高性能多功能橋墩永久模板節段節點性能分析

吳香國，陳思遠，趙新宇

(1.哈爾濱工業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

超高性能水泥基復合材料(UHPCC)是近年來發展起來的新一代工程結構水泥基復合材料，具有較高的力學性能和耐久性能.UHPCC在結構抗震、輕質高強節材、新型組合結構設計中具有顯著的優勢［1-3］.近年來，我國一些研究機構廣泛開展了對UHPCC材料性能及其新型結構性能的研究［3］，包括基于性能的材料配合比優化機理方面［4］、基于韌性指標的超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)［5］，UHTCC的彎曲性能和耐久性能研究［6-7］，以及UHPCC預應力梁與普通混凝土板的疊合結構界面性能研究［8］等.在新型結構應用研發方面，一些發達國家開展了UHPCC典型橋梁設計應用［9-12］.

梁橋重力式橋墩的主要施工工藝是采用組合式鋼制模板，存在如下不足:使用鋼制周轉模板施工，安裝和拆卸既耗時又耗工;橋墩工程對鋼制模板鋼材的耗用量大，且存在二次運輸的問題，特別是對于遠距離橋梁建設，導致模板工程造價相對較高;另外，拆模后橋墩的結構混凝土表面自然裸露，橋墩耐久性低.為了提高橋墩結構的服役壽命，我國鐵道部提出了橋墩防護板的設計要求，對既有橋墩進行防護，以期提高既有橋墩耐久性，延長結構使用壽命［13］.為了實現既有和新建橋墩結構防護設計的統一，本文提出了梁橋重力式橋墩用UHPCC多功能永久模板的設計概念.UHPCC永久模板既作為施工階段的模板，也作為橋墩成型后的橋墩永久防護板.UHPCC永久模板同時也作為橋墩結構的內部鋼筋保護層，并將當量取代橋墩結構的相應截面，因此UHPCC永久模板是多功能的高性能永久模板，形成的結構是新型疊合墩柱結構.UHPCC預制節段聯接節點的性能與機理研究是該結構節點設計的關鍵問題，本文根據彈性理論和縱向節段的聯接構造，研究了節段界面聯接節點的響應機理，建立了節段聯接節點的極限強度表達，并分析了幾何參量和界面聯接率參量對節點強度的影響規律.

1 軸拉作用下的UHPCC計算本構模型

軸拉下的UHPCC應力應變關系可以簡化為4個部分，即初裂應力之前的準線彈性階段、應變硬化階段、軟化階段、纖維拔出階段［2］，UHPCC軸拉簡化本構關系如圖1所示，計算本構關系為:

式中:fUt，1st為材料的初裂強度，εUt，1st為對應的應變，fUt，max為極限抗拉強度，εUt，max為對應的極限抗拉應變，EUt為初始線彈性模量，f1為軟化階段的拐點強度，對應的裂縫換算應變為 wUt，1，wUt，2是軟化末端裂縫最終張開位移換算的應變.

圖1 軸拉作用下的UHPCC計算本構關系Fig.1 Constitutive relation of UHPCC under uniaxial tension

2 UHPCC薄壁圓管容器

2.1 界面響應分析

圖2 UHPCC管內壓模型Fig.2 Model of UHPCC tube under internal compression

假設UHPCC管壁厚為t、高度為H、中面半徑為R，上端為自由無約束端，下端為夾支邊并與基礎通過固定聯接，內部為新澆筑混凝土，混凝土的重力密度為γc，作用在UHPCC管內表面的荷載模型為qn(x)，如圖2(a)所示.在荷載模型qn(x)作用下，取UHPCC管單元P，其受力狀態如圖2(b)所示.

