng)用廣泛。鋼-混組合梁橋中混凝土板的徐變會(huì)使鋼-混結(jié)合面之間產(chǎn)生相互作用力，不僅導(dǎo)致明顯的內(nèi)力重分布，還會(huì)產(chǎn)生一定的相對(duì)滑移[2]。眾多學(xué)者對(duì)鋼-混組合梁徐變效應(yīng)開展了廣泛的研究，劉沐宇等[3]開展鋼-混組合梁混凝土橋面板的徐變?cè)囼?yàn)，研究了港珠澳大橋鋼-混組合連續(xù)梁橋超長(zhǎng)時(shí)間下的收縮徐變效應(yīng)，研究表明橋面板的收縮徐變對(duì)鋼梁拉應(yīng)力影響較小，而鋼梁壓應(yīng)力增大顯著，對(duì)混凝土板拉、壓應(yīng)力均有卸載作用且影響持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；馮聯(lián)武等[4]以某雙層鋼桁架橋?yàn)楸尘?，采用梁格法模擬鋼-混組合橋面系，通過(guò)調(diào)整混凝土彈性模量以考慮徐變系數(shù)的時(shí)變特性，進(jìn)而研究了徐變內(nèi)力的空間分布，結(jié)果表明徐變?cè)斐山Y(jié)構(gòu)受力較大的跨中、墩頂截面附近的橋面板上、下層有明顯的應(yīng)力差異，而其他部位橋面板應(yīng)力上、下層之間差異不大；趙軍等[5]針對(duì)大跨混凝土結(jié)構(gòu)施工期間的安全問(wèn)題，對(duì)比了施工期間是否考慮收縮徐變影響下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，結(jié)果表明在收縮徐變影響下結(jié)構(gòu)的豎向位移會(huì)顯著增加，并且剪力值和彎矩值均會(huì)有較大程度的增加；樊健生等[6]建立了考慮混凝土徐變的鋼-混組合梁長(zhǎng)期受力性能模型，利用逐步法計(jì)算組合梁截面內(nèi)力和變形并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，重點(diǎn)探討了梁體撓度隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，結(jié)果表明現(xiàn)有規(guī)范對(duì)瞬時(shí)撓度及正彎矩區(qū)撓度的計(jì)算較為精確，負(fù)彎矩區(qū)撓度計(jì)算則需要考慮混凝土開裂的影響。

目前對(duì)于鋼-混組合梁橋徐變研究多集中在橋面板、鋼梁的內(nèi)力和應(yīng)力等方面，或梁體變形如橋梁撓度方面。實(shí)際上，作為重要連接構(gòu)件的剪力釘在混凝土徐變影響下受力情況有較大變化，值得進(jìn)一步研究。為探究這種變化，現(xiàn)以某鋼-混組合曲線梁橋?yàn)楸尘?，采用ANSYS建立包含剪力釘在內(nèi)的精細(xì)化實(shí)體有限元模型，分析混凝土徐變影響下剪力釘內(nèi)力及滑移變化情況，討論預(yù)制板加載齡期、時(shí)間歷程對(duì)剪力釘徐變內(nèi)力的影響。

1 有限元模擬方法及正確性驗(yàn)證

1.1 ANSYS徐變模擬方法

混凝土徐變影響因素眾多，作用機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，徐變分析方法和理論模型較多，不同理論推導(dǎo)的徐變系數(shù)方程有所差異，為提高精度，需根據(jù)工程實(shí)際情況并結(jié)合混凝土試驗(yàn)確定其實(shí)際參數(shù)[7]。目前對(duì)于有限元中徐變研究主要集中在徐變機(jī)理的理論研究、徐變方程的推導(dǎo)及參數(shù)修正等方面[8-10]，較少涉及徐變計(jì)算理論在商用有限元軟件中的實(shí)現(xiàn)，本文中側(cè)重闡述徐變理論計(jì)算后的徐變系數(shù)在ANSYS中的應(yīng)用。

金屬蠕變與混凝土徐變存在相似性，ANSYS中通過(guò)金屬蠕變Creep準(zhǔn)則模擬混凝土徐變[11]，將理論推導(dǎo)及試驗(yàn)所確定的徐變系數(shù)作為金屬蠕變方程的參數(shù)，而后調(diào)用該方程以金屬蠕變形式考慮混凝土徐變效應(yīng)。ANSYS中內(nèi)置多個(gè)金屬蠕變方程，選取6號(hào)方程，t時(shí)刻蠕變，即

