帶抗剪鍵橋墩與承臺(tái)承插式連接受力性能研究

收稿日期：2024-01-18

作者簡(jiǎn)介：陳奕銘（1989—），男，碩士，工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。

摘要 為研究帶抗剪鍵橋墩與承臺(tái)承插式連接的受力性能，文章建立了3個(gè)不同構(gòu)造的承插式連接試件有限元模型，對(duì)其墩柱端部的豎向軸壓承載力曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)研究了3個(gè)試件在豎向極限荷載作用下的鋼筋和混凝土應(yīng)力狀況，結(jié)果表明：橋墩與承臺(tái)承插孔內(nèi)壁設(shè)置的抗剪鍵可顯著改變承插式連接的受力狀態(tài)，并能夠顯著降低承臺(tái)底板的應(yīng)力水平。

關(guān)鍵詞 承插式連接；抗剪鍵；豎向承載能力

中圖分類號(hào) U443.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0119-03

0 引言

為適應(yīng)橋梁的快速化施工，目前我國正大力推廣裝配式結(jié)構(gòu)，建造和使用的裝配式橋梁也越來越多。裝配式結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)主要是構(gòu)件間的連接，一般可分為上部結(jié)構(gòu)連接和下部結(jié)構(gòu)連接，其中橋梁下部結(jié)構(gòu)連接包括蓋梁與墩柱連接、墩柱分節(jié)拼接以及墩柱與承臺(tái)連接。對(duì)于墩柱與承臺(tái)連接，常用的連接方式包括灌漿金屬波紋管連接、灌漿套筒連接和承插式連接。其中，承插式連接具有施工效率高、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地被工程應(yīng)用和研究。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者所研究的橋梁墩柱與承臺(tái)承插式連接，雖將墩柱與承插孔內(nèi)壁進(jìn)行了鑿毛處理，但并未考慮承插連接界面的受力性能。在海洋結(jié)構(gòu)與水下基礎(chǔ)承插式灌漿連接中，一般在連接段設(shè)置抗剪鍵，可以有效提高連接段的受力性能。例如，西文喜[1]研究了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)水下灌漿連接段的受力性能，對(duì)剪力鍵的尺寸及布置情況進(jìn)行了優(yōu)化。陳濤和張持海等[2]人研究了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)灌漿連接段的軸心受壓承載力。結(jié)果表明，增加剪力鍵的高距比能夠提高灌漿連接段的軸心受壓承載力。

該文借鑒海洋結(jié)構(gòu)的水下基礎(chǔ)灌漿連接，在橋梁墩柱承插深度范圍內(nèi)與承臺(tái)承插孔內(nèi)壁設(shè)置抗剪鍵，并對(duì)該承插式連接開展了承載力研究。利用有限元分析方法對(duì)3個(gè)橋梁橋墩與承臺(tái)承插式連接試件模型的承載力進(jìn)行了對(duì)比分析，并研究了3個(gè)模型在極限荷載作用下鋼筋與混凝土的應(yīng)力分布情況。

1 模型尺寸、配筋及抗剪鍵設(shè)計(jì)

1.1 模型整體尺寸及配筋

該文對(duì)3個(gè)橋梁墩柱與承臺(tái)承插式連接模型進(jìn)行了有限元分析。模型1和模型2的整體尺寸及配筋參考文獻(xiàn)[3]中的試件CC-1.0D，如圖1～3所示。其中，模型1承插界面不進(jìn)行鑿毛處理，即保持承插界面光滑；模型2在承插界面設(shè)置了混凝土抗剪鍵；模型3將模型2的底板厚度減薄100 mm，其余尺寸和配筋與模型2相同。

圖1 預(yù)制墩柱尺寸圖（mm）

圖2 預(yù)制承臺(tái)剖面圖（mm）

圖3 預(yù)制承臺(tái)平面圖（mm）

1.2 承插界面抗剪鍵設(shè)計(jì)

