裝配式T梁縱向連接方式比較及其影響因素研究

任 鵬 王沛源 王向陽

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (天津天怡建筑規劃設計有限公司2) 天津 300110) (武漢理工大學土木工程與建筑學院3) 武漢 430070)

0 引 言

裝配式T梁在高速公路橋中應用越來越多，其裂縫或者其他結構破壞往往發生在連接處，而現階段對于裝配式T梁的縱向連接受力性能研究較為缺乏[1-6].因此，分析各種縱向連接接縫結構的力學性能有助于裝配式結構橋梁的發展，對橋梁設計也提供了一定的理論支持.

文中采用ANSYS軟件建立裝配式T梁模型，以某高速公路裝配式橋梁為背景，通過改變連接接縫構造，對比分析不同縱向連接形式下的受力影響因素問題，以此得到較優的縱向連接構造.

1 工程概況

以某高速公路2×40 m裝配式T梁橋為工程背景，此橋梁上部結構為變截面T梁，橫向布置五片T梁，截面尺寸見圖1.

圖1 橋梁斷面圖 (單位：mm)

混凝土均都采用C50型號混凝土；橋面鋪裝采用8 cm厚瀝青混凝土.預應力鋼筋采用抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強度鋼絞線.

2 裝配式T梁縱向連接模型

2.1 縱向連接形式

裝配式梁常用和新型的縱向連接構造形式主要有以下幾種：豎直接縫、斜接縫、L形或階梯形接縫、齒塊形接縫，見圖2[7-13].

圖2 縱向連接接縫示意圖

2.2 縱向連接模型

1) 混凝土建模 使用SOLID95單元模擬橋梁的混凝土結構，橋梁的混凝土結構有限元模型見圖3.

圖3 混凝土實體模型

2) 預應力鋼筋建模 在ANSYS軟件中采用“實體力筋法”進行預應力的模擬.預應力鋼筋建模的實常數見表1.

表1 預應力鋼筋實常數

3) 縱向連接接縫處理 為了使縱向連接的濕接縫的受力性能區分于預制混凝土T梁，對濕接縫的相鄰混凝土采用約束方程法進行剛性連接，使相鄰的預制T梁在濕接縫截面自由度相同并且相鄰節點通過剛性連接，即受到的變形與應力相同，以此分析不同接縫形式下的接縫處力學性能.

3 縱向連接影響因素計算分析

3.1 斜接縫影響因素分析

對于斜接縫的影響因素主要為傾斜角度的影響，對比分析的為5°、7.5°、10°、12.5°、15°五種傾斜角度.其連接接縫的應力云圖見圖4.

圖4 斜接縫應力云圖

1) 豎向最大變形分析 通過對五種模型豎向變形云圖與最大豎向變形分析，其結果幾乎相同.最大豎向變形均在T梁的跨中位置附近，距離跨中截面偏向T梁端部1 m處.結果見表2.

表2 豎向最大變形

由表2可知，隨著傾斜角度的增加，其跨中附近最大豎向變形無明顯變化.

2) 連接接縫處上、下緣縱向正應力分析 對五種模型的縱向應力云圖與連接處上、下緣應力分析，得知不同的傾斜角度對于連接處上、下緣的應力有明顯影響，其具體結果見表3.

表3 連接處上下緣應力

由表3說明，隨著連接接縫的傾斜角度的增加，其上下緣的縱向正應力均有所減小.過總體應力變化與減小幅度來看，改變斜接縫的傾斜角度是有利于改善裝配式T梁的受力性能.

3) 腹板應力分析 對五種模型的應力云圖與計算數據分析，得知不同的傾斜角度對于腹板的應力有明顯影響，具體結果見表4，為了使結果對比明顯，以5°的斜接縫為類比項，其他傾斜角度的斜接縫為對比項，對比圖為圖5.

表4 腹板應力

圖5 連接處腹板應力對比圖

由表4和圖5可知，橫向壓應力隨著傾斜角度的增大而有所增加，增幅約為4.3%；縱向拉應力隨著傾斜角度的增加有所減小，減幅約為4.4%.最大剪應力隨著角度的增大而減小，并且減小幅度較大，約為19%.

通過剪應力與腹板正應力的分析得知，剪應力減小，斜接縫的傾斜角度使得一部分的剪切應力由相互連接的斜截面承擔，一部分剪應力由連接面擠壓應力的形式表現，從而使得剪應力有所減小.

隨著傾斜角度的增加，連接上、下緣的縱向正應力與腹板剪應力等關鍵應力均有所減小. 為了分析在斜接縫傾斜角度大于15°時的受力性能，對20°的斜接縫進行有限元模擬，對幾種關鍵應力的計算分析見表5.

表5 20°斜接縫應力 單位： MPa

由表5可知，當傾斜角度大于15°時，在斜接縫的傾斜角度從15°增加至20°，其應力降幅已經趨于穩定，對于斜接縫的受力性能的影響較小，但是會增加施工難度與施工工期，不利于裝配式T梁的施工.

綜上所述，考慮以上因素與實際施工中操作難度，斜接縫連接形式應選擇15°為較優選擇.

