二次澆筑下鋼混組合梁橋面板結合面受力分析及優化

李松斌,張定馬,劉國坤

(1. 中交第四航務工程局有限公司,廣東 廣州 510290;2.中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100008；3.湖南省交通科學研究院有限公司,湖南 長沙 410015)

0 引言

鋼混組合梁作為近年來興起的一種新型結構形式，其具有自重輕、施工速度快、充分發揮材料性能、標準化制造等優勢，廣泛應用于公路橋梁中[1-2]。其一般施工工序為：吊裝工字鋼或鋼箱梁，待栓接或焊接后安裝橫梁(部分橋梁還存在小縱梁安裝的工序)，隨后進行橋面板澆筑或吊裝預制橋面板并澆筑濕接縫(部分橋梁還存在以預制橋面板為模板再現澆混凝土橋面板的情況)。對于此類鋼混組合梁，預制橋面板為消除收縮徐變影響往往需至少存放半年以上，因而存在3類橋面板二次澆筑下的新舊混凝土結合面：其一為預制橋面板與濕接縫混凝土，其二為預制橋面板與現澆混凝土橋面板，其三為預制橋面板、濕接縫、現澆混凝土橋面板三者共同界面。橋面板結合面粘結性能的優劣，直接影響到鋼混組合梁承載能力，與自重、活載作用下的響應息息相關[3]，因而研究橋面板結合面性能并提出相應改善方法，對推廣鋼混組合結構的適用范圍、優化施工工序，具有重要意義。

針對混凝土結合面性能，國內外學者進行了大量研究。XIAO[4]等針對不同配合比混凝土結合面在周期剪切荷載下的力學性能進行了研究；LONG[5]等研究了新舊混凝土中離子傳輸特性，給出了新混凝土選擇原則；BEHFARNIA[6]等對比了不同粗糙度、養護條件、結合面含水量的新舊混凝土粘結性能差異；ROBERT[7]等根據直剪試驗結果，給出了不同鋼筋連接件埋置深度下的剪應力-結合面滑移曲線。

上述研究主要集中于單一混凝土試件，而對于鋼混組合梁，其混凝土橋面板常于梁場預制并長時間存放，其齡期相較于現場澆筑試件存在一定差異，且隨著工程進度滯后而差異增大，考慮到鋼混組合梁與傳統單一材料梁在材料、剪力連接件、負彎矩區受力存在顯著差異，目前較少有對存在齡期差異的二次澆筑下橋面板新舊混凝土結合面的研究，且未考慮結合面性能對組合梁整體結構的影響。因此，本文擬基于相關學者的研究，采用試驗及有限元方法(FEM)對鋼混組合梁混凝土橋面板二次澆筑結合面性能展開分析，研究其對鋼混組合梁受力特性的影響，并給出相應改善方法，為相關設計、施工提供參考。

1 數值仿真試驗

正確的混凝土結合面數值仿真方法是對結合面受力分析及優化的前提，現依據相關試驗，建立FEM模型并對其正確性加以驗證，對比一次澆筑及二次澆筑結合面處的力學性能差異，為下文鋼混組合梁橋面板二次澆筑結合面受力分析及優化奠定基礎。

1.1 試驗概況

文獻[8]設計了新舊混凝土界面抗剪性能測試試驗，試件平面幾何參數如圖1所示，厚度為100 mm，混凝土強度等級為C40，力筋為直徑16 mm的HRB400鋼筋，植筋為直徑14 mm的HRB400鋼筋，其中s3試件分別有3種槽口寬度a為40、60、90 mm，試件標號分別為s3-40、s3-60、s3-90。試件采用位移加載，于正式加載前進行預估最大荷載15%的預加載，持荷15 min后緩慢卸載。正式加載按0.05 mm每級加載至試件破壞或剪切滑移量至4 mm。