《裝配式市政橋梁工程技術(shù)規(guī)范》[4]中給出了抗剪鍵尺寸的相關(guān)要求：抗剪鍵應(yīng)采用矩形、圓角梯形截面，傾角為45 °，高度應(yīng)大于混凝土骨料最大粒徑的2倍且不小于35 mm；高度可取平均寬度的2倍。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，該文分析的3個(gè)橋墩與承臺(tái)承插式模型為縮尺模型，模型抗剪鍵高度取16 mm。抗剪鍵的尺寸如圖4所示：

圖4 承插界面混凝土抗剪鍵尺寸（mm）

2 有限元分析模型

2.1 單元選取及邊界條件確定

該文采用有限元軟件ABAQUS開展相關(guān)數(shù)值分析，混凝土和灌漿料采用C3D8R實(shí)體單元，普通鋼筋采用T3D2桁架單元?；炷僚c鋼筋之間的黏結(jié)利用“嵌入”功能實(shí)現(xiàn)，忽略鋼筋與混凝土之間的滑移變形。灌漿料單元與承臺(tái)預(yù)留孔內(nèi)壁綁定，與插入承臺(tái)預(yù)留孔的墩柱外表面進(jìn)行接觸，切向利用“罰”函數(shù)摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.5，法向利用“硬”接觸約束模型。將承臺(tái)底部四周全部約束，進(jìn)行靜力分析。

2.2 材料本構(gòu)模型

混凝土標(biāo)號(hào)為C30，采用軟件自帶的塑性損傷模型[5]，其本構(gòu)關(guān)系相關(guān)參數(shù)按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]計(jì)算得出。鋼筋采用雙折線的本構(gòu)模型，上升段斜率采用鋼筋屈服前的彈模，強(qiáng)化段斜率采用上升段斜率的1%。因目前暫無成熟的高強(qiáng)灌漿料本構(gòu)關(guān)系，在模型中采用C80混凝土進(jìn)行模擬。

為提高計(jì)算模型中結(jié)果的精確性，并同時(shí)考慮在加載、卸載過程中混凝土損傷的累積效應(yīng)，該文引進(jìn)損傷因子的概念，其計(jì)算方法如下：

（1）

式中，c、t——混凝土受壓、拉行為；β——塑性和與非彈性應(yīng)變的比值，混凝土受壓、拉時(shí)，β取值0.35～

0.7、0.5～0.95；εin——混凝土拉壓時(shí)的非彈性應(yīng)變。

2.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證該文所采用的有限元模型正確性，將模型1分析得到的骨架曲線與文獻(xiàn)[3]中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示：

圖5 有限元模型驗(yàn)證

該文模擬的骨架曲線在柱頂水平正反方向最大荷載分別達(dá)到65.5 kN和58.4 kN，文獻(xiàn)[3]中的對(duì)應(yīng)值分別為74.3 kN和68.1 kN，兩者分別相差11.8%和14.2%，主要原因是該文有限元模擬中混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系與文獻(xiàn)[3]中的試件有所差別。因此，該文的有限元模擬是可靠的。

3 模型軸壓承載力分析

在墩柱頂部設(shè)置參考點(diǎn)，并與墩柱頂面耦合，通過對(duì)參考點(diǎn)以位移加載方式向墩柱施加軸向荷載，所得的模型1和模型2的荷載-位移曲線如圖6所示。由圖6可以看出，兩者的豎向承載力基本相同。

圖6 模型1和模型2的荷載-位移曲線

通過ABAQUS的后處理模塊將模型2的墩柱端部總荷載分解為抗剪鍵和承臺(tái)承插孔下部區(qū)域底板各自分擔(dān)的荷載，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，模型2的抗剪鍵和承臺(tái)承插孔下部區(qū)域承臺(tái)底板分別承擔(dān)了大約2 400 kN和800 kN的豎向荷載，說明抗剪鍵承擔(dān)了大部分豎向荷載。