根據柱殼有矩彈性理論［14］，UHPCC管分析單元P的內力分量為

式中:γu為UHPCC管的重力密度，x為P點的縱向坐標，μ為UHPCC的泊松比，E為UHPCC的彈性模量，β和D為計算參量，計算表達式為

根據柱殼有矩理論，單元P點的法向位移w可表達為

將式(5)代入式(1)，可以求得式(1)中的M1和N1各分量為)式中

2.2 節段聯接節點響應分析

UHPCC管縱向節段間采用預埋聯接件，通過焊接進行剛性連接，如圖3(a)所示.假設在節段界面處的總體力學響應分量均集中在焊接節點上，忽略界面摩擦等微量.由于UHPCC管環向抗拉強度遠小于焊縫的抗拉強度，因此環向失效模式由UHPCC基體控制，焊縫的失效面主要是沿著焊縫軸線方向，失效面如圖3(b)所示.在失效面上，只存在τ⊥、τ‖和σ⊥3個應力分量.T2和M2與該面平行，不存在應力分量，不考慮響應分量T2引起的焊點環向拉應力.

圖中，a為UHPCC上下節段有效界面寬度，l為焊縫長度，t'為焊縫有效寬度.焊縫的最大長度為滿焊時的焊縫長度［15］，即預埋件寬度.σ⊥為垂直于焊縫長度方向的正應力、τ⊥是垂直于焊縫長度方向的剪應力、τ‖為平行于焊縫長度方向的剪應力.由于結構是軸對稱的，內壓荷載也是軸對稱，因此理論上沿焊縫長度方向不存在剪應力τ‖.下面，考慮τ⊥和σ⊥，其中τ⊥是由界面剪力N1引起的，σ⊥而是由縱向分力T1和彎矩分力M1耦合引起的.

圖3 節段節點應力模型Fig.3 Stressmodel of segment joint

2.2.1 剪應力分量 τ⊥

UHPC上下段的界面剪力全部由聯接焊縫承擔，垂直于焊縫長度方向的剪應力為

式中:n為節段間聯接件的個數.

2.2.2 應力分量 σ⊥

假設焊縫界面完整，那么在彎矩M1作用下的應力分析可以簡化為以AB為軸線、高度為t'的純彎曲梁.這里偏保守設計，略去了焊縫有效寬度之外的弧度范圍，如圖4所示.

圖4 焊縫抗彎分析模型Fig.4 Bending analysismodel of welding line

如圖4所示，應力為線性分布，可以表示為

定義焊縫長度占節段界面周長的百分率為UHPCC管節段界面聯接率，用δ表示:

在焊縫聯接處，縱向分力T1的作用面實際寬度為a+t'.為了簡化和偏保守計算，取計算寬度為a，則式(7)和(8)可以簡化為

2.3 焊接節點設計極限狀態方程

根據規范［15］，焊縫計算應力極限狀態方程為

式中:ffw為焊縫強度設計值.根據焊接工藝，角焊縫設計強度一般為160～220 MPa.將式(10)代入式(11)中，即得到UHPCC管節段界面聯接焊縫有效寬度需滿足的設計極限狀態方程:

3 UHPCC管永久模板施工荷載模型

根據荷載規范［16］，qn可以表示為 qn=1.2Gk+1.4Qk.Gk和Qk分別是側壓靜荷載和傾倒活荷載.當采用內部振搗器時，新澆筑的混凝土作用于模板的側壓力標準值Gk可按下列公式計算:

式中:F為新澆混凝土對模板的側壓力計算值，γc為混凝土的重力密度，V是混凝土的澆筑速度，t0是新澆混凝土的初凝時間，β1是外加劑影響修正系數，β2是混凝土坍落度影響修正系數，H0是新澆混凝土的總高度，x是混凝土計算位置坐標.

傾倒活荷載Qk的取值主要同向模板內供料方法有關，比如當采用溜槽、串筒或導管時，取2 kN/m2.混凝土側壓力的計算分布圖形如圖5所示，圖中h=F/γc為有效壓頭高度.

