膠接縫厚度對(duì)混凝土預(yù)制節(jié)段梁受力性能的影響分析

蔡?hào)|波,胡 靜,程 高,張 寧

(1. 中交一公局第七工程有限公司, 河南 鄭州 451452;2. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院 ,陜西 西安 710064;3. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng)712100)

0 引 言

混凝土節(jié)段預(yù)制拼裝是將混凝土主梁沿縱橋向劃分為若個(gè)節(jié)段,采用短線或長(zhǎng)線法預(yù)制后,運(yùn)至橋位借助于橋面吊機(jī)、架橋機(jī)等特殊裝備完成拼裝,施加預(yù)應(yīng)力,從而使各個(gè)節(jié)段連接形成整體[1]。節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)具有混凝土收縮徐變小、施工速度快、現(xiàn)場(chǎng)施工濕作業(yè)量小、工業(yè)化程度高等優(yōu)勢(shì)[2],在福建洪塘大橋、廣州地鐵四號(hào)線、蘇通大橋引橋、崇啟大橋引橋、南京長(zhǎng)江四橋引橋、蕪湖長(zhǎng)江二橋引橋、嘉魚(yú)長(zhǎng)江大橋引橋、鄭州四環(huán)線等重大工程中廣泛應(yīng)用。

接縫構(gòu)造在節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁結(jié)構(gòu)中起著重要作用,亦是結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié),接縫的受力性能是此類(lèi)結(jié)構(gòu)研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。受節(jié)段端面表層剝落、接縫膠涂裝厚度不均勻、擠膠應(yīng)力不均勻及節(jié)段膠接誤差等影響,預(yù)制節(jié)段梁懸拼過(guò)程中容易出現(xiàn)不等厚度的膠接縫的問(wèn)題[3];汪雙炎[4]以主跨96 m石長(zhǎng)線湘江鐵路橋主橋節(jié)段間剪力鍵受力性能研究為例,開(kāi)展了1比4的多剪力鍵干接模型試驗(yàn)研究,指出剪力鍵受力不均勻,與鍵齒數(shù)目有關(guān);O.BUYUKOZTURK等[5]開(kāi)展了不同環(huán)氧樹(shù)脂膠接接縫厚度的節(jié)段預(yù)制橋梁接縫抗剪模型試驗(yàn),得出膠接縫厚度對(duì)接縫的抗剪剛度和強(qiáng)度影響不大的研究;J.TURMO等[6]進(jìn)行了膠接縫厚度分別為1、2、3 mm的三鍵齒接縫試件的抗剪性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)3 mm膠接試件的抗剪強(qiáng)度和剛度稍低;姜海波等[7]、JIANG Haibo等[8]進(jìn)行了不同鍵齒數(shù)目的預(yù)制節(jié)段干接簡(jiǎn)支梁抗剪性能試驗(yàn),提出接縫是控制梁抗剪承載力的主要因素,但接縫數(shù)量對(duì)節(jié)段梁抗承載的影響不顯著;馮家輝等[9]進(jìn)行了預(yù)制節(jié)段混凝土干接縫抗剪性能的尺寸效應(yīng)探究,發(fā)現(xiàn)試件尺寸及正應(yīng)力影響接縫的極限抗剪強(qiáng)度?？梢?jiàn),膠接縫的抗剪性能除與剪力鍵的材料特性、截面面積有關(guān),也受鍵齒數(shù)目、正應(yīng)力、尺寸、膠接縫厚度等影響。

與膠接縫抗剪縮尺模型相比,混凝土預(yù)制節(jié)段梁橋的抗剪能力不僅與剪力鍵的構(gòu)造有關(guān),也與主梁受力模式有關(guān)。頂板內(nèi)剪力鍵抵抗車(chē)輪局部荷載,而腹板內(nèi)剪力鍵抗剪,且沿腹板高度剪應(yīng)力分布不均勻,底板用于節(jié)段定位,頂板、底板及腹板的體內(nèi)、體外預(yù)應(yīng)力提供了節(jié)段梁正應(yīng)力。為此,筆者擬以混凝土預(yù)制節(jié)段梁足尺模型為研究對(duì)象,依托某大跨節(jié)段預(yù)制梁橋,采用有限元軟件ABQUS,將桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算的主梁內(nèi)力作為初始荷載條件,分析膠接縫厚度在車(chē)輛輪壓荷載、最不利剪力作用下節(jié)段梁的受力特征與膠接縫形式的關(guān)系。