3.2 L型或階梯型接縫影響因素分析

3.2.1階梯面數量影響性分析

選擇200 mm的階梯面寬度，分別對單階梯面、雙階梯面與三階梯面進行有限元模擬，對三種模型分別命名為L1、L2與L3.具體連接形式見圖6，其應力云圖見圖7.

圖6 階梯形接縫種類

圖7 L形或階梯形接縫應力云圖

1) 連接接縫處應力分析 通過對三種模型應力云圖與應力數據分析，得知三種連接方式對裝配式T梁的連接處受力性能有一定的影響，具體分析結果見表6.

表6 連接接縫處應力

由表6可知，改變階梯數量，影響最大的為下緣縱向拉應力，最大值與最小值的差距幅度在大約45%；其次為腹板剪應力，差距幅度在大約12%；上緣縱向壓應力差距幅度最小，約為9%.

2) 階梯面應力分析 L形或階梯形接縫的階梯面是延T梁縱向的水平面，是階梯形接縫連接形式與其他連接形式的最主要的結構區別，主要分析應力為三種：濕接縫截面的最大剪應力、延階梯面法向方向的豎向壓應力與延T梁縱向的拉應力，具體分析結果見表7.

表7 階梯面應力

由表7可知，三種主要應力都會有所增加：豎向壓應力增加幅度最大，為33.1%；其次為最大剪應力，為28.8%；增加幅度最小的為縱向拉應力，為9.6%.

3.2.2階梯面寬度影響性分析

選擇L1型連接形式為有限元模擬的形式，設置五種模型的階梯面寬度分別為100，150，200，250和300 mm，分別命名為L100，L150，L200，L250，L300型.

1) 連接接縫處應力分析 通過對五種模型的應力云圖與應力數據分析，得知五種連接方式對裝配式T梁的連接處受力性能有較大的影響.具體分析結果見表8.

表8 連接接縫處應力

由表8可知，隨著階梯面寬度的增加，三種主要應力均呈現先減小后增加的趨勢，尤其以下緣縱向拉應力與腹板剪應力的增減幅度最為明顯，上緣縱向壓應力數據變化幅度較小.

2) 階梯面應力分析 對五種模型應力云圖與應力數據分析，得知五種連接方式對裝配式T梁的連接處階梯面的受力性能有較大的影響，具體結果見表9.

表9 階梯面應力

由表9可知，隨著階梯面寬度的增加，延階梯面方向的最大剪應力會有明顯的增加，最大值約為最小值的4倍；豎向壓應力的變化也較大，最大值約為最小值的2倍.

3.2.3L形或階梯形接縫影響因素分析總結

通過實際情況與模型的分析得知，階梯面這種特殊構造承擔了原本接縫承擔的剪應力與大部分的豎向與縱向正應力. 在施工條件允許與實際情況良好的情況下，L2型即雙階梯形為較優選擇；但一般來說，為了防止連接處出現拉應力破壞與簡易施工，L1型為較優選擇.

在階梯面寬度較小時，階梯面不能夠承擔連接處的所有應力，其抗剪性能未能充分發揮其作用，因此其剪應力值較小.

綜上所述，L200型即階梯面寬度為200 mm的L形接縫連接形式，為改善裝配式T梁的受力性能較優的選擇.

3.3 齒塊型接縫影響因素分析

根據之前相關研究表明，齒鍵的傾斜角度應與混凝土剪切破壞裂縫(與水平面為45°夾角)一致，齒鍵構造見圖8.

圖8 齒鍵構造示意圖

根據實際工程要求與有限元模型模擬需求，選擇深度為70，75和80 mm的齒鍵，分別將其命名為D70、D75與D80型.為了對比不同齒鍵間距的性能，選取D70與D75型，改變其間距大小，分別使間距S為1/2、1與3/2的齒鍵深度進行有限元模擬對比分析.不同的齒塊形接縫連接類型見表10.

表10 模型編號

通過對七種模型的分析得知，其豎向最大變形與跨中截面應力無明顯差別，因此，下面將對連接處應力與齒鍵應力進行重點分析.其應力云圖見圖9.

圖9 齒塊形接縫應力云圖

3.3.1齒鍵深度影響性分析

選擇齒鍵間距都為S=D的D70-1、D75-1與D80-1三種模型進行對比計算分析，并且將其齒鍵編號按從上緣至下緣分別編號為α1～α7.

1) 連接接縫處應力分析 通過對三種模型的應力云圖與應力數據分析，得知三種連接方式對裝配式T梁的連接處受力性能有一定的影響.具體分析結果見表11；為了顯示其各種應力的增減幅度與比例，使D70-1型為類比項，其余兩種為對比項(以下相同).

表11 連接接縫處應力

由表11可見，改變齒鍵的深度對裝配式T梁的連接處的上、下緣應力影響較小，但縱向正應力都呈現增加的趨勢.

2) 齒鍵應力分析 對三種有限元模型的七個齒鍵的應力數據進行分析，將上緣至下緣的齒鍵應力繪制成圖10.

