裝配式鋼-混組合梁縱向濕接縫設計研究*

吳大健 段寶山 宋 林

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430000)

0 引 言

常用的裝配式組合梁橋面板伸出的鋼筋多采用綁扎或者焊接的形式進行連接，但是施工周期較長，無法實現橋梁快速施工.因此，提出采用U形鋼筋搭接的方式，無需綁扎和焊接，施工方便，已經在工程中得到運用.但是，目前的規范并沒有對U形鋼筋搭接的連接方式進行明確規定，往往濕接縫尺寸較大，造成資源浪費，為做好濕接縫結構設計，需對其開展進一步研究，探明結構受力機理，明確結構設計尺寸.

國內外對濕接縫展開了廣泛研究.朱玉等[1]基于PBL抗剪計算理論分析了環形鋼筋搭接濕接縫的傳力機理，并總結了環形剛接搭接長度計算方法.蘇慶田等[2]提出一種弧形鋼筋連接方式，并通過軸心受拉試驗驗證了其與U形鋼筋連接、直鋼筋連接方式的優勢，證明了弧形鋼筋連接方式運用于實際工程中的可行和可靠性.沈小平等[3]分析了裝配式箱梁濕接縫受力基本特性，并從理論角度對開裂處受力進行計算，揭示了常規設計中存在的不足，提出了修正建議.王志剛等[4]通過MIDAS FEA建立了濕接縫有限元模型，并分析了不同的鋼筋連接方式，通過對比驗證了環形搭接濕接縫的可行性.Chapman[5]通過抗拉試驗與抗彎試驗對U形鋼筋搭接的小尺寸濕接縫進行了分析，驗證了小尺寸濕接縫的可行性.Lewis[6]通過試驗驗證了U形鋼筋搭接濕接縫與圓頭鋼筋搭接濕接縫的可行性.但是始終沒有提出統一的濕接縫設計方法，對于濕接縫受力機理也沒有明確規定.因此，本文基于拉壓桿計算模型對U形鋼筋搭接濕接縫的受力機理及結構設計展開研究.

1 濕接縫受力機理

1.1 U形鋼筋搭接濕接縫構造

鋼-混組合梁相鄰預制橋面板伸出U形鋼筋交錯布置，鋼筋搭接重疊，內部核心混凝土中布置縱向鋼筋形成濕接縫，見圖1.

圖1 U形鋼筋搭接濕接縫

1.2 U形鋼筋搭接濕接縫受力機理

文獻[7]主要通過單向板計算理論對橋面板進行抗彎和抗剪計算，鋼筋伸出長度滿足錨固長度即可.針對U形鋼筋交錯搭接濕接縫的結構設計在規范中并沒有進行規定.橋面板受力情況下來自U形鋼筋的荷載通過鋼筋環與混凝土的接觸面傳遞給環內混凝土，環內混凝土受到擠壓產生變形，從而將荷載傳遞至貫穿鋼筋，導致鋼筋產生變形，鋼筋變形后進一步將荷載傳遞至核心混凝土.受力狀態見圖2.

圖2 荷載作用下濕接縫受力情況

濕接縫受力狀態符合拉壓桿模型受力特點，其計算簡圖見圖3.

圖3 拉壓桿模型抗拉承載力計算示意圖

由圖3可知，拉壓桿模型中濕接縫破壞形式分為：U形鋼筋屈服、內部縱向直筋屈服，以及核心混凝土壓壞壞三種形式.因此，濕接縫抗拉強度通過U形鋼筋、縱向直筋的抗拉強度，以及核心混凝土柱的強度控制.

拉壓桿模型可以分成多個等腰三角形.通過靜力平衡，模型中鋼筋與混凝土柱的內力為

Fstr=T/2sinα

(1)

Fubar=T

(2)

Flbar=T/2tanα

(3)

式中：T為拉壓桿模型中單個三角形的拉力；Fstr，Fubar，Flbar為混凝土壓桿內力、U形鋼筋內力，以及縱向直鋼筋內力，可以通過搭接長度l0和U形鋼筋間距s之間的幾何關系獲得.

混凝土柱、U形鋼筋、縱向直鋼筋的極限抗拉承載力分別是：fc.Astr，fyubar.Aubar以及fylbar.Albar.計算過程中，認為U形鋼筋上下兩肢均達到設計強度.將構件的強度帶入上述式(1)～(3)中，得到如下抗拉承載力為

Tu,ubar=fy,ubarAubar

(5)

混凝土斜壓桿有效抗壓強度按照混凝土抗壓設計強度乘折減系數方式確定，斜壓桿有效強度為0.85fc.Aubar為U形鋼筋截面積，它包括上下兩肢；Albar為單根縱向直鋼筋面積；Astr為混凝土斜壓桿的面積，Astr為

Astr=Acorcosα

(7)

Acor=Dl0

(8)

式中：Acor為核心混凝土面積，約等于長方形面積.

濕接縫極限抗拉承載力Tu為

Tu=nΔ·min(Tu,str,Tu,ubar,Tu,lbar)

(9)

式中：nΔ為濕接縫處拉壓桿等腰三角形的個數.

