某新型棧橋輕質(zhì)底板豎向承載力性能試驗研究與有限元分析

白松

河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，中國·河北 邯鄲 056038

1 引言

工業(yè)建筑領(lǐng)域中棧橋作為一種重要的結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)代化發(fā)展過程中，鋼結(jié)構(gòu)棧橋更是以較多優(yōu)勢廣泛應(yīng)用在大跨度棧橋建設(shè)中，特別是在高度為15-20 米的棧橋建設(shè)中，應(yīng)用廣泛，其優(yōu)勢主要包括有結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量輕、施工周期短、抗震性能好、整體性好、材料強度高以及造價低。目前，這種鋼結(jié)構(gòu)棧橋正逐漸向著高、大以及重的方向進(jìn)行發(fā)展[1]。

模塊式輸煤鋼棧橋底板一般為壓型鋼板—混凝土組合底板或KST 板。混凝土底板強度高、剛度大，安全儲備高，但是其自重大，增加整個棧橋的用鋼量[2]；KST 板自重輕，便于安裝，但是自身剛度小，在水平荷載作用下，易變形破壞[3]。因此，研發(fā)模塊化鋼棧橋新型輕質(zhì)底板具有重要現(xiàn)實意義。

本課題組研發(fā)出了一種適用于成套式模塊棧橋的一體化輕質(zhì)底板（下文簡稱“底板”）。其主要由C 型鋼組合成型鋼骨架，中間填充泡沫混凝土而形成泡沫混凝土輕質(zhì)底板。與壓型鋼板—混凝土組合樓板比，自重較輕；較KST 板，具有良好的力學(xué)性能（抗彎、抗剪及變形能力）可以取代棧橋的底部斜撐，降低用鋼量，同時具有良好防水、耐磨性能。通過試驗研究，表明該新型一體化底板可以滿足作為成套式模塊棧橋底板的各項技術(shù)要求，能夠運用于實際工程當(dāng)中。

2 試驗概況

第一階段主要包含型鋼骨架研究和完成發(fā)泡混凝土填充的一體化輕質(zhì)底板研究兩部分。型鋼骨架研究部分研究，分析了型鋼骨架的側(cè)向剛度；在一體化輕質(zhì)底板研究部分，將型鋼骨架包裹泡沫混凝土澆筑成底板（泡沫混凝土強度、容重），論文主要對底板的抗彎性能、豎向剛度進(jìn)行研究。

2.1 支撐形式

跨中設(shè)置一道角鋼連桿，分別在邊兩跨設(shè)置“K”字形斜支撐。支撐采用L50×5 角鋼。

2.2 輕質(zhì)底板試驗

選用C100×50×20×2.5 的C 型鋼組成型鋼骨架，型鋼骨架支撐方式為“人”字形。型鋼骨架空隙由100mm 厚泡沫混凝土填充，容重控制在600kg/m3左右，實測強度1.2～1.3MPa。泡沫混凝土填充層中，部分區(qū)域添加防水劑，用于增強防水效果。

上面層為20mm 厚聚合物水泥砂漿面層，起耐磨防水作用。部分區(qū)域中添加有防水劑，改善輕質(zhì)一體化板抗?jié)B性能，并用于后期試驗中對比面層的抗?jié)B性能。下面層沿板底3.6m 方向1/2 面積做10mm 厚砂漿保護(hù)層，另1/2 面積直接用泡沫混凝土代替10mm 厚保護(hù)層。泡沫混凝土層與上面層之間設(shè)置ф3@100 鐵絲網(wǎng)片，泡沫混凝土層與下面層設(shè)置ф3@100 鋼絲網(wǎng)片。

采用鋼板及其他配重塊加載法加載，設(shè)計荷載為50kN(4.63KN/m2)，標(biāo)準(zhǔn)荷載為30kN(2.78KN/m2)。正式加載，共分為8 級，前兩級分別加載設(shè)計荷載的1/5，即每級荷載10kN(0.93KN/m2)，自第三級開始，每級加載設(shè)計荷載的1/10，即每級荷載5kN(0.46KN/m2)。