(1)

式(1)中：σ為混凝土應(yīng)力；T為環(huán)境溫度；С1、С2、С3、С4為與各因素有關(guān)的常系數(shù)。

對(duì)式(1)中時(shí)間t求導(dǎo)得到徐變速率方程為

(2)

為使其正確模擬混凝土的徐變歷程，以下對(duì)其進(jìn)行參數(shù)的修正。線性徐變理論認(rèn)為，徐變速率與混凝土的應(yīng)力成一次線性關(guān)系，故可取式(1)中的С2=1?；炷列熳兪菨u進(jìn)發(fā)展的過(guò)程，本文中采用應(yīng)變強(qiáng)化準(zhǔn)則，即認(rèn)為徐變速率取決于材料中的應(yīng)變量С3取1。溫度對(duì)徐變的影響較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化分析，暫不考慮溫度影響，故С4取0，最終得到其徐變應(yīng)變速率方程為

ε′=С1σ

(3)

(4)

式中：E為混凝土的彈性模量；φ為t時(shí)刻徐變系數(shù)。

而混凝土徐變應(yīng)變速率一般表達(dá)式為式(4)，聯(lián)合式(3)，最終可解得徐變方程參數(shù)С為

(5)

由式(5)可知，ANSYS中徐變模擬本質(zhì)是根據(jù)不同時(shí)刻下材料的徐變系數(shù)φi(可根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]計(jì)算得出)求出徐變方程參數(shù)C1，將其賦值給內(nèi)置的金屬蠕變方程，從而實(shí)現(xiàn)徐變的模擬。此外，為保證真實(shí)反映混凝土的徐變變形，徐變模型需要考慮混凝土徐變系數(shù)隨時(shí)間的變化。

ANSYS中對(duì)于材料徐變特性的模擬是改變不同時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的材料系數(shù)，即每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)認(rèn)為材料的徐變發(fā)展速率是相同的；故為保證準(zhǔn)確性，在徐變發(fā)展較為迅速的早期，應(yīng)將時(shí)間步長(zhǎng)劃分較短，而徐變后期為保證計(jì)算效率可適當(dāng)加長(zhǎng)。

綜上，徐變齡期是混凝土徐變計(jì)算的關(guān)鍵，本橋中橋面板為預(yù)制混凝土板，在養(yǎng)護(hù)期間即會(huì)存在徐變變形，但此時(shí)板件處于無(wú)約束狀態(tài)，變形自由，內(nèi)部不存在由徐變引起的應(yīng)力。在架設(shè)后，混凝土板與鋼主梁通過(guò)現(xiàn)澆濕接縫連接為整體，混凝土板的徐變變形受到鋼主梁約束，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生徐變內(nèi)力。在ANSYS中預(yù)制期間的徐變變形通過(guò)徐變齡期將其消除，即徐變齡期以架設(shè)時(shí)的混凝土齡期為準(zhǔn)，在此之前的自由徐變不進(jìn)行考慮?，F(xiàn)澆濕接縫齡期較短，徐變發(fā)展較為劇烈，考慮到混凝土硬化需要一定的時(shí)間，其徐變齡期以3 d進(jìn)行考慮。

1.2 ANSYS模型及剪力釘模擬方法

工程背景為5 m×30 m的某等截面鋼-混組合曲線連續(xù)梁橋，全橋位于圓曲線上，半徑R=400 m，全橋?qū)挾葹?1 m。主梁采用雙工字型鋼板組合梁，主梁高1.55 m，中心間距為5.8 m；為滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，主梁內(nèi)側(cè)每隔5 m設(shè)置1道橫隔梁，主梁腹板每隔2.5 m設(shè)置1道豎向加勁肋，外側(cè)設(shè)置挑臂。上部采用存放齡期為90 d的預(yù)制鋼筋混凝土板，橋面板之間通過(guò)澆筑橫向、縱向濕接縫連接成整體。剪力釘采用圓柱頭焊釘，直徑為22 mm，采取均布式布置方式焊接在主梁、橫梁上，通過(guò)濕接縫與預(yù)制混凝土板相連，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體受力。主梁采用工字型鋼梁，而鋼材存在蠕變特性，但考慮到金屬蠕變的條件為高溫和應(yīng)力狀態(tài)，而橋位溫度顯然不滿足金屬蠕變所需的高溫狀態(tài)，故不考慮鋼梁的蠕變行為。預(yù)制橋面板為C50混凝土，濕接縫則采用С50微膨脹混凝土，以增強(qiáng)整體性；主梁、橫梁、挑臂等均采用Q345低合金鋼。施工時(shí)，從跨中向兩邊對(duì)稱澆筑，最后通過(guò)澆筑支點(diǎn)處接縫，使全橋形成整體，橋梁的橫斷面如圖1所示。