在豎向荷載作用下進(jìn)入塑性時(shí)，模型1和模型2承臺(tái)鋼筋最大應(yīng)力分別為510.6 MPa和370.5 MPa，說明通過設(shè)置抗剪鍵可顯著降低承插孔底部承臺(tái)內(nèi)鋼筋的應(yīng)力，降幅達(dá)37.8%。

圖7 模型2的抗剪鍵和承插孔底部區(qū)域分擔(dān)荷載

在豎向荷載作用下進(jìn)入塑性時(shí)，模型1和模型2承插孔底部區(qū)域最大應(yīng)力分別為34.69 MPa和13.98 MPa，說明通過設(shè)置抗剪鍵可顯著降低承插孔底部區(qū)域應(yīng)力水平，降幅達(dá)148.1%。

為進(jìn)一步研究抗剪鍵對(duì)承插式連接豎向承載力的影響，模型3將模型2承臺(tái)承插孔下部區(qū)域厚度由220 mm降為120 mm，通過對(duì)其開展豎向承載力有限元分析，并與模型1和模型2進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8 三個(gè)模型荷載-位移曲線比較

從圖8可以看出，模型3與模型2的豎向承載力基本相當(dāng)，略有減小，這說明承臺(tái)厚度的減小對(duì)承載力的影響有限，抗剪鍵承擔(dān)了大部分荷載。

如圖9所示為模型3的抗剪鍵和承臺(tái)承插孔底部區(qū)域承臺(tái)底板分別分擔(dān)的荷載。由圖9中可以發(fā)現(xiàn)，模型3中的抗剪鍵分擔(dān)荷載約為2 800 kN，而承插孔下部區(qū)域承臺(tái)底板分擔(dān)的荷載約為600 kN，說明減小承臺(tái)厚度會(huì)進(jìn)一步增加抗剪鍵承擔(dān)的荷載。

圖9 模型3荷載分擔(dān)圖

與模型2相比，在進(jìn)入塑性時(shí)模型3的承臺(tái)鋼筋最大應(yīng)力（501.8 MPa）顯著增加，而承臺(tái)底板混凝土應(yīng)力則增加不大，僅由13.98 MPa增加到15.08 MPa。

4 結(jié)論

該文對(duì)3個(gè)橋梁墩柱與承臺(tái)承插式連接試件模型進(jìn)行了有限元模擬，并分析了3個(gè)模型的軸壓荷載-位移曲線、鋼筋和混凝土應(yīng)力狀況，可以得到以下結(jié)論：

（1）抗剪鍵承擔(dān)了大部分豎向軸壓荷載?？辜翩I的設(shè)置對(duì)豎向軸壓承載能力的影響很小，但會(huì)顯著降低承插孔底部混凝土和承臺(tái)內(nèi)鋼筋的應(yīng)力水平。

（2）承臺(tái)厚度的減小會(huì)進(jìn)一步增加抗剪鍵承擔(dān)豎向荷載的比例，顯著增加承臺(tái)內(nèi)鋼筋應(yīng)力，但對(duì)承插孔底部混凝土的應(yīng)力水平影響較小。

參考文獻(xiàn)

[1]西文喜. 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)水下灌漿連接段受力性能研究[D]. 青島：中國石油大學(xué)（華東）， 2018.

[2]陳濤， 張持海， 王銜， 等. 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)灌漿連接段軸心受壓承載力數(shù)值分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2020（10）： 1452-1459.

[3]韓艷， 董嘉雯， 王龍龍， 等. 承插式裝配橋墩抗震性能擬靜力試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J]. 工程抗震與加固改造， 2020（5）： 63-70.

[4]安關(guān)峰， 侯照保. 《裝配式市政橋梁工程技術(shù)規(guī)范》（DBJ/T 15-169—2019）編制與介紹[J]. 市政技術(shù)， 2020

（5）： 93-98.

[5]齊威. ABAQUS 6. 14超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M]. 北京：人民郵電出版社， 2016.

[6]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50010—2010[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011.