兩種PBL連接件對波形鋼腹板PC組合箱梁力學性能的影響研究

王 軍，屈志英，柳建設，戚冬艷，吳 振

（西安市政設計研究院有限公司，陜西西安，710068）

0 引言

目前，隨著PBL連接件研究的深入和對其認識的逐步成熟，許多學者把目光轉向了基于傳統PBL連接件的衍生形式，主要有Twin-PBL形式和S-PBL+栓釘形式。

Twin-PBL連接件是由單個PBL連接件衍生出來的,如圖1所示。將原有的單塊PBL開孔板變成兩塊板，共同焊接在水平翼緣板上，兩板之間留一定間距。Twin-PBL連接件無論是整體剛度還是抗剪強度都較以前有了很大的提高。日本有許多橋梁都采用了這種連接件，如谷川橋、游樂部川橋、宏內第二橋等[1]。

圖1 Twin-PBL連接示意圖

S-PBL+栓釘連接件是在原有單個PBL連接件兩側增加兩排栓釘,如圖2所示。這種連接件將栓釘的柔性和PBL連接件的剛性有機的結合起來，發揮了各自的優勢，最具代表性的橋梁有日本的中野高架橋。

圖2 S-PBL+栓釘連接示意圖

在波形鋼腹板橋梁的設計中，剪力連接件主要起連接鋼腹板與混凝土上下橋面板的連接，在設計荷載作用時最基本的要求是不會發生剪切滑移。通過對波形鋼腹板梁局部節段的有限元分析模擬，比較兩種不同連接件對波形鋼腹板PC組合箱梁橋力學性能的影響，對指導類似橋型剪力連接件的設計有著重要的意義。

1 PBL剪力連接件的構造特點

國內采用PBL連接件的工程案例有：南寧大橋組合拱肋連接部、南京長江三橋鋼混結構部、舟山連島工程金塘大橋索塔錨固區、佛山平勝大橋主梁鋼混結合部等。正是由于PBL剪力連接件在實際工程中表現出優異的工作性能，對其研究與日升溫，其主要構造特點見表1所列。

2 PBL剪力連接件的作用機理

首先，貫通鋼筋和混凝土榫柱是PBL剪力連接件抵抗剪力的主要構件。隨著貫通鋼筋直徑的增大，其抗剪能力也會有很大提高。但應防止由于鋼筋過大導致孔洞內混凝土榫柱體積過小，在荷載初期被壓碎而提前退出工作；其次，連接件依靠榫柱和貫通鋼筋承擔鋼與混凝土之間的分離力；最后，PBL連接件都是通過鋼板受壓來承擔面外橫向剪力。

表1 兩種PBL連接構造的特點一覽表

3 計算實例

3.1 工程概況

以邢臺某橋為例，該橋為大跨度波形鋼腹板PC連續梁橋，其跨徑布設為88+156+88（m）。箱梁采用單箱單室直腹板箱形截面，頂板全寬13 m，兩側懸臂長3.25 m；箱梁頂底板采用C60混凝土澆筑，頂板最小厚0.3 m，懸臂板端部厚0.2 m，懸臂板根部厚0.8 m；橫橋向箱內上梗腋長1.8 m、高0.5m；箱梁底板寬6.5m、底板厚0.3～1.2m。腹板鋼材采用Q345D，采用1600型波形鋼板，厚14～24mm，波紋水平段長度430 mm、斜長430.46 mm、斜段水平方向長350 mm、波高220 mm。典型箱梁橫斷面如圖3所示。

圖3 典型箱梁橫斷面圖（單位:cm）

3.2 局部模型分析

3.2.1 有限元模型

通過對波形鋼腹板PC組合梁局部節段模型進行有限元仿真分析和計算，可以全面、真實的掌握Twin-PBL、S-PBL+栓釘兩種不同形式的連接件對其力學性能的影響，揭示其應力分布規律及受力特性，為以后工程設計和施工提供科學依據。

由于模型中需要考慮連接件的細部構件，采用整體模型分析，單元數量巨大，計算成本較高。故截取全橋16 m等高節段建模進行分析，旨在發現規律性的結論。所建模型采用懸臂方式進行加載計算，即在梁體一側端部固結，另一側斷面假定為平截面變形[2～3]。通過在該側截面形心處建立剛域，保證梁體各點與形心位置變形協調，將荷載施加在形心位置處。采用土木工程常用有限元分析軟件Midas FEA進行計算[4]。根據頂板剪力連接件的不同，分別建立兩種不同模型。鋼腹板、剪力連接件、混凝土頂底板均采用實體單元建模，如圖4～圖6所示。

圖4 節段有限元模型

圖5 S-PBL+栓釘連接件模型

圖6 Twin-PBL連接件模型

計算模型的單元劃分采用了自由網格劃分的方法。由于考慮到網格疏密對后期結果影響較大，在PBL孔洞及栓釘位置處均采用較密的網格尺寸控制，保證計算的精度。S-PBL+栓釘連接件局部模型共建立了837841個單元，100660個節點；Twin-PBL連接件模型共建立了289641個單元，74776個節點。給出C60混凝土、栓釘、Q345鋼材的力學性能參數，如表2～表4所列。

表2 混凝土的力學參數表

表3 Q345鋼材的力學參數表

表4 栓釘的力學參數表

3.2.2 計算荷載

兩種模型采用相同的材料、施加相同荷載，以及相同邊界條件。在模型分析時通過輸入材料的彈性模量和泊松比來定義結構的材料特性，并認為混凝土和鋼腹板都是均質彈性體。從Midas Civil[5]所建的全橋單梁模型中讀取梁端荷載的分析結果，如表5所列。局部分析模型的計算荷載包括：恒載、移動荷載、梁端荷載（剪力、軸力、彎矩）。梁端荷載的取值按照《公路橋涵設計通用規范》[6]進行自動組合，荷載組合系數如表6所列。

