構(gòu)造參數(shù)對新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)抗剪承載力的影響規(guī)律

■陳 榕 劉佑偉 胡夢涵 肖澤榮 陳冠華

（1.福建承昌建設(shè)工程有限公司，廈門 361008；2.廈門市政集團有限公司，廈門 361008；3.北京建筑大學(xué)，北京 102616；4.福州市規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司，福州 350108）

裝配式橋面結(jié)構(gòu)在新橋快速建造與舊橋改造工程等方面具有重大工程應(yīng)用需求，以其具有質(zhì)量可控[1]，全壽命費用低[2]，現(xiàn)場安裝速度快，減少交通擁堵時間，人力成本低等顯著優(yōu)勢逐漸受到學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注[3]。 裝配式橋面結(jié)構(gòu)的接縫是最易出現(xiàn)病害的部位，長期遭受車輛荷載、自然荷載、環(huán)境侵蝕等作用，服役期間常出現(xiàn)性能退化問題，很大程度上決定橋面結(jié)構(gòu)的使用壽命[4]。 從結(jié)構(gòu)角度而言，接縫處剛度和構(gòu)造不連續(xù)，在荷載作用下易最先出現(xiàn)開裂滲水等問題； 從材料角度而言，橋梁中大量采用的鋼筋和混凝土材料本身存在耐腐蝕性較差的缺陷，加上接縫處開裂較早，更使橋面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性以及壽命急劇下降。 為了推進交通基礎(chǔ)設(shè)施的工業(yè)化進程，必須提高橋面結(jié)構(gòu)連接部位的力學(xué)性能與耐久性。 一些學(xué)者提出預(yù)埋焊接栓釘濕接縫[5]，將預(yù)埋鋼板進行焊接，再在預(yù)留孔澆筑灌漿料。 該種接縫現(xiàn)場澆筑量小，施工便捷，受施工環(huán)境影響較小。 局部預(yù)應(yīng)力筋濕接縫[6]是僅在濕接縫附近范圍內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，不僅節(jié)省材料成本，施工便利，而且可以實現(xiàn)后期局部更換受損橋面板。

裝配式橋面結(jié)構(gòu)接縫處灌漿料失效和預(yù)應(yīng)力筋銹蝕是制約裝配式橋面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和耐久性的主要因素[7]。 一些學(xué)者提出將高性能材料合理地應(yīng)用于接縫處為提高裝配式橋面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提供潛在解決方案。 如超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）和纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）。 UHPC 是使用硅灰和纖維，不使用粗骨料的一種新型水泥基復(fù)合材料。 與普通混凝土相比，UHPC 具有抗壓強度高、抗拉強度高、耐久性強和抗疲勞性能優(yōu)越等優(yōu)點。 FRP 材料在強酸、強堿等不利環(huán)境下仍具有優(yōu)良的耐久性，且其具有低生產(chǎn)能耗和可預(yù)制裝配的特點，符合橋梁工程綠色發(fā)展的要求。 超高強鋼筋能夠顯著降低構(gòu)件中鋼筋的數(shù)量，減少材料成本，為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來極大的經(jīng)濟效益。 如何優(yōu)化裝配式橋面結(jié)構(gòu)接縫處的構(gòu)造形式以加快施工進程，并提高其力學(xué)性能和耐久性，是橋梁工程人員迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，已得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。 本文對提出的新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造形式的影響參數(shù)和規(guī)律進行研究，分析不同構(gòu)造參數(shù)對新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)抗剪承載力的影響，為新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用提供參考。

1 模型建立

預(yù)埋焊接栓釘濕接縫的抗剪性能優(yōu)越，局部施加預(yù)應(yīng)力濕接縫的抗彎性能突出，將2 種濕接縫構(gòu)造形式結(jié)合，提出一種新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)連接方式[7]，如圖1 所示。 該種裝配式橋面結(jié)構(gòu)連接方式能夠同時具有較高的抗彎和抗剪性能。 高性能材料（UHPC 和FRP 筋）的使用不僅降低現(xiàn)場澆筑量，還能提高預(yù)制拼裝橋面板的力學(xué)性能和耐久性；弧形FRP 筋的使用能夠便于后期局部加固補強受損橋面板。 基于提出的新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)連接方式，采用ABAQUS 有限元軟件，驗證其在剪切荷載作用下有效性和合理性。 隨后，開展不同構(gòu)造參數(shù)對其抗剪承載力影響規(guī)律研究。