剪力釘是鋼-混組合梁橋中傳遞荷載的構(gòu)件，其模擬正確與否會(huì)顯著影響結(jié)果的正確性。本文中使用ANSYS建立有限元模型，剪力釘采用COMBIN39單元模擬，為精確模擬鋼梁與橋面板之間的滑移量，將COMBIN39單元的節(jié)點(diǎn)直接建立在鋼板上緣和混凝土板下緣，此時(shí)2個(gè)節(jié)點(diǎn)位移的相對(duì)改變量即為剪力釘在實(shí)際情況下的滑移量?？紤]到COMBIN39單元僅能模擬單一方向受力狀態(tài)，而剪力釘?shù)淖冃尾⒎菃蜗虻模试诿總€(gè)剪力釘位置布置2個(gè)COMBIN39單元，分別用于模擬剪力釘順橋向、橫橋向的受力及變形。

定義COMBIN39單元需要在有限元模型中確定其荷載-位移關(guān)系式，以確定其抗剪剛度，而對(duì)于其荷載-位移關(guān)系并無(wú)單一公式可表達(dá)，目前主要通過(guò)剪力釘抗剪試驗(yàn)歸納其回歸函數(shù)，確定其具體表達(dá)式[13]；結(jié)合本橋剪力釘實(shí)際情況，選用Ollgaard等提出的荷載-位移關(guān)系式[14]，即

Q=Qu(1-e0.7Δ)0.4

(6)

式(6)中：Δ表示滑移量，mm；Q表示剪力釘剪力值，kN；Qu表示剪力釘抗剪承載力設(shè)計(jì)值，kN，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2017)[15]中對(duì)于剪力釘抗剪承載力設(shè)計(jì)值的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算得其抗剪承載力設(shè)計(jì)值為60.1 kN。

全橋模型采用柱坐標(biāo)系建立，以圓曲線圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X向?yàn)闄M橋向，Y向?yàn)轫槝蛳?，Z向?yàn)樨Q向?；炷翗蛎姘宀捎肧OLID65實(shí)體單元模擬，鋼筋通過(guò)實(shí)常數(shù)進(jìn)行定義，亦不考慮鋼筋蠕變；鋼主梁、橫隔梁和加勁肋采用SHELL43單元模擬；根據(jù)剪力釘節(jié)點(diǎn)設(shè)置可知，鋼主梁與橋面板之間存在一定的間隙，最初剪力釘和橋面板處于“殺死”狀態(tài)，在同時(shí)激活剪力釘和橋面板后，兩者通過(guò)剪力釘連接，橋面板受到鋼主梁的約束，實(shí)現(xiàn)施工狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。對(duì)于連續(xù)梁橋，固定支座應(yīng)置于中跨，故約束2～3跨支點(diǎn)處鋼橫梁底部節(jié)點(diǎn)的DX、DY、DZ；其余支點(diǎn)處鋼橫梁底部節(jié)點(diǎn)則僅約束DX、DZ。全橋采用映射網(wǎng)格劃分，共計(jì)613 461個(gè)節(jié)點(diǎn)，491 878個(gè)單元，其中X向及Y向剪力釘單元數(shù)均為15 636?？紤]到施工階段會(huì)對(duì)剪力釘?shù)膬?nèi)力有較大影響[16]，采用“單元生死”功能模擬施工階段，具體施工順序?yàn)椋孩黉摿阂淮温浼埽虎诎惭b預(yù)制橋面板；③澆筑縱、橫向濕接縫；④施加二期恒載。鑒于每跨布置相同，給出單跨鋼梁有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖Fig.1 Bridge standard cross-section diagram

圖2 單跨鋼梁有限元模型及網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Single-span steel beam finite element model meshing diagram