(a) 試件s1(b) 試件s2(c) 試件s3

1.2 數值模型

采用ABAQUS建立1.1節中加載試件的數值模型，以試件頂面位移形式實現加載，采用幅值方式模擬分級加載形式；為使FEM模型與實際加載狀況一致，使其不發生水平位移，約束分配梁側面水平面內平動自由度；C40試件底部采用固定約束，令其U1，U2，U3這3個方向平動自由度為0；混凝土及分配梁種子近似尺寸10 mm，采用C3D8R單元劃分網格；對于試件力筋及植筋，建立實體鋼筋通過嵌入混凝土構件的方式實現鋼筋-混凝土相互作用，種子近似尺寸4 mm，采用C3D8R單元劃分網格。試件s1整體模型網格劃分見圖2，其余模型網格劃分類似，在此不一一列出。

圖2 s1試件FEM模型Figure 2 The FEM model of piece s1

1.2.1本構關系

試驗中涉及C40、HRB400兩類材料。為精細模擬新舊混凝土界面性能及植筋后結構受力特性，僅采用線彈性本構是不滿足分析精度要求的。為此，對于鋼材，采用改進的多折線形式的彈性強化模型，屈服前應力-應變曲線為斜直線，屈服后應力-應變曲線為多段直線，如圖3(a)所示，拉壓彈性模量均為Es=2.06e5 MPa，泊松比υ=0.3[9]；對于混凝土，依據《混凝土結構設計規范GB50010-2010》[10]， C40彈性模量Es=3.25e4 MPa，泊松比υ=0.2，采用LEE及FENVES[11]改進的混凝土損傷塑性本構，該模型假定混凝土材料破壞原因為拉伸開裂與壓縮破碎(單軸拉壓應力-應變關系見圖3(b)、 圖3(c))，通過損傷因子描述材料剛度退化，主要表達式為：

(1)

(a) 鋼材應力-應變

1.2.2混凝土結合面模擬方法

EMMONS[14]等指出，混凝土結構可劃分為新、舊、界面區混凝土3個部分，僅依靠新舊混凝土間粘結力往往不足以保證結構強度，往往需通過機械連接方法對界面進行加固處理。因此，如何準確模擬界面區混凝土是數值模型標定的關鍵?，F考慮通過如下3種方式模擬界面區混凝土:

a.考慮到實際結構使用中，其所受荷載往往不使其發生破壞，新舊混凝土結合面一般不發生相對滑移，因此可對新舊混凝土采用綁定約束模擬界面結合[15]。

b.上述試驗中分配梁頂部需不斷增大豎向荷載直至試件破壞，為考慮構件破壞時新舊混凝土結合面滑移、開裂等情況，采用接觸對定義新舊混凝土結合面，并對接觸定義切向行為與法向行為，其中切向行為以罰形式定義，摩擦系數取0.2，法向行為以硬接觸定義[16]。

c.額外劃分界面區混凝土區域，定義為粘結單元，賦予Cohesive屬性，以模擬構件破壞時界面區失效[17]。

現對3種模擬方式下各構件開裂荷載及極限剪切荷載FEM值及實驗值進行對比，如圖4所示。

(a) 開裂荷載

從圖4可以看出，3種新舊混凝土界面模擬方式中，法(2)精度最低， 而法(3)精度最高， 但考慮到法(3)采用Cohesive單元需消耗大量計算資源，效率較低，而法(1)則在保證一定精度的前提下最大程度提高了計算速度，因此，當計算對精度需求一般時，采用法(1)可加快計算速度，節約時間。

1.3 數值計算結果驗證分析

利用文獻[8]給出的實驗結果對文本FEM模型進行驗證，二者對比見圖5。

(a) 開裂荷載

從圖5可知，本文FEM模型對一次澆筑與二次澆筑混凝土界面進行了良好的模擬，各個試件主要參數指標與試驗值基本保持吻合，說明了本文數值模型的有效性與正確性。而橫向對比各個試件計算結果，可以發現，即便采取了植筋措施，但試件s2各項性能指標仍顯著劣于一次澆筑試件s1，而采用不同寬度溝槽后，s3試件則在s2試件基礎上提高了各項性能指標，但相較于一次澆筑試件，s1仍有一定差距。