1 膠接縫厚度統(tǒng)計(jì)分析

CJJT 111—2006《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁預(yù)制節(jié)段逐跨拼裝施工技術(shù)規(guī)程》[10]對(duì)膠接縫厚度限值進(jìn)行了相關(guān)約定,受節(jié)段端面表層剝落、接縫膠涂裝厚度不均勻、擠膠應(yīng)力不均勻及節(jié)段拼裝誤差等影響,膠接縫在同一接縫內(nèi)厚度離散性仍然較大,而現(xiàn)行規(guī)程未約定膠接縫厚度極值、均值,不能很好指導(dǎo)工程的質(zhì)量控制。因預(yù)制節(jié)段梁安裝線形調(diào)整難度大,諸多工程通過(guò)施加楔形墊調(diào)整線形,導(dǎo)致接縫厚度出現(xiàn)人為偏差。根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,膠接縫厚度基本處于0.5～8 mm,如圖1。

圖1 膠接縫厚度取樣Fig. 1 Sampling of epoxy joint thickness

2 節(jié)段梁有限元建模

剪力鍵按照分布部位可分為腹板內(nèi)剪力鍵、頂板內(nèi)剪力鍵和底板內(nèi)剪力鍵,如圖2。腹板內(nèi)剪力鍵一般由多個(gè)矩形鍵塊(槽)組成,主要承受與傳遞接縫截面的剪力。頂板內(nèi)剪力鍵主要用于傳遞接縫位置車(chē)輪荷載引起的剪力,底板內(nèi)剪力鍵協(xié)助節(jié)段拼裝鑲嵌對(duì)接定位。為全面掌握節(jié)段梁的受力特性,采用實(shí)體單元模型模擬上述剪力鍵(槽),如圖3。

圖2 節(jié)段剪力鍵(鍵槽)布置示意Fig. 2 Layout of shear keys (keyway) in segments

圖3 節(jié)段梁足尺模型Fig. 3 Full-size model of section beam

為得到最不利荷載條件下節(jié)段應(yīng)力分布,先建立全橋桿系結(jié)構(gòu)有限元模型,進(jìn)行施工階段、成橋后正常使用極限狀態(tài)下和承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算,得到支點(diǎn)附近截面的軸力、剪力及彎矩,并以此作為節(jié)段實(shí)體有限元模型的初始荷載條件。

為分析膠接縫厚度對(duì)節(jié)段梁抗剪剛度、抗剪承載力及車(chē)輪荷載作用下接縫處橋面承壓剛度的影響特征,筆者設(shè)計(jì)了3類(lèi)共10個(gè)有限元計(jì)算模型,各模型的荷載及邊界條件如圖4和表1。其中模型① 用于評(píng)價(jià)膠接縫厚度對(duì)混凝土箱梁頂板局部承壓剛度的影響,模型② 用于評(píng)價(jià)無(wú)截面正應(yīng)力時(shí)拼接膠接縫厚度對(duì)節(jié)段梁抗剪性能影響,模型③ 評(píng)價(jià)膠接縫厚度對(duì)主梁在施工及運(yùn)營(yíng)階段工作性能的影響。車(chē)輪荷載按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》車(chē)輛荷載及輪胎著地面積取值。接縫參數(shù)設(shè)計(jì)中增加了干接縫、濕接縫模型,以對(duì)比分析膠接縫厚度對(duì)節(jié)段梁受力性能的影響。

表1 計(jì)算模型說(shuō)明

圖4 荷載及邊界條件Fig. 4 Load and boundary conditions

實(shí)體有限元模型采用有限元軟件ABAQUS,模型中考慮了材料非線性和幾何非線性。混凝土采用無(wú)縮減積分實(shí)體單元,鋼筋采用三維桁架單元,采用“內(nèi)置區(qū)域”命令嵌入混凝土實(shí)體單元中。網(wǎng)絡(luò)劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分與自由網(wǎng)格劃分相結(jié)合技術(shù)。膠接縫采用實(shí)體單元模擬。節(jié)段梁剪力鍵為素混凝土,經(jīng)驗(yàn)證計(jì)入鋼筋與否對(duì)結(jié)果幾乎無(wú)影響,模型中不再考慮鋼筋。混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為C60,其本構(gòu)關(guān)系采用ABAQUS軟件提供的混凝土損傷模型,混凝土單軸受壓模型、混凝土單軸受拉模型及相應(yīng)的損傷模型均采用GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)變-損傷因子關(guān)系?；炷凛S心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c、軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t、彈性模量Ec及泊松比c取值依據(jù)規(guī)范取值。目前,還沒(méi)有拼接膠塑性損傷本構(gòu)關(guān)系,故暫采用彈性本構(gòu)模型模擬膠接材料特性,彈性模量取為C60混凝土的1/10。施加節(jié)段梁縱向力以代替縱向預(yù)應(yīng)力作用。按照循序漸進(jìn)的建模方法,從單鍵齒到節(jié)段模型,從局部承壓到全截面受力,從截面無(wú)正應(yīng)力到壓彎剪共同作用,有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有模型試驗(yàn)、材料力學(xué)估算結(jié)果接近,驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性。