1.3 ANSYS徐變模擬的正確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述混凝土徐變模擬的正確性，選取文獻(xiàn)[17]中的兩端固支的單跨超靜定梁進(jìn)行驗(yàn)證。該梁跨徑18 m，截面為1.0 m×1.0 m的矩形，采用C50混凝土，自重以均布荷載形式施加，大小為1 kN/m。其施工順序：先吊裝固定兩側(cè)懸臂梁，而后澆筑C部位合龍單元，形成超靜定結(jié)構(gòu)，A梁與B梁的徐變齡期分別為190、5 d，算例結(jié)構(gòu)如圖3所示。

使用ANSYS建立有限元模型，主梁采用BEAM23單元模擬，全梁共99個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分為98個(gè)單元，并通過(guò)“單元生死”功能模擬施工階段，具體過(guò)程：激活A(yù)、B梁，并約束固定端節(jié)點(diǎn)位移并施加均布荷載，模擬“懸臂階段”，而后激活合龍單元C并進(jìn)行求解。按徐變參數(shù)計(jì)算公式(5)，分別計(jì)算A梁、B梁的徐變參數(shù)，并據(jù)此修改模型材料參數(shù)分步求解結(jié)構(gòu)的徐變效應(yīng)，2 000 d后不同關(guān)鍵截面的徐變彎矩值如表1所示,并與文獻(xiàn)[17]中按Trost力法計(jì)算得到的理論值進(jìn)行對(duì)比。

由表1看出，ANSYS計(jì)算得到的控制截面徐變彎矩值與經(jīng)典算法Trost力法理論值最大相對(duì)誤差僅為3.2%，說(shuō)明了上述徐變模擬方法的可行性。值得注意的是，為便于Trost力法理論計(jì)算，懸臂梁中不考慮鋼筋且下部不存在支撐，故其內(nèi)力及邊界條件與實(shí)際橋面板存在較大差異，由于內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)對(duì)混凝土徐變特性有顯著的影響，這可能導(dǎo)致兩者徐變特性有一定的差異，但從徐變方程可以看出應(yīng)力差異的問(wèn)題可以較好地考慮在內(nèi)。

圖3 算例結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the example structure

表1 Trost力法理論值與ANSYS計(jì)算值對(duì)比Table 1 Comparison of the theoretical value of Trost force method and the calculated value of ANSYS

2 剪力釘徐變內(nèi)力及滑移位移的空間分布

本橋橋面板預(yù)制齡期為90 d，本節(jié)對(duì)該齡期橋面板徐變影響下的剪力釘特性進(jìn)行分析。不同于車輛荷載的“瞬時(shí)”作用，混凝土板徐變對(duì)剪力釘?shù)挠绊懯蔷徛页掷m(xù)性較長(zhǎng)的過(guò)程，為直觀表現(xiàn)這種影響，以成橋10年后剪力釘?shù)男熳儍?nèi)力和滑移位移為例討論其空間分布。下文中用到的剪力釘徐變效應(yīng)T的計(jì)算方法為

T=Sj-Si

(7)

式(7)中：T表示徐變效應(yīng)值(剪力釘內(nèi)力、滑移)；Sj和Si分別為成橋j、i某時(shí)刻剪力釘內(nèi)力、滑移量。

2.1 剪力釘內(nèi)力變化的空間分布分析

2.1.1 鋼縱梁剪力釘沿順橋向的內(nèi)力變化規(guī)律

在橋梁順橋方向上，分別提取外、內(nèi)鋼縱梁成橋初期及成橋10年時(shí)剪力釘沿順橋向、橫橋向內(nèi)力，按照式(7)繪制徐變內(nèi)力分布圖(圖4、圖5)。值得注意的是，COMBIN39單元內(nèi)力是有方向的，若單元力為正，表示單元受到沿整體坐標(biāo)系“向外”的剪力作用，反之相反；故若以剪力增量表現(xiàn)其受力特性時(shí)，為正表示剪力釘在徐變影響下，受到沿整體坐標(biāo)系“向外”的作用，反之“向內(nèi)”。