上述試驗及FEM結果表明，對于橋面板混凝土二次澆筑結合面，其受力性能相較于一次澆筑存在著明顯下降，而對于鋼混組合梁，其橋面板常采用預制混凝土板+濕接縫的構造，某些組合梁還會在預制混凝土板+濕接縫的基礎上再設計一層現澆混凝土板，此時，由于預制橋面板一般需存放半年以上以消除收縮徐變的影響，而濕接縫及橋面板現澆混凝土與預制板之間將存在混凝土結合面。同時，考慮到鋼混組合梁相較于普通混凝土梁在組合材料、負彎矩區受力狀態、剪力連接件上存在顯著差異，因此，有必要針對工程實例，考慮實際受荷對橋面板結合面位置進行受力分析，明確其受力狀態并采取優化措施進行優化。

2 混凝土橋面板結合面性能

2.1 工程背景

某高架橋第二聯采用(3×29.6)m鋼板組合梁，梁體以路線中心為軸，雙向1.5%橫坡，主梁采用“工字型鋼主梁+預制混凝土橋面板+現澆橋面板”組合結構。綜合考慮鋼梁及混凝土橋面板受力、節段運輸及起吊重量等因素，橫向布置8片工字鋼梁；橋面板上采用9 cm瀝青混凝土鋪裝，橋面板及鋼梁上翼緣均采用橫坡傾斜布置，鋼梁下翼緣按橫向按平坡布置(見圖6)。

圖6 鋼混組合梁斷面布置圖Figure 6 Section layout of steel-concrete composite beam

工字鋼主梁高120 cm，工字鋼主梁上翼緣寬600 mm(厚18、28、40 mm，上對齊)，下翼緣寬800 mm(厚22、32、40 mm，下對齊)，腹板厚16 mm。鋼梁按直線平行布置，在端、中橫梁處設置折角適用曲線變化。

橋面混凝土板采用鋼筋混凝土疊合板結構，橋面板高30 cm(由10 cm厚預制混凝土板和20 cm厚現澆混凝土板疊合構成)，懸臂端部板厚18 cm，預制板尺寸為1(順)×2.5(橫)×0.1(厚) m，預制橋面板由預制廠加工完成后，運輸至現場安裝，并作為后澆層混凝土的模板。預制板按標準尺寸預制，通過中橫梁及端橫梁處現澆段調整曲線變化，橋面外輪廓曲線通過上層現澆板形成。

上部結構鋼梁及預制橋面板均為預制構件，鋼梁節段現場連接之后形成連續結構之后，分塊吊裝預制橋面板，(單塊預制板平面尺寸為2.5 m×1.0 m，可確保預制板吊裝強度，橫橋向通過濕接縫聯系)，澆筑濕接縫及現澆橋面板至設計強度。本工程實例采用上述構造的原因在于，鋼 — 混凝土疊合板結構，相較于現澆組合結構，節省大量支模時間與工序，施工速度快，吊裝質量輕，現場混凝土澆筑量小，綜合效益好；相較于預制組合結構，其橋面整體性更佳，現澆層混凝土基本無齡期差異，收縮徐變影響更趨于一致，線型更為平順，且該橋位于市區內，受制于吊裝設備限制，采用先預制后現澆的方式，一方面降低了吊重，有利于降低施工風險，另一方面也降低了對吊裝設備噸位及作業條件的要求，可采用多臺設備同步施工。上部結構預制及安裝流程如下：① 在工廠內分別制作鋼梁節段及預制橋面板，其中預制橋面板存板至少6個月;② 根據橋位實際情況，施工橋墩及臨時墩;③ 鋼梁及預制橋面板從工廠通過水運或陸運，運輸至橋位現場;④ 吊裝架設鋼橫梁及鋼主梁，鋼梁節段之間螺栓連接形成連續結構，鋼箱間橫向聯系現場螺栓連接;⑤ 拆除臨時支墩，完成支承體系轉換;⑥ 橋下吊裝預制橋面板，并澆筑正彎矩區濕接縫及現澆橋面板，待混凝土至設計強度90%以上澆筑負彎矩區濕接縫及現澆橋面板;⑦ 施工橋面鋪裝及其他附屬設施。其中鋼梁架設應在兩側現澆箱梁預應力張拉完槽口封錨以后進行。