荷載的計算組合項可以表示為

令x=0，得到荷載計算組合項的邊界值為

圖5 施工荷載計算模型Fig.5 model of construction loads

4 算例分析

以典型UHPCC疊合墩柱為例，分析其UHPCC管在施工荷載作用下的結構節段節點性能及其參量影響，其中，幾何參量為H=10 m、R=1.5 m、t=2.5、3、4、5 cm，荷載參數和材料設計參數如下:β1=1.2 、β2=1.0 、t0=5.7 h 、V=6m/h 、Qk=2 kN/m2、μ =0.2、Euc=50 GPa、γc=25 kN/m3、γuc=30 kN/m3、H0=2m、fUt，1st=6 MPa、n=8 、l=5 cm.各參量具體含義參見文中所述.為了偏安全設計，將硬化混凝土部分的高度納入新澆混凝土的計算高度，即假設新澆混凝土的總高度等于結構的總高度，計算結果如圖6～8所示.

4.1 焊縫應力響應沿縱軸x的分布

由計算結果可見，A、B點應力強度差別很小，如圖6所示.這是由于在A、B點強度中，項同項相比為小量，因此 (σ)2≈ (σ)2=⊥A⊥B36M12/ ( δ2twe4).焊縫應力分布的基本形狀是由M1和N1決定的，凹點主要是由平方項引起的.

圖6 不同壁厚的焊縫強度沿縱軸分布Fig.6 welding stress distribution along axis x with variation of thickness

4.2 焊縫應力響應隨壁厚t的變化分布

焊縫應力隨壁厚的變化分布如圖7所示，圖(a)中列出了幾個代表性有效厚度的情況.

圖7 不同有效焊接厚度的焊縫應力隨壁厚分布Fig.7 welding stress distribution with thickness and variation of effective welding thickness

由計算結果可見，焊縫應力響應隨壁厚呈線性變化.這里取有效焊縫厚度的最大允許設計值為UHPCC管壁厚的一半，在圖7(b)中標出了每種情況下對應壁厚的最小有效焊縫厚度的取值起點，向上為有效取值.比如，對于壁厚為50 mm的典型UHPCC管，其有效焊縫的最小設計厚度為25 mm.

4.3 焊縫應力響應隨界面聯接率的變化分布

具有不同有效焊縫厚度的焊縫應力響應隨節段界面聯接率的變化呈反比分布，如圖8所示.

以半徑為1.5 m的UHPCC管為例，節段界面的周長為9.42 m，對于聯接率為5%的設計，焊縫總長度為471 mm.依據此計算方法，可以計算其他幾何尺寸具有不同壁厚的UHPCC管隨界面聯接率的變化分布.

圖8 不同有效焊縫厚度焊縫強度隨聯接率的分布Fig.8 Welding stress distribution with welding ratio and variation of effective welding thickness

5 結論

1)沿多功能永久模板UHPCC管結構縱軸向，焊縫應力呈非線性遞減，且在底層節段的底端最大.對于設置8個聯接件的情況，焊縫應力超過角焊縫設計強度的限定.因此，底層尤其是其底端應采用外套環箍或加密布置聯接件的方案，分解焊縫承擔的應力分量.

2)聯接件的焊縫應力隨壁厚呈非線性變化，且隨有效焊縫厚度的遞減而增大，為了保證節段間的豎向支撐界面積，這里建議有效焊縫厚度的最大允許設計值不大于UHPCC節段壁厚的一半.對于UHPCC管設計壁厚為50 mm時，取有效焊縫厚度為25 mm，確定界面聯接率，由聯接件幾何構造參量確定界面聯接件的設計數量.

3)焊縫應力隨聯接率基本呈反比例的非線性遞減變化.依據單個聯接件的構造長度和聯接率設計值，即可進行具有不同幾何尺寸的節段聯接界面的聯接件個數的設計.因此，聯接率是UHPCC模板管結構節段節點設計的重要參量.

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