波形鋼腹板PC組合箱梁剪力連接件力學性能研究

嚴 濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

如今，波形鋼腹板箱梁橋已經得到了廣泛的應用，這種組合梁的受力性能不僅與使用的材料性能有關系，并且同剪力連接件的材料及構造形似有很大的關系。

本文首先介紹了兩種不同類型的剪力連接件，對于依托的工程進行局部的實體模型建立，對比了兩種剪力連接件對于組合梁力學性能方面的影響。

1 常用剪力連接件

通常情況下，剪力連接件大致分為三種不同的類型，一種是翼緣型，一種是嵌入型，最后一種是復合型(即上述兩種類型的結合)。隨著波形鋼腹板PC組合箱梁在實際中的廣泛應用，目前，在實際工程中主要采用S-PBL+栓釘形式和Twin-PBL形式。

2 剪力連接件建模

2.1 建模單元及材料

2.1.1 建模單元

受限于整橋實體建模計算量的巨大，本文僅對剪力連接件的關鍵部位進行實體建模，在建模的過程中，采用單元庫中的SOLID65和SOLID45分別進行混凝土和鋼筋的模擬。

2.1.2 網格劃分

一般情況下，在鋼板的開孔處及混凝土榫柱附近會出現應力集中的情況，所以應當重點關注上述位置的網格劃分，可以使用自由的網格進行一定的加密，而對于其余的部分可以使用映射網格進行較粗的劃分。

2.2 邊界條件和接觸分析

在本文中，混凝土榫柱與開孔鋼板和貫通鋼筋兩種接觸位置都采用了剛體-柔體接觸單元進行接觸的模擬。

3 靜載推出試驗有限元分析

3.1 荷載-滑移曲線分析

通過荷載-滑移曲線能夠得到抗剪剛度、承載力和延性系數等剪力連接件參數，對于上述參數進行研究便可以得出PBL連接件的承載與破壞的機理。

3.1.1 線性階段

分別選取了S4和T4兩種模型在4個孔洞關鍵位置的荷載-滑移曲線，其孔洞的編號順序：由小到大表示加載鋼板到構件的底部位置。當S-PBL連接件和Twin-PBL連接件所施加的荷載分別低于900 kN和1 200 kN時，兩種不同的連接件的滑移量是0.16 mm和0.19 mm，由此可見，兩者產生的滑移量均是比較小的，混凝土在這個階段不會發生破壞。

3.1.2 彈性階段

連接件依靠混凝土榫柱和貫通鋼筋進行剪力的抵抗。在施加荷載的過程中，由于荷載由小變大，貫通鋼筋的抗剪能力要比榫柱大的多，因此榫柱會首先進入塑性的狀態。在此種情況下，貫通鋼筋仍處于彈性的階段。此階段仍然是線性階段。

3.1.3 塑性階段

隨著施加荷載的進一步的增大，剪力連接件中的鋼筋進入了塑形的狀態，在這個階段混凝土榫柱已經完全破壞。荷載-滑移曲線已經表現出了明顯的非線性的特征，在相同的條件下，S-PBL+栓釘連接件的抗剪能力要弱于Twin-PBL連接件。

3.2 應力分析

對于S5模型與T5模型施加一樣的荷載作用，對比分析其應力的分配情況。

3.2.1 整體鋼構件應力

對于兩種不同的連接件在整體上的應力分布，進行對比分析可以得出，Twin-PBL連接件的受力更加的均勻，在鋼板的開孔處出現了較大的應力集中，僅僅在底部處的栓釘表現出應力的增大。

3.2.2 開孔鋼板應力

分析兩種開孔鋼板的應力云圖可以得出：S-PBL+栓釘連接件鋼板在其開孔、頂部及底部位置出現了明顯的應力集中，有些位置已經進入了屈服狀態；而Twin-PBL連接件的應力分布比較均勻，僅在個別的位置出現了應力集中的現象。因此Twin-PBL連接件的受力狀態要明顯的好于S-PBL+栓釘連接件。

4 剪力連接件力學性能分析

4.1 依托工程概況

本文依托工程背景的跨徑是(88+156+88)m。采用的截面形式是單箱單室，使用直腹板。

4.2 局部模型的建立

4.2.1 有限元模型

因為模型的網格劃分較多，采用整體建模的話會有巨大數量的單元，一次計算過程會耗費大量的時間，選取波形鋼腹板PC組合梁的16 m等高節段進行有限元的實體建模，由此發現一些具有規律的結論。模型使用懸臂的方式進行荷載的加載，即節段的一側采用平截面假定，另外一側采用梁端固結(圖1、圖2)。

圖1 節段有限元模型

(a)S-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖2 兩種連接件模型

對于模型的單元劃分使用了自由網格劃分的方式，在鋼板的孔洞位置及栓釘位置都使用了加密的網格劃分，由此確保模型的計算精度。S-PBL+栓釘連接件模型共有847 851個單元，101 670個節點；Twin-PBL連接件模型共有288 651個單元，75 785個節點。

4.2.2 計算荷載

通過Midas Civil所建立的全橋的單梁模型進行梁端荷載分析結果的讀取。通過Midas FEA所建立的節段的實體模型進行梁端荷載、移動荷載及恒載的讀取。依據規范對于梁端的荷載進行一定的組合，其荷載的組合系數如下表1。

對于表1中的不同工況分別進行計算，得出在工況7的荷載作用下，組合梁的節段實體模型會出現最不利的應力。最不利的工況下，最大彎矩為47 800 kN·m，最大剪力為-3 172 kN，軸力為97 400 kN(表2)。

表1 荷載組合

對于移動荷載與二期恒載的加載，可以將其直接作用于箱梁的頂面位置。移動荷載的縱向加載位置可以依據整橋的計算模型得出的內力包絡圖進行確定。

表2 不同工況對應梁端荷載

4.2.3 局部模型受力分析

由圖3可以看出，雖然鋼腹板使用兩種不同類型的連接件，但是其Mises應力云圖所呈現出的規律是基本相似的。在鋼腹板與底板接觸的位置位置出現了最大的應力，因為在此部位采用的是埋入式的連接形式，混凝土的齒塊對于鋼腹板具有一定的嵌固作用，使得此部位的應力比較大。在整體上來看，其是向著梁端逐漸變小的。

(a)S-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖3 波形鋼腹板Mises應力云圖

在施工階段，懸臂梁在底板和頂板位置分別存在受壓和受拉的情況。由圖4看出，采用兩種不同的剪力連接件，在底板的根部部位均出現了最大的壓應力，數值分別是22 MPa和25 MPa。在梁端處，其應力均處在12 MPa左右，數值比較小，并且均在規范要求的范圍之內。

(a)S-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖4 底板主壓應力云圖

由圖5、圖6得出，在兩種不同的模型中頂板束的預應力值是基本相同的，其是由于在局部模型中軸向力要遠遠的大于預應力鋼束上的軸線力，并且在貫通鋼筋的位置，其應力也相差很小。

(a) Twin-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖5 預應力鋼束應力云圖

(a) Twin-PBL連接件

(b) Twin-PBL連接件圖6 貫通鋼筋應力云圖

5 小結

(1)PBL剪力連接件在進入極限狀態以后，貫通鋼筋發揮了較大的承載作用，而PBL剪力連接件在彈性狀態，榫柱發揮了較大的承載作用。

(2)使用多排和多列剪力連接件的時候，其承載能力不是線性疊加，并不是所有的剪力鍵均發揮了作用，采用3～5排剪力鍵為宜。