2.2 多尺度FEM模型建立

對于上述工序，《公路鋼混組合梁橋設計與施工規范(JTG/T D64-01-2015)》第12.5.1條指出，“橋面板安裝前，宜存放6個月以上”，以消除混凝土收縮徐變影響，而在預制混凝土橋面板吊裝完畢、澆筑濕接縫后又需進行現澆橋面板施工，而施工進度的不統一又進一步增大了預制與現澆構件的混凝土齡期差異。此處預制橋面板與濕接縫、預制橋面板與現澆橋面板之間均存在新舊混凝土結合面，現通過第1節經過驗證的數值模擬方法，建立多尺度FEM模型，對該工程實例界面區混凝土加以分析。其中，對于預制橋面板，根據現場進度，齡期約為9個月，濕接縫與現澆混凝土橋面板均為連續澆筑，差異相對較小。此時二次澆筑面主要為預制板與現澆混凝土的結合面。

鋼混組合梁中，鋼梁采用殼單元模擬，支座、混凝土預制板、濕接縫及現澆橋面采用實體單元模擬，模型共173122個節點，139 900個單元；按第1.2.1節方法，鋼材采用改進的多折線形式的彈性強化模型，混凝土采用改進的混凝土損傷塑性本構，支座材料按設計圖紙中相應剛度加以換算，以理想彈性模型進行考慮；由第1.2.1節方法，殼單元與殼單元、實體單元之間采用綁定相互作用，實現各類結構的接觸關系；采用Model Change實現不同構件的分階段激活，并考慮單元應變的重激活，以實現正確的隨時間變化的結構形變；對支座底面按三跨雙支座連續梁施加約束，以模擬實際結構中支座對結構豎向、橫向、縱向的約束；激活豎向重力加速度9.806 m/s2以計算結構自重，采用壓強荷載模擬鋪裝層及護欄等二期荷載對結構的作用；殼采用S4R單元，實體采用C3D8R單元，結構主要部件見圖7所示。

(a)鋼梁

2.3 橋面板結合面受力特性

現考慮施工過程，對濕接縫澆筑、橋面澆筑以及二期階段新舊混凝土結合面受力特性進行分析。其中，新舊混凝土結合面主要包括3類：① 預制板與濕接縫結合面，包括中板縱向路徑A1，邊板縱向路徑C1，橫向路徑B1；② 預制板與現澆橋面結合面，包括中板縱向路徑A2，邊板縱向路徑C2，橫向路徑B2；③ 預制板、濕接縫、現澆橋面結合面，包括中板縱向路徑A3，邊板縱向路徑C3，橫向路徑B3。具體界面及路徑位置見圖8，9種結合面靠近軸線與鋼橫梁平面投影交點處為分析路徑起點，路徑在各個施工階段下最大主應力增量對比見圖9(已扣除預應力張拉對混凝土應力的影響，考慮到對于混凝土結構常采用最大主應力分析其受力狀態并作為破壞準則，故僅對比結構自重及二期作用下的最大主應力增量)，豎向位移增量對比見圖10(對于中板縱向路徑A1、A2、A3，其空間位置較為接近，豎向位移相差較小，故僅給出A1路徑豎向位移沿路徑距離的曲線，同理僅給出B1、C1路徑豎向位移沿路徑距離的曲線進行對比)。