2 濕接縫設計參數研究

2.1 設計參數研究

拉力作用下濕接縫的承載力主要通過U形鋼筋抗拉強度、 核心混凝土抗壓強度，以及貫穿縱向鋼筋抗拉強度控制.為了避免濕接縫出現混凝土突然壓潰破壞并保證濕接縫具有足夠的延性，需要滿足：核心混凝土柱斜向抗壓承載力大于U形鋼筋抗拉承載力，即：Tu,str≥Tu,ubar，同時，需滿足貫穿混凝土的縱向鋼筋較U形鋼筋后屈服，即：Tu,lbar≥Tu,ubar

綜合上述關系，可得：

即：

(10)

(11)

式(10)～(11)為濕接縫各設計參數之間的關系.

2.2 案例驗算

以國內某鋼板組合梁橋面板濕接縫進行研究，濕接縫厚度為23 cm，U形鋼筋采用C20，縱向直筋采用C16，鋼筋材料均為HRB400，混凝土采用C50，各材料參數見表1.

表1 材料參數表

施工圖中U形鋼筋間距s為0.125 m，通過計算可知：l0≥0.098 m，本橋設計文件中U形鋼筋搭接長度為0.47 m，本文認為現有的設計中對濕接縫搭接長度設計過于保守，鋼筋搭接長度l0計算滿足式(10)～(11).為此在下文將通過有限元仿真驗算小尺寸濕接縫是否滿足抗彎承載力要求.

3 濕接縫抗彎承載力計算與設計建議

3.1 抗彎承載力計算

選取寬度0.5 m、長度1.5 m、厚度0.23 m的濕接縫模型進行對比計算，模型中U形鋼筋為C20、縱向直徑為C16，U形鋼筋間距為0.125 m，縱向直鋼筋間距0.10 m，具體尺寸見圖4.

圖4 U形鋼筋搭接濕接縫計算模型示意圖(尺寸單位：mm)

根據拉壓桿模型計算認為：l0≥0.098 m，U形鋼筋與混凝土有效連接.此時可認為U形鋼筋搭接濕接縫與通長直筋布置效果一致.通長直筋橋面板見圖5.

圖5 直筋濕接縫計算模型示意圖(尺寸單位：mm)

為檢驗小尺寸濕接縫是否具有足夠的連接強度，利用有限元軟件進行數值仿真，對比U形鋼筋搭接模型與通長直筋模型計算結果.

基于材料參數表與模型結構尺寸，建立ANSYS有限元模型.混凝土采用SOLID65單元模擬，鋼筋采用LINK8單元模擬.

混凝土單元應力應變關系采用文獻[8]中的規定，通過MISO模型進行模擬，本構曲線見圖6.鋼筋單元本構曲線見圖7.

圖6 混凝土本構關系曲線

圖7 鋼筋本構關系曲線

模型單元尺寸為50 mm，對模型采用三分點加載，支點位于模型端部5 cm處，邊界條件為簡支.鋼筋與橋面板采用節點耦合進行連接.

對兩個模型進行分級加載，直至混凝土上緣壓應力達到抗壓強度設計值.計算得知：U形鋼筋搭接模型，荷載T=147 kN時，跨中截面彎矩：Mu=147×0.45=66.15 kN·m.模型上緣應力達到限值；通長直筋模型，荷載T=161 kN時，跨中截面彎矩：Mu=161×0.45=72.45 kN·m.兩個模型上緣達到設計極限強度時正應力分布云圖，見圖8.

圖8 應力分布云圖

由圖8可知，搭接長度為10 cm時，U形鋼筋搭接濕接縫模型的抗彎承載力低于通長直筋橋面板模型.

對比兩模型荷載-位移曲線，見圖9.

圖9 荷載-位移曲線對比圖

由圖9可知，相同荷載作用下，U形鋼筋搭接濕接縫的位移大于通長直筋模型.因此，單純按照拉壓桿模型設計濕接縫可能會出現撓度過大的問題.

3.2 搭接長度對模型受力影響

通過上文可知10 cm搭接長度偏不安全，因此增加U形鋼筋搭接長度，分別為15，20 cm，研究增加搭接長度后模型位移與承載力，荷載-位移曲線見圖10.

圖10 不同搭接長度荷載-位移曲線對比

通過對比發現，模型跨中位移隨著U形鋼筋搭接長度增加而降低，逐步與通長直筋模型一致.

搭接長度增加至15和20 cm后，U形鋼筋搭接模型抗彎承載力分別為：71.78 kN·m和72.34 kN·m.抗彎承載力隨搭接長度增加而增加，變化趨勢見圖11.

圖11 抗彎承載力-鋼筋搭接長度關系曲線

由圖11可知，本文U形鋼筋濕接縫模型的抗彎承載能力隨著U形鋼筋搭接長度增加而增加，但是增加到一定程度后基本不再增加并且達到與通長直筋模型相同的承載能力.

4 結 論

單純基于拉壓桿模型確定的鋼筋搭接長度偏不安全，基于本文模型計算，搭接長度為兩倍計算長度(即2l0)位移與承載力與通長直筋濕接縫模型基本相同.

1) 濕接縫抗彎承載力隨U形鋼筋搭接長度的增加而增加，但是增長率逐漸降低，最后趨于不變與通長直筋濕接縫相同.

2) 本文研究僅是通過理論計算與有限元仿真，對于U形鋼筋搭接長度的研究還需進一步通過試驗進行驗證.