圖1 新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)連接方式

1.1 單元選取及材料本構(gòu)

新型預(yù)制拼裝橋面板的模型中混凝土采用C3D8R（三維實體線性減縮積分）單元；鋼筋與預(yù)應(yīng)力筋均采用Truss（桁架）單元；加載板、支座、栓釘和鋼墊板均采用C3D8R（三維實體線性減縮積分）單元。

1.1.1 混凝土本構(gòu)

ABAQUS 中主要有3 種混凝土本構(gòu)模型：（1）混凝土彌散開裂模型；（2）混凝土開裂模型；（3）混凝土損傷塑性模型。 本文普通強度混凝土和超高性能混凝土本構(gòu)均采用混凝土損傷塑性模型（Concrete Damaged Plasticity Model）。普通強度混凝土單調(diào)受壓和受拉的應(yīng)力—應(yīng)變曲線根據(jù)GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》確定。 普通混凝土損傷塑性模型參數(shù)如表1 所示。 UHPC 單調(diào)受壓的應(yīng)力—應(yīng)變曲線根據(jù)焦楚杰[8]鋼纖維混凝土受壓本構(gòu)確定。UHPC 混凝土損傷塑性模型參數(shù)如表2 所示[9]。單調(diào)受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線按照單調(diào)拉伸試驗[10]確定?；炷翐p傷塑性模型的其他參數(shù)按照《ABAQUS 幫助文檔》取值。

表1 普通強度混凝土損傷塑性模型參數(shù)

表2 UHPC 混凝土損傷塑性模型參數(shù)

1.1.2 鋼筋、鋼材本構(gòu)

鋼筋、鋼材本構(gòu)均根據(jù)材性試驗結(jié)果采用理想彈塑性模型進行建模。

1.1.3 CFRP 筋本構(gòu)

根據(jù)試驗結(jié)果，CFRP 筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為彈性，采用理想彈性材料的本構(gòu)關(guān)系進行建模。

1.2 邊界條件和接觸類型

試件的2 個支座處采用簡支邊界條件，普通混凝土與普通混凝土、UHPC 和普通混凝土、UHPC 和鋼板之間的相互作用均采用表面與表面接觸來模擬接觸問題。 接觸的屬性包括切向行為和法向行為。 法向行為采用硬接觸；切向行為采用罰摩擦模擬接觸面之間的摩擦特性。 根據(jù)相關(guān)文獻[11-12]和工程經(jīng)驗，摩擦系數(shù)取0.6。

根據(jù)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)埋栓釘失效時周圍混凝土開裂，栓釘桿受力并不大，直接將栓釘桿埋入（embeded）的方式嵌入混凝土并不合理。 為了提高模型的收斂性，將栓釘建成實體單元，栓釘與混凝土直接的相互作用僅設(shè)置在栓釘頭與混凝土接觸位置[13-14]，采用表面與表面接觸來模擬接觸問題。 法向行為采用硬接觸；切向行為采用罰摩擦模擬接觸面之間的摩擦特性。 根據(jù)相關(guān)文獻[15]和模型收斂性考慮，摩擦系數(shù)取0.1。 鋼筋和有粘結(jié)CFRP 預(yù)應(yīng)力筋均采用埋入（embeded）的方式嵌入混凝土。 預(yù)埋栓釘?shù)匿摪迮c焊接鋼棒之間采用焊接連接形式，因此采用綁定約束（Tie）進行模擬。

1.3 加載方式

預(yù)應(yīng)力筋荷載：直接在預(yù)應(yīng)力筋的桁架單元上施加預(yù)應(yīng)力。 采用位移控制的加載方式加載到目標(biāo)位移，在試件頂部放置加載板，在加載板中間位置施加荷載，加載點與加載板耦合，更真實地模擬試驗中的加載方式。 ABAQUS 有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

2 結(jié)果與討論

2.1 力—位移曲線

有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果[16]對比如圖3 所示?？梢钥闯觯?有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，各個試件模擬結(jié)果的初始剛度和位移也與試驗結(jié)果接近。 試件S1、S2、S3 和S4 模擬的極限荷載與試驗得到的極限荷載的差距分別為2.4%、1.9%、10%和3.2%，誤差平均值為4.4%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.038。 因此，本文數(shù)值模擬方法可以描述其剪切行為，預(yù)測新型橋面板的抗剪承載力。 下面針對新型預(yù)制拼裝橋面板構(gòu)件的普通鋼筋、混凝土、預(yù)埋焊接栓釘和預(yù)應(yīng)力筋的受力情況進行簡述。 由于篇幅限制，僅以試件S1 進行分析對比。