圖8 新舊混凝土結合面及路徑示意圖

(a)中板縱向路徑A

由圖9橫向對比，對于(1)類結合面，由于澆筑濕接縫后才形成預制板與濕接縫的新舊混凝土結合面，且澆筑過程中預制板搭接于鋼梁上，僅受鋼梁頂面支撐作用，水平面方向除開摩擦力外不受約束，故濕接縫澆筑時其自重作用基本不對(1)類結合面產生應力，而現澆橋面自重則對結合面應力產生較大作用，隨著二期恒載的逐步增加，A1路徑的最大主應力由1.05 MPa減小至0.72 MPa，B1路徑最大主應力變化甚微，C1結合面最大主應力由-1.37減小至-1.00 MPa；對于(2)類結合面，在橋面現澆后形成預制板與現澆橋面新舊混凝土結合面，縱向路徑A2、C2最大主應力變化不大，僅靠近中橫梁負彎矩區存在一定差異，遠離中橫梁的正彎矩區最大主應力較為一致，橫向路徑B2靠近軸線位置隨著二期恒載增加最大主應力減小約2.00 MPa，增加了應力儲備，對結構運營狀態更為有利；對于(3)類結合面，A3、B3、C3路徑變化形式與(2)類結合面基本一致。

由圖9縱向對比，對于路徑A、B、C，隨著二期恒載的增加，路徑最大主應力波動減小，且整體呈下降趨勢，僅(2)類結合面最大主應力略微增加。可見，隨著結構恒載的變化，(2)類結合面存在應力增大，對結構受力存在不利作用。

由圖10(a)可見，對于路徑A1，欄桿安裝減小了其豎向位移，橋面鋪裝則使豎向位移增大至-15.6 mm，這主要原因在于欄桿主要作用于邊板，而路徑A1位于中板，欄桿荷載使邊板向下撓曲的同時會使中板存在一定的上撓，圖10(b)及圖10(c)也反應了這一結構變形特點，橫向路徑B1隨著二期荷載的增加，靠近邊板的部分出現下撓而靠近中板的部分出現上撓，距離中軸線約4 m處出現零位移點；邊板縱向路徑C1則隨著二期荷載的增加下撓逐漸增大。

(a) A1路徑

對于此類鋼梁格+混凝土預制板+現澆橋面的鋼混組合梁，考慮到圖10及圖11中的應力及位移特點，可以發現，各個施工階段下橋面板不同位置不同新舊混凝土結合面的位移及最大主應力變化趨勢不同，對于縱向路徑，其位移變化基本隨恒載增加而增大(忽略護欄施工時中板略微上撓)，而最大主應力隨著恒載增加而基本減小，僅負彎矩段存在一定波動；對于橫向路徑，其位移沿路徑發生反向彎曲，在設計橫向預拱度時需考慮自重作用對結構預拱度的影響；同時，對于橫向路徑以及第(2)類新舊混凝土結合面均存在最大主應力增加的情況，其最大主應力變化較大的位置出現在橫向路徑以及縱向路徑的端部，即結構負彎矩段，對此應考慮采取相應措施對該路徑區域受力特性加以改善。

3 混凝土結合面受力優化

針對第2節計算結果，上述鋼混組合梁負彎矩段橋面板結合面最大主應力較大，對結構不利，對此考慮以下兩種方案對混凝土結合面性能進行優化：

a.調整工序。由第2.3節，橋面現澆后縱向路徑存在一定下撓，此時會使結構負彎矩區最大主應力增加，考慮采用調整施工工序的方式避免負彎矩區預制板與濕接縫、預制板與現澆橋面以及預制板、濕接縫、現澆橋面新舊混凝土結合面應力過大，主要采用兩種子方案進行改善：① 將濕接縫與現澆橋面分次澆筑改為一次整體澆筑；② 先澆筑縱向正彎矩區濕接縫，后澆筑負彎矩區橫向濕接縫，然后進行橋面澆筑。

b.混凝土結合面植筋。由文獻[18]，新舊混凝土結合面植筋后其破壞荷載與開裂荷載試驗值與FEM值均得到一定提升，故考慮采用文獻中三角排列植筋方式，對新舊混凝土結合面予以加強。

考慮到二期恒載作用下，上述兩種方案混凝土結合面應力增量與位移增量均不發生變化，且改變工序或植筋僅對施工過程位移產生較大影響，而對二期恒載階段結構位移影響較小，現僅給出上述混凝土結合面受力優化方案下二期恒載施工完成后各路徑下最大主應力的變化曲線，見圖11。