圖10 齒鍵應力圖

由圖10可知：不同的齒鍵深度對于齒鍵的受力性能是有明顯的影響.由齒鍵應力圖所示，在縱向與豎向應力圖中，α1與α7應力變化最明顯；剪應力圖中極大值變化最為明顯，使其對比結果明顯，見圖11～12.

圖11 齒鍵α1與α7應力對比圖

圖12 齒鍵最大剪應力對比圖

由圖11a)可知，靠近上緣的α1應力最大，在α4處應力值最小，對實際模型的變形分析可知，此處為腹板受拉區域；但在齒鍵深度D大于80 mm時，腹板受拉區會消失.由圖11b)可知，靠近下緣的α7應力最大，在α4處應力出現突變，此處為T梁腹板截面變形處，變化處易出現應力集中.由圖11c)可知，上緣附近齒鍵α1應力隨著齒鍵深度增加而減?。幌戮壐浇凝X鍵α7應力隨著齒鍵深度增加而增大，并且變化較大.隨著齒鍵深度的增加，齒鍵的最大剪應力增加幅度較為明顯，極值之間的差距為50%.

3.3.2齒鍵間距影響性分析

選擇具有相同齒鍵數量的D70-1/2、D70-1、D70-3/2與D75-1/2、D75-1、D75-3/2兩組有限元模型進行對比計算分析.

1) 連接接縫處應力分析 通過對D70與D75兩組六種模型的主應力云圖與應力數據分析，得知六種連接方式對裝配式T梁的連接處受力性能有一定的影響.具體分析結果見表12.

表12 連接接縫處應力

由表12可知，改變齒鍵間距對于連接處的應力影響較小，D70型應力變化在3%～5%之間；D75型應力變化在4%～6%之間.但是，無論是增加齒鍵間距還是減小齒鍵間距，其上下緣的應力都會有一定值的增加，因此，需要通過結合其他細部構造共同分析.

2) 齒鍵應力分析 通過對六種有限元模型的分析計算，從計算結果中篩選并匯總七個齒鍵的應力數據，將上緣至下緣的齒鍵應力見圖13～15.

圖13 縱向正應力

圖14 豎向壓應力

圖15 剪應力

六種模型的齒鍵應力圖與上以節相似，根據上一節的分析內容，將S-1/2為類比項，其他兩項為對比項，做對比圖見圖16～18.

圖16 D70型齒鍵α1與α7應力對比圖

圖17 D75型齒鍵α1與α7應力對比圖

圖18 齒鍵最大剪應力對比圖

由圖16可知:α1的應力隨著齒鍵間距的增加而減小，但減小幅度較??；下緣附近的齒鍵α7應力變化最為明顯，且都呈現S-1型的應力較小.由圖17可知:α1的應力變化較為明顯，都呈現S-1型應力較?。沪?應力隨著齒鍵間距的增加而增加，但增加幅度相比α1的變化幅度較小.由圖18可知:兩種類型的接縫的最大剪應力都呈現隨著齒鍵間距增大而減小的趨勢，并且D75型相比D70型的變化幅度較大.

3.3.3齒塊形接縫影響因素分析總結

1) 齒鍵深度的增加使得連接處上、下緣應力與最大剪應力都有一定值的增加，齒鍵的應力在下緣附近也顯著增加，但齒鍵深度較小不能解決腹板受拉區域的問題，因此選擇75 mm型齒鍵.

2) 改變齒鍵間距，當間距S等于深度D時，連接處上下緣的應力最小.其主要原因為，改變齒鍵間距，使得陰陽面的齒鍵形狀不一致，導致其受力變形有一定的差別.

3) 齒鍵間距的增加，使得齒鍵的最大剪應力有一定值的減小，D70型減小幅度約為3%，D75型減小幅度約為10%.較小的齒鍵間距，使得齒鍵較為密集，局部會有應力集中問題，但有利于承擔T形截面中性軸處的最大剪應力.

綜上所述，對于此裝配式T梁，一般來說，齒鍵間距等于齒鍵深度的構造對于改善裝配式T梁的受力性能為最佳的選擇；也可根據實際工程情況進行適當改變，但應該使S/D在1與3/2之間變化.

4 結 論

1) 隨著傾斜角度的增加，其連接細部的主要應力都有所較小，但局部變形會變大，所以在考慮施工難度與安全性原因，15°的傾斜角度為較優選擇.

2) 隨著階梯面數量的增加，剪應力會減小但拉應力有一定的增加；階梯面寬度的過小，使得階梯面不能完全發揮其作用，而過寬會使重要應力增加；所以選擇單階梯面200 mm寬度的L形接縫為較優選擇.

3) 齒鍵深度的過小無法解決腹板附近產生的拉應力問題，而過大使得下緣應力增加較大；齒鍵間距過小導致齒鍵密度增加，應力集中問題嚴重，而間距過大使得下緣附近齒鍵應力明顯增加；綜上考慮，選擇齒鍵間距與深度相等的75 mm深度齒鍵(厚度為225 mm)類型為較優選擇，并且施工種盡量選擇齒鍵間距與深度比為1～3/2的齒鍵類型.