圖3 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2.2 普通鋼筋

新型預(yù)制拼裝橋面板（S1）在達到極限荷載時普通鋼筋應(yīng)力云圖如圖4 所示。 在達到極限荷載狀態(tài)時，靠近接縫位置的鋼筋受力最大，所有鋼筋均不發(fā)生屈服， 和試驗得到的普通鋼筋應(yīng)力狀態(tài)一致。 說明新型預(yù)制拼裝橋面板在剪切荷載作用下主要靠接縫處構(gòu)件承擔(dān)外部荷載。

圖4 鋼筋Mises 應(yīng)力云圖

2.3 混凝土

新型預(yù)制拼裝橋面板（S1）側(cè)面接縫處混凝土在達到極限荷載狀態(tài)下應(yīng)變云圖如圖5 所示?？梢钥闯鲋饕墙涌p處混凝土破壞嚴(yán)重，從加載點到支座形成受剪斜裂縫。 數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致。

圖5 混凝土應(yīng)變云圖

2.4 預(yù)埋焊接栓釘

新型預(yù)制拼裝橋面板（S1）預(yù)埋焊接栓釘?shù)乃ㄡ敆U中部應(yīng)力與剪力的關(guān)系如圖6 所示，在底部裂縫形成之前（400 kN），栓釘受力小，應(yīng)力幾乎為0；在底部接縫處形成貫通裂縫后栓釘應(yīng)力隨剪力開始增大，直到達到最大荷載時，預(yù)埋焊接栓釘也沒有發(fā)生屈服。 因此，數(shù)值分析得到的栓釘應(yīng)力增大趨勢和試驗中采集到的剪力—應(yīng)力曲線吻合良好，較好預(yù)測預(yù)埋栓釘?shù)氖芰顟B(tài)。

圖6 剪力—預(yù)埋焊接栓釘應(yīng)力曲線

2.5 預(yù)應(yīng)力筋

新型預(yù)制拼裝橋面板（S1）CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的中部應(yīng)力與剪力的關(guān)系如圖7 所示，在底部裂縫形成之前（400 kN），CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的受力小，應(yīng)力幾乎為0； 在底部接縫處形成貫通裂縫后CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力隨剪力開始逐漸增大，在試件達到極限荷載時CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力達到大約1750 MPa，僅達到CFRP 預(yù)應(yīng)力筋極限應(yīng)力的70%。 由CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力云圖可以看出CFRP 預(yù)應(yīng)力筋并不是全長均勻受力， 而是預(yù)應(yīng)力筋中部受力最大，向兩側(cè)逐漸減少。 數(shù)值分析得到的CFRP 預(yù)應(yīng)力筋中部應(yīng)力增大趨勢和試驗中采集到的剪力—應(yīng)力曲線吻合良好，較好預(yù)測CFRP 預(yù)應(yīng)力筋的受力狀態(tài)。

圖7 剪力—預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力曲線

3 參數(shù)分析

通過數(shù)值模擬得到的結(jié)果與試驗結(jié)果對比驗證新型預(yù)制拼裝橋面板建模的正確性和有效性。 為了分析不同UHPC 強度、初始預(yù)應(yīng)力張拉值、混凝土強度與錨固區(qū)間距對新型預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力的影響， 以試件S1 為例采用數(shù)值模擬的方法對其進行參數(shù)分析，即在保持其他構(gòu)造和建模方法不變的情況下，僅改變UHPC 強度、初始預(yù)應(yīng)力張拉值、混凝土強度與錨固區(qū)間距分別研究這些參數(shù)對抗剪性能的影響。

3.1 UHPC 強度

改變UHPC 灌漿料強度， 其他設(shè)計參數(shù)不變，分 別 采 用UHPC 強 度 為122.7 MPa、140 MPa 和160 MPa， 分析UHPC 強度對新型預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力的影響。 從圖8 可看出：改變UHPC 強度得到的預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力變化不大，因此后澆段UHPC 強度對抗剪承載力影響不明顯。