(a)中板縱向路徑A

由圖11可知，對于中板縱向路徑，方案1-a及方案1-b可以有效降低(1)類正彎矩段預制板與濕接縫新舊混凝土結合面最大主應力，但對于(2)類、(3)類結合面其應力改善效果不甚理想，且在靠近支點位置處相較于原方案產生了較大的主拉應力，降低了相應位置結構的應力儲備；方案2在中板縱向路徑上最大主應力普遍低于原方案，起到了較好的改善結合面應力效果，除(1)類結合面跨中區域主應力偏高外，其余路徑上方案2最大主應力均為4種方案里最低值，且方案2靠近負彎矩段最大主應力均小于或接近0，相較于其他方案其應力儲備更佳。

對于橫向路徑，3類結合面4種方案下的沿路徑的最大主應力曲線不存在明顯趨勢，原方案與方案2變化趨勢基本一致，靠近中軸線處最大主應力趨近于0，遠離中軸線處最大主應力均為負值；方案1-a與1-b相較于原方案與方案2，其路徑上最大主應力呈波動狀態，且普遍較高，因此相對于原方案使最大主應力下降的方案2起到了對3類橫向路徑結合面應力的改善作用。

對于邊板縱向路徑，方案1-a、1-b；改善了(1)類結合面正彎矩段預制板與濕接縫新舊混凝土結合面最大主應力，但同時亦增大了負彎矩段最大主應力，對結構受力有利有弊，而對于(2)類、(3)類結合面則影響不大；方案2在原方案基礎上整體降低了沿路徑的最大主應力，具有較好的改善效果。

綜上，采用方案2植筋的方式對結構混凝土結合面受力的優化效果較為顯著,且具有一定規律，對于3類結合面下的3種路徑，方案2均使路徑上的最大主應力相較于原方案降低了部分，而調整工序則對跨中正彎矩段縱向路徑起到了應力分布改善的作用，對于其他情況則無作用甚至不利于結構安全。因此，建議對于此類鋼混組合梁，考慮采用部分結構調整工序+植筋的措施，對3類混凝土結合面受力進行優化，以增強結構安全性，提高應力儲備。

4 結論

本文基于混凝土結合面試驗，對FEM模型進行驗證，并以此為基礎對鋼混組合梁橋面板二次澆筑結合面性能展開研究，并給出了改善混凝土結合面受力特性的相應措施，得出以下結論：

a.采用考慮混凝土損傷塑性本構以及鋼材多折線彈性強化本構的數值模擬方法能較好地模擬二次澆筑混凝土及鋼筋的材料特性，對結合面使用綁定的約束模擬界面連接能在保證精度的基礎上節約計算時間，而基于混凝土結合面剪切試驗與數值模型計算結果，二次澆筑會顯著降低結構承載能力，而采用植筋、槽口等方式會不同程度改善結合面受力，提高其開裂荷載與極限抗剪荷載。

b.對于鋼混組合梁，3類結合面的縱向、橫向路徑隨施工階段推進其最大主應力與豎向位移均發生不同變化，其中(1)類結合面各路徑最大主應力隨恒載增加而減小，(2)類、 (3)類縱向路徑隨恒載增加其正彎矩區路徑最大主應力基本不變，而負彎矩區存在最大主應力增大的情況，橫向路徑最大主應力存在波動增加的情況；縱向路徑位移變化基本隨恒載增加而增大(忽略護欄施工時中板略微上撓)，橫向路徑存在反彎曲，距離中軸線約4 m處出現零位移點。

c.對于鋼混組合梁中橋面板二次澆筑結合面，調整工序可以改善正彎矩段結合面受力但對其他部位則無作用甚至不利于結構安全，而植筋則可以較為有效且具有規律性的降低結構最大主應力，具有較好的改善作用，因而采用合理調整部分結構工序+植筋的方式可以起到改善結合面受力特性，增加結構應力儲備。