3 結(jié)果分析

3.1 車(chē)輛輪壓作用下節(jié)段模型局部承壓計(jì)算

圖5和圖6給出車(chē)輛輪壓作用下節(jié)段模型的應(yīng)力及變形云圖。由圖5可知,車(chē)輛輪壓荷載節(jié)段的主應(yīng)力分布規(guī)律基本一致,主應(yīng)力水平稍有不同。濕接、干接、3 mm厚膠接、8 mm厚膠接模型的應(yīng)力峰值分別為4.6、7.6、8.0、8.1 MPa,濕接縫應(yīng)力最低,干接、3 mm厚膠接、8 mm厚膠接模型的應(yīng)力水平接近。

圖5 輪壓荷載作用下節(jié)段應(yīng)力云圖Fig. 5 Segment stress nephogram under wheel load

輪壓荷載作用下箱梁頂板的變形反映了頂板剪力鍵的工作狀況。由圖6可知,干接模型的最大變形量達(dá)到1.0 mm,其變形量最大;其余3種模型的最大變形量均為0.9 mm。綜上所述,膠接縫厚度對(duì)頂板剪力鍵的抗剪剛度、節(jié)段梁的應(yīng)力分布幾乎無(wú)影響。

圖6 輪壓荷載作用下節(jié)段變形云圖Fig. 6 Deformation nephogram of segment under wheel load

3.2 節(jié)段抗剪極限承載力計(jì)算模型

圖7給出了節(jié)段梁剪力荷載與接縫處剪切變形的關(guān)系曲線。剪力荷載與剪切變形曲線的斜率反映了主梁的抗剪剛度。由圖7可知,在彈性階段,剪力荷載與剪力變形曲線的斜率基本保持不變,濕接模型、3 mm厚膠接模型和8 mm厚膠接模型的抗剪剛度接近;3 mm厚膠接模型和8 mm厚膠接模型的極限抗剪承載力低于濕接模型,但均顯著高于節(jié)段梁施工及承載力能力極限狀態(tài)下最大剪力2 285 kN。由此可知,濕接、3 mm厚膠接及8 mm厚膠接三者抗剪剛度基本接近,膠接厚度對(duì)截面抗剪剛度基本無(wú)影響;截面抗剪極限承載力在節(jié)段濕接時(shí)最大,但受膠接縫厚度影響不顯著。

圖7 剪力-剪切變形曲線Fig. 7 Shear force-shear deformation curve

3.3 最不利荷載組合下節(jié)段計(jì)算模型

圖8和圖9給出了最不利荷載組合作用下節(jié)段截面正應(yīng)力及剪應(yīng)力分布云圖。由圖8可知,濕接模型與膠接模型的截面正應(yīng)力差異較大,剪力鍵區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。膠接縫的存在顯著改變了正應(yīng)力的分布特征,但3、8 mm的膠接縫厚度對(duì)截面正應(yīng)力影響不顯著。

圖8 最不利荷載組合作用下截面正應(yīng)力云圖Fig. 8 Normal stress nephogram of section under the action of the most unfavorable load combination

圖9 最不利荷載組合作用下截面剪應(yīng)力云圖Fig. 9 Nephogram of shear stress of section under the action of the most unfavorable load combination

由圖9可知,濕接模型與膠接模型的截面剪應(yīng)力同樣差異較大,剪力鍵區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。膠接縫的存在顯著改變了剪應(yīng)力的分布特征。與3 mm厚膠接模型剪應(yīng)力相比,8 mm厚膠接模型的剪應(yīng)力增大了10%,膠接縫厚度對(duì)截面剪應(yīng)力的影響不容忽略。

4 結(jié) 論

1)預(yù)制節(jié)段拼接混凝土梁的抗剪剛度受濕接、干接、膠接縫等接縫形式影響不顯著。節(jié)段梁的抗剪極限剪承載力受接縫形式影響顯著,濕接縫抗剪承載力明顯高于膠接縫。接縫的抗剪極限承載力由高到低依次為濕接、8 mm厚膠接縫、3 mm厚膠接縫、干接。膠接縫厚度對(duì)預(yù)制節(jié)段梁的抗剪承載力有一定影響,但均高于其依托工程的最大剪力作用值。

2)干接、濕接、3 mm厚膠接、8 mm厚膠接等接縫形式均不影響箱梁頂板的應(yīng)力分布。車(chē)輛輪壓荷載作用下干接、3 mm厚膠接、8 mm厚膠接模型應(yīng)力峰值接近,較濕接模型的應(yīng)力峰值提高42%。

3)接縫形式對(duì)節(jié)段梁截面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力影響顯著。剪力鍵的存在顯著改變了剪應(yīng)力的分布特征,8 mm厚膠接模型的剪應(yīng)力較3 mm厚膠接模型增加了10%,膠接縫厚度對(duì)截面剪應(yīng)力的影響不容忽略。