由圖4、圖5看出，外、內(nèi)側(cè)鋼縱梁剪力釘在橫橋向與順橋向的內(nèi)力均呈現(xiàn)出關(guān)于跨中“反對(duì)稱”的分布規(guī)律，且由每跨跨中向兩側(cè)支點(diǎn)逐漸增大，且極值多出現(xiàn)在支點(diǎn)濕接縫附近，這是由于支點(diǎn)處采用現(xiàn)澆混凝土加載齡期短造成的，可采取加密布置剪力釘?shù)姆绞浇档蛦吾數(shù)男熳儍?nèi)力。此外，對(duì)比剪力釘在順橋向與橫橋向的徐變內(nèi)力值，可以看出剪力釘在橫橋向的徐變內(nèi)力極值大約是順橋向內(nèi)力的2.0倍，在橋梁中徐變會(huì)導(dǎo)致梁體產(chǎn)生縱橋向的下?lián)?，而在?混組合梁橋中縱橋向有鋼主梁的約束，相對(duì)而言橋面板在橫橋向上受的約束較弱，這一定程度加劇了剪力釘?shù)臋M橋向徐變內(nèi)力。

2.1.2 鋼橫梁剪力釘沿橫橋向的內(nèi)力變化規(guī)律

選取具有代表性的第1跨跨中截面、第1～2跨交界支點(diǎn)濕接縫截面，第2～3跨交界處濕接縫截面(固定支座處)的徐變內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比(圖6)。從圖6中可知，3個(gè)控制截面的鋼橫梁上剪力釘?shù)臋M橋向及順橋向徐變內(nèi)力在橫截面上均呈現(xiàn)“中間小、兩端大”的分布規(guī)律；受截面彎矩影響，跨中截面與支點(diǎn)截面上剪力釘?shù)男熳儍?nèi)力的方向正好相反。此外，鋼橫梁上剪力釘沿順橋向的徐變內(nèi)力較橫橋向大，表明在鋼縱梁和鋼橫梁上的剪力釘中，剪力釘在鋼梁軸線垂直的方向上的徐變內(nèi)力更大，這可能是彎橋特有的現(xiàn)象，由“彎扭耦合”效應(yīng)所導(dǎo)致。

圖4 外側(cè)鋼縱梁剪力釘徐變內(nèi)力分布Fig.4 Internal force distribution of shear nail creep of external steel beam

圖5 內(nèi)側(cè)鋼縱梁剪力釘徐變內(nèi)力分布Fig.5 Internal force distribution of shear nail creep of internal steel beam

圖6 橫截面剪力釘徐變內(nèi)力分布Fig.6 Internal force distribution of cross-section shear nail creep

2.2 剪力釘徐變滑移的空間分布

鋼-混組合結(jié)構(gòu)在混凝土板徐變影響下，剪力鍵發(fā)生變形導(dǎo)致混凝土板下緣與鋼梁上緣之間產(chǎn)生相對(duì)滑移[18]，對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響。為探究徐變影響下剪力釘滑移情況，提取全橋剪力釘成橋初期和成橋10年時(shí)的剪力釘滑移量，按照式(7)做出剪力釘橫橋向及順橋向徐變滑移量云圖(圖7、圖8)，直觀得出徐變影響下剪力釘?shù)幕魄闆r。

分析圖7和圖8可知：相比橫橋向而言，剪力釘沿順橋向的徐變滑移分布更加均勻、量值更小，同一剪力釘順橋向的徐變滑移量?jī)H為橫橋向徐變滑移量30%～50%。在鋼縱梁剪力釘沿橫橋向的徐變滑移量中，邊跨比中跨更大，滑移量極值出現(xiàn)在支點(diǎn)濕接縫附近鋼梁處剪力釘上，且濕接縫兩側(cè)滑移方向相反，這與徐變影響下剪力釘受力是一致。鋼橫梁上剪力釘以橋面板橫截面中線為界，在“彎扭耦合”效應(yīng)影響下，鋼橫梁橫截面中線內(nèi)、外側(cè)剪力釘滑移方向明顯相反，且剪力釘順橋向徐變滑移量極值出現(xiàn)于支點(diǎn)橫內(nèi)、外側(cè)剪力釘處。

圖7 徐變影響下剪力釘橫橋向徐變滑移量云圖Fig.7 Cloud image of shear nail cross-bridge creep under the influence of creep

圖8 徐變影響下剪力釘順橋向徐變滑移量云圖Fig.8 Cloud image of shear nail creep along the bridge under the influence of creep