通過對表中各個荷載工況的試算可知，在工況7荷載作用下，波形鋼腹板PC組合箱梁局部模型會出現最不利應力情況。即：最不利工況為軸力（-97500 kN）+最大剪力（-3171.0 kN）+最大彎矩（47900 kN·m）。對于二期恒載和移動荷載可以直接作用在箱梁頂面。移動荷載作用位置根據整體計算模型的內力包絡圖確定。

表5 荷載組合表

表6 不同計算工況下對應的梁端荷載一覽表

3.2.3 局部模型受力分析

為比較波形鋼腹板PC組合箱梁在使用兩種不同剪力連接件后，力學性能的變化及應力的分布規律，分別對連接件、鋼腹板、頂板、底板、預應力鋼束及貫通鋼筋進行分析。分析中以拉應力為正，壓應力為負（見圖7～圖14）。

圖7 Twin-PBL連接件Mises應力云圖（單位：MPa）

圖8 S-PBL+栓釘連接件Mises應力云圖（單位：MPa）

圖9 鋼腹板Mises應力云圖（Twin-PBL）（單位：MPa）

圖10 鋼腹板Mises應力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

圖11 頂板主拉應力云圖（Twin-PBL）（單位：MPa）

圖12 頂板主拉應力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

圖13 底板主壓應力云圖（Twin-PBL）（單位：MPa）

圖14 底板主壓應力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

從圖7、圖8可知，Twin-PBL連接件最大Mises應力出現在梁體根部PBL孔洞處，為76.97 MPa；S-PBL+栓釘連接件最大Mises應力出現在根部翼緣板上，為87.11 MPa。通過讀取栓釘應力可知，栓釘的應力范圍介于44.6～10.25 MPa之間，栓釘應力從梁體根部向梁端逐漸減小。通過分析應力值可知，連接件均處于彈性階段，設計相對保守。

從圖9、圖10可知，采用兩種不同連接件的鋼腹板的Mises應力云圖分布規律基本相同。最大應力分別為120.43 MPa和123 MPa，鋼腹板應力相差不大。最大應力均出現在鋼腹板與混凝土底板相接位置，此處設計采用埋入式連接方式，鋼腹板發生變形時受到混凝土齒塊的嵌固作用，故此處應力較大。應力變化的總體趨勢是向梁端逐漸減小。

從圖11、圖12可知，采用兩種不同連接件的混凝土頂板應力分布比較均勻，頂板主拉應力均發生在梁端根部頂緣位置處。Twin-PBL連接件頂板最大主拉應力為1.7 MPa，S-PBL+栓釘連接件頂板最大主拉應力為2.0MPa，超過了混凝土抗拉設計強度0.17 MPa。由此可見，Twin-PBL連接件較S-PBL+栓釘連接件對頂板混凝土抗裂貢獻較大，這主要是由于Twin-PBL連接件翼緣板整體鋼板截面積較大，兩根縱向加勁鋼板，提高了其縱向剛度。

懸臂梁的受力特點為頂板主要受拉，底板受壓。從圖13、圖14可知，采用兩種不同連接件的混凝土底板根部位置主壓應力最大，分別為23 MPa和26 MPa。梁端壓應力最小，均為13 MPa左右，主壓應力值均在規范容許的范圍內。

圖15～圖18為兩種局部模型中頂板預應力和PBL孔洞內貫通鋼筋的的應力云圖。研究發現：兩種模型的頂板鋼束預應力數值相差很小。這主要是由于施加于預應力鋼束上的軸向力相對于施加于局部模型梁端的軸向力（-97500.0 kN）要小很多。貫通鋼筋應力也相差很小。

圖15 預應力鋼束應力云圖（Twin-PBL）（單位：MPa）

圖16 預應力鋼束應力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

圖17 貫通鋼筋應力云圖（Tw in-PBL）（單位：MPa）

圖18 貫通鋼筋應力云圖（S-PBL+栓釘）（單位：MPa）

圖19和圖20為兩種連接件在豎直方向上的位移圖，Twin-PBL連接件端部最大位移為-18.5 mm；S-PBL+栓釘連接件端部最大位移為-20.5 mm。由此可見Twin-PBL連接件對梁體的總體剛度貢獻較大。

4 結論

（1）采用Twin-PBL連接件的波形鋼腹板PC組合箱梁局部模型各項力學指標均優于S-PBL+栓釘連接件。主要是由于Twin-PBL連接件兩根縱向加勁鋼板能夠有效提高連接件的縱向剛度。

圖19 Twin-PBL連接件豎向位移圖（單位：mm）

圖20 S-PBL+栓釘連接件豎向位移圖（單位：mm）

（2）通過對依托工程局部節段的有限元分析，比較了這兩種不同剪力連接件對波形鋼腹板PC組合梁受力性能的影響。研究結果表明：數值模擬相比實體試驗可以節約大量試驗成本，該方法可用做試驗輔助方法。

[1]陳宜言.波形鋼腹板預應力混凝土橋設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]王軍文，倪章軍，宋曉東，孫峻嶺.石板坡大橋鋼箱梁車載作用下局部應力分析[J].石家莊鐵道學院學報，2007，（01）：6-9，38.

[3]王軍文，倪章軍，李建中，孫峻嶺.石板坡長江大橋鋼混結合段局部應力分析[J].公路交通科技，2007，（08）：99-102.

[4]北京邁達斯軟件有限公司.Midas FEA適用工程及高端分析指南[Z].北京：2008.

[5]劉美蘭.midas Civil在橋梁結構分析中的應用(一)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[6]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].