圖8 不同UHPC 強度對抗剪性能的影響

3.2 張拉控制應(yīng)力

通過改變預(yù)應(yīng)力筋張拉的初始應(yīng)力實現(xiàn)張拉值的改變，而預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量和位置不變，其他參數(shù)不變。 分別采用張拉控制應(yīng)力值為600 MPa、850 MPa、1000 MPa 和1200 MPa， 分析張拉控制應(yīng)力值對新型預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力的影響。從圖9 可看出：張拉控制應(yīng)力值對新型預(yù)制拼裝橋面板的初始剛度影響不大，而對于底部接縫處形成貫通裂縫對應(yīng)的荷載影響明顯，繼而對極限抗剪承載力影響明顯。 此外，隨著張拉控制應(yīng)力值的增大，新型預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力基本呈現(xiàn)線性增長趨勢。 因此，在安全儲備范圍內(nèi)，提高張拉控制應(yīng)力值可提高新型預(yù)制拼裝橋面板的抗剪承載力。

圖9 張拉控制應(yīng)力值對抗剪性能的影響

3.3 混凝土強度

改變混凝土強度，其他設(shè)計參數(shù)不變，分別采用混凝土強度為30 MPa、40 MPa 和50 MPa， 分析混凝土強度對新型預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力的影響。 從圖10 可看出：隨著混凝土強度增大，新型預(yù)制拼裝橋面板的抗剪承載力逐漸增大，基本呈線性變化，但是混凝土強度的影響并沒有初始預(yù)應(yīng)力張拉值影響顯著。

圖10 混凝土強度對抗剪性能的影響

3.4 混凝土強度錨固區(qū)間距

改變預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)間距，其他設(shè)計參數(shù)不變，分別采用錨固區(qū)間距為700 mm、1000 mm、1400 mm、1800 mm 和全長張拉預(yù)應(yīng)力筋，分析錨固區(qū)間距對新型預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力的影響。 錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力筋與水平方向的夾角θp與錨固區(qū)間距Ld的關(guān)系可以通過式（1）表示。 因此，錨固區(qū)間距為700 mm、1000 mm、1400 mm1800 mm 和全長張拉預(yù)應(yīng)力筋對應(yīng)的夾角θp分別為13.04°、 9.15°、 6.54°、5.09°和0°。

式中，Ld是弦長，也就是彎曲預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)間距，R 是彎曲預(yù)應(yīng)力筋對應(yīng)的圓周的半徑。

圖11 中圓點代表隨夾角θp變化得到的預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力。 通過數(shù)值分析結(jié)果可以看出：當(dāng)錨固區(qū)間距≥1400 mm（θp≤6.54°），抗剪承載力基本保持不變；當(dāng)錨固區(qū)間距＜1400 mm（θp＞6.54°），抗剪承載力隨著錨固區(qū)間距的減小而降低。

圖11 錨固區(qū)間距對抗剪性能的影響

4 結(jié)語

本文針對提出的新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)連接方式，采用數(shù)值分析的方法分析不同構(gòu)造參數(shù)對新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律， 得到如下主要結(jié)論：（1）采用新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)連接方式的數(shù)值分析方法得到的極限荷載與試驗結(jié)果的誤差平均值為4.4%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.038。 因此，提出的數(shù)值分析方法可以模擬其在剪切荷載作用下的受力全過程，預(yù)測CFRP 預(yù)應(yīng)力筋、預(yù)埋焊接栓釘、普通鋼筋的受力狀態(tài)；（2）對于新型裝配式橋面結(jié)構(gòu)連接方式，UHPC強度對抗剪承載力的影響不明顯；隨著混凝土強度增大，抗剪強度呈現(xiàn)增大的趨勢。 這是由于預(yù)制拼裝橋面板最終破壞發(fā)生在普通混凝土而非UHPC；（3）隨著張拉控制應(yīng)力值的增大，新型預(yù)制拼裝橋面板抗剪承載力基本呈線性增長趨勢。 因此，在安全儲備范圍內(nèi)，提高張拉控制應(yīng)力值可提高新型預(yù)制拼裝橋面板的抗剪承載力；（4）當(dāng)錨固區(qū)間距≥1400 mm（θp≤6.54°），抗剪承載力基本保持不變；當(dāng)錨固區(qū)間距＜1400mm（θp＞6.54°），抗剪承載力隨著錨固區(qū)間距的減小而降低。