綜上所述，剪力釘在橫橋向和順橋向的徐變滑移極值均出現(xiàn)在支點(diǎn)濕接縫附近，所不同的是，橫橋向滑移極值出現(xiàn)在鋼縱梁剪力釘上，而順橋向滑移極值出現(xiàn)在鋼橫梁內(nèi)、外側(cè)剪力釘上，故支點(diǎn)濕接縫的鋼縱梁及橫梁區(qū)域應(yīng)進(jìn)行剪力釘?shù)募用懿贾?，以保證橋面板與下部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3 徐變影響參數(shù)分析

3.1 徐變影響時(shí)間歷程分析

為探討剪力釘徐變內(nèi)力影響隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，選取齡期90 d橋面板分析濕接縫澆筑后的剪力釘徐變內(nèi)力，對(duì)比由混凝土板徐變引起的不同位置、不同時(shí)長(zhǎng)下剪力釘在橫橋向的徐變內(nèi)力(表2)?？梢钥闯觯夯炷涟逍熳儗?duì)剪力釘內(nèi)力的影響主要集中在成橋初期，特別是成橋第1年中；以外側(cè)鋼梁處剪力釘徐變內(nèi)力為例，其第1年最大徐變內(nèi)力值為8.618 kN，占到了成橋10年最大徐變內(nèi)力值11.201 kN的76.9%。隨著時(shí)間的推移，混凝土徐變發(fā)展趨于平緩，對(duì)剪力釘內(nèi)力的影響較小；第10年剪力釘橫橋向最大徐變內(nèi)力值僅為0.081 kN，僅占成橋10年最大徐變內(nèi)力值的0.7%，這充分說(shuō)明同類型橋梁考慮10年的混凝土徐變影響是完全可以滿足工程要求的。

表2 不同年份徐變引起剪力釘最大徐變內(nèi)力Table 2 Maximum creep internal force of shear nails caused by creep in different years

為進(jìn)一步明確剪力釘徐變內(nèi)力隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，選取受徐變影響較大的第2～3跨濕接縫截面(固定支座處)剪力釘，分析其成橋第1年中每30 d剪力釘橫橋向徐變內(nèi)力(圖9)。可以看出，即使在徐變發(fā)展迅速的第1年，不同月份內(nèi)剪力釘徐變內(nèi)力依然存在較大差異，混凝土板徐變影響主要集中在成橋初期前3個(gè)月，此期間最大徐變內(nèi)力為0.512 kN，占到了該截面剪力釘成橋1年最大徐變內(nèi)力0.608 kN的84.2%。

圖9 剪力釘橫橋向徐變內(nèi)力Fig.9 Internal force of shear nail creep in transverse directio

綜上，預(yù)制橋面板存放90 d后再進(jìn)行架設(shè)安裝，其徐變對(duì)剪力釘內(nèi)力影響仍然較大，且主要集中在成橋初期特別是前3個(gè)月，而后混凝土板徐變速率顯著下降但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。為防止局部剪力釘過(guò)載，造成橋面板與鋼梁之間滑移過(guò)大，建議將橋面板預(yù)制齡期延長(zhǎng)，并在存放期間維持較高濕度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以減少成橋期間混凝土板的徐變效應(yīng)。

3.2 不同加載齡期下預(yù)制板徐變效應(yīng)分析

隨著時(shí)間推移，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，強(qiáng)度不斷提高，徐變效應(yīng)也隨之減弱[19]；為了降低混凝土板徐變效應(yīng)對(duì)橋梁內(nèi)力、撓度等的影響，預(yù)制橋面板達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后還需放置養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后再進(jìn)行架設(shè)安裝。為探究不同存放齡期下預(yù)制橋面板徐變效應(yīng)對(duì)剪力釘內(nèi)力的影響，本文中對(duì)比了橋面板存放齡期為30、90、180、270 d時(shí)全橋剪力釘?shù)淖畲笮熳儍?nèi)力Qmax和最大徐變滑移量Smax；為使結(jié)果更具有普適性，使用剪力釘最大抗剪承載力Qu對(duì)徐變內(nèi)力進(jìn)行無(wú)量綱化，相關(guān)結(jié)果見表3。