測試儀表為精密百分表或位移計，構(gòu)件處共布置11 個撓度測點，分別布置在板的兩邊跨，各布置3 個測點，板中間沿跨度方向布置5 個測點。其中，中心測點均布置在下表面，與支座搭接處測點均布置在上表面。在靜載試驗中分別測試各級荷載作用下底板測點的撓度變化情況。除此之外，單獨在支座處設(shè)置位移監(jiān)測點，在觀察底板的撓度變化時，考慮支座處的變形。

撓度分析：在各級荷載下，底板荷載與撓度基本呈線性關(guān)系，撓度最大位置為跨中，最大撓度值為5.34mm，加載至底板設(shè)計荷載時，底板大致處于彈性工作階段。

3 有限元模型的建立與撓度變形的分析

3.1 有限元模型材料及截面參數(shù)

定義冷彎薄壁型鋼材料為鋼材，根據(jù)規(guī)范JGJ138—2016《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定規(guī)格為Q235，材料彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，線膨脹系數(shù)1.2×10-5，容重78.50kN/m3。

根據(jù)泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程（JGJ/T341—2014）自定義泡沫混凝土各個物理參數(shù)分別為：泊松比0.2，線膨脹系數(shù)8×10-6，容重實測6kN/m3，以線性回歸公式可估算出彈性模量1.68×102MPa。

定義截面特性：冷彎薄壁型鋼為卷邊冷軋槽型（C100×50×20×2.5），支撐為角鋼（L50×5；L40×4）。使用殼單元模擬，使計算結(jié)果更易收斂，構(gòu)件使用合并命令結(jié)合為一整體，模擬焊接；泡沫混凝土底板用實體單元建立（截面3600mm×2980mm×130mm）。型鋼本構(gòu)方程[4]和泡沫混凝土本構(gòu)方程[5]根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范選用。

3.2 底板在豎向荷載作用下的有限元分析

3.2.1 豎向荷載作用下底板受力性能分析

按照之前試驗中的加載制度設(shè)定分析步，分別計算底板模型在每一級豎向荷載下的應(yīng)力與應(yīng)變。對豎向荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變云圖進(jìn)行觀察，可得出底板發(fā)生了豎向變形，對比每一級加載后的裂縫圖，發(fā)現(xiàn)裂縫首先出現(xiàn)在第五級加載時底板中部應(yīng)變最大處，利用有限元模擬，可以算出應(yīng)力約為0.45MPa 時，底板片泡沫混凝土開始開裂。

3.2.2 豎向荷載作用下底板的變形分析

底板構(gòu)件中在第八集加載下的最大撓度為3.1mm，考慮長期效應(yīng)后撓度為4.96mm，小于允許撓度14.9mm（l0/200），滿足規(guī)范要求。

根據(jù)有限元模擬出的數(shù)據(jù)與試驗得出的的曲線做比較，發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的兩條曲線近似成比例，中部為1.72，東西部為2.98。

中部與兩側(cè)比例不同，可能是由于實際試驗中鋼骨架中兩側(cè)角鋼與C 型鋼沒有很好的焊接在一起導(dǎo)致。

為了驗證猜想的正確性，在Abaqus 中將兩側(cè)角鋼（L40）刪去，其余條件不變，重新進(jìn)行有限元計算分析，結(jié)果顯示對應(yīng)的兩條曲線的比例，中部為1.61，東西部為2.28。與實驗結(jié)果更加貼近，可知實際試驗中角鋼與C 型鋼并沒有實現(xiàn)很好的連接。

4 結(jié)語

論文對底板的受力性能進(jìn)行了有限元分析，結(jié)論如下：

①輕質(zhì)底板有很好的抗彎承載力性能，滿足規(guī)范要求，可以用于實際工程使用。

②有限元可以很好的模擬底板在受力時的工作性能，可以通過有限元模擬與實際試驗結(jié)果對比來分析試驗中的不足和可改進(jìn)的地方，進(jìn)而為接下來的試驗及應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。