可以看出，隨著橋面板齡期的增加，預(yù)制混凝土板徐變效應(yīng)對(duì)剪力釘內(nèi)力的影響也隨之減弱。以剪力釘橫橋向徐變內(nèi)力為例，預(yù)制齡期為30 d時(shí)，最大徐變內(nèi)力為13.470 kN，當(dāng)預(yù)制齡期增加到90 d時(shí)，最大徐變內(nèi)力為11.201 kN，減小的2.269 kN占預(yù)制齡期為30 d時(shí)最大徐變內(nèi)力的16.8%。當(dāng)預(yù)制混凝土板齡期增加到180、270 d時(shí)，與預(yù)制齡期為30 d時(shí)相比，其最大徐變內(nèi)力減小值為3.845、4.499 kN，分別占到了預(yù)制齡期為30 d時(shí)最大徐變內(nèi)力值的28.5%、33.4%。綜上，增加預(yù)制橋面板的齡期可顯著減小混凝土板徐變效應(yīng)對(duì)剪力釘內(nèi)力的影響，但隨著齡期的增加徐變效應(yīng)趨于平緩，考慮到存放預(yù)制混凝土板需要一定的時(shí)間及空間成本，綜合經(jīng)濟(jì)性角度，推薦鋼-混組合梁橋的預(yù)制橋面板養(yǎng)護(hù)180 d，可在減小徐變效應(yīng)的同時(shí)兼顧成本。

表3 不同預(yù)制齡期橋面板下剪力釘?shù)氖芰π袨門able 3 Stress behavior of shear nails in bridge deck of different prefabricated ages

4 結(jié)論

(1)考慮施工階段的鋼-混組合梁橋，鋼縱梁處剪力釘橫橋向徐變內(nèi)力大約為順橋向的2.0倍；與鋼縱梁不同，位于鋼橫梁橫截面兩側(cè)的剪力釘順橋向徐變內(nèi)力僅為橫橋向的20%～40%。鋼縱梁上剪力釘徐變內(nèi)力由每跨跨中向兩側(cè)支點(diǎn)逐漸增大，且受現(xiàn)澆濕接縫的影響，徐變內(nèi)力峰值多出現(xiàn)于支點(diǎn)濕接縫位置；鋼橫梁剪力釘徐變內(nèi)力則由橫截面中線向兩側(cè)逐漸增大，且受彎橋“彎扭耦合”效應(yīng)影響，鋼橫梁橫截面中線內(nèi)、外側(cè)剪力釘?shù)男熳儍?nèi)力方向相反。

(2)混凝土板徐變效應(yīng)導(dǎo)致的剪力釘滑移中，沿順橋向的徐變滑移空間分布更為均勻，其滑移量?jī)H為橫橋向滑移量30%～50%。在剪力釘橫橋向徐變滑移中，鋼縱梁剪力釘滑移量明顯大于鋼橫梁剪力釘，鋼縱梁處剪力釘徐變滑移量由每跨跨中向支點(diǎn)兩側(cè)逐漸增大，滑移量極值出現(xiàn)于跨間支點(diǎn)濕接縫附近鋼梁上。受“彎扭耦合”影響，鋼橫梁剪力釘內(nèi)、外側(cè)徐變滑移量數(shù)值相差不大但滑移方向相反，內(nèi)側(cè)區(qū)域剪力釘“向內(nèi)”滑移而外側(cè)區(qū)域剪力釘“向外”滑移。跨間支點(diǎn)濕接縫鋼橫梁剪力釘徐變滑移量顯著大于跨中鋼橫梁剪力釘，全橋順橋向徐變滑移量極值出現(xiàn)于跨間支點(diǎn)濕接縫橫梁上。

(3)混凝土板徐變效應(yīng)對(duì)剪力釘內(nèi)力的影響主要在成橋初期，特別是成橋3個(gè)月內(nèi)的徐變內(nèi)力可占到成橋10年剪力釘徐變內(nèi)力的84.2%，成橋3個(gè)月后混凝土板徐變效應(yīng)對(duì)剪力釘內(nèi)力影響較小但持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，成橋10年后混凝土板徐變效應(yīng)對(duì)剪力釘內(nèi)力影響微弱，可不再計(jì)入。增加預(yù)制橋面板加載齡期可顯著降低徐變效應(yīng)對(duì)剪力釘內(nèi)力的影響，但這種下降趨勢(shì)隨齡期的增加而逐漸減弱，經(jīng)對(duì)比兼經(jīng)濟(jì)性角度，推薦預(yù)制板存梁180 d并考慮10年的徐變效應(yīng)，可滿足工程實(shí)際要求。