鋼-UHTCC組合橋面板彎曲承載性能研究*

李懷峰，劉 鑫，賀 攀，李慶華，童精中，徐世烺

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.浙江大學(xué)高性能建筑結(jié)構(gòu)與材料研究所，浙江 杭州 310058)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕和抗拉強度高的特點，但容易存在受壓失穩(wěn)及疲勞問題，因此適合做受拉構(gòu)件。混凝土具有自重大、造價低、抗拉強度低和抗壓強度大的特點，一般無需考慮失穩(wěn)問題，適合做受壓構(gòu)件[1]。橋面板作為橋梁體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分，直接承受車輪荷載并將荷載傳遞至下部結(jié)構(gòu)[2]。相較于傳統(tǒng)的以瀝青為鋪裝層的正交異性橋面板結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合橋面板通過栓釘?shù)燃袅B接件將混凝土和正交異性鋼橋面板連接成一個整體結(jié)構(gòu)從而共同受力，讓混凝土在荷載作用下受壓，讓鋼結(jié)構(gòu)部分受拉，充分發(fā)揮了兩種材料各自的優(yōu)勢[3]。

鋼橋面板多采用正交異性板，其構(gòu)造復(fù)雜，縱橫向加勁肋多，從而導(dǎo)致整個橋面板中的焊縫數(shù)量較多[4]，而焊縫中往往存在著夾渣、咬邊等微觀缺陷，在疲勞荷載下，容易從這些微觀缺陷處衍生出裂紋，從而發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象[5]。采用混凝土作為鋪裝層，能夠增加整體結(jié)構(gòu)的剛度，降低應(yīng)力幅，從而有效降低疲勞開裂的風(fēng)險。采用混凝土作為鋪裝層還能夠避免鋪裝層和面板之間發(fā)生脫層、推移、擁包的破壞[6]。

鋼-UHTCC組合橋面板作為一種具有發(fā)展前景的新型組合橋面板結(jié)構(gòu)，對其受力性能的研究至關(guān)重要，進(jìn)行工程試驗是研究組合結(jié)構(gòu)的一種良好方法，但是成本太高[7]。因此本文利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模，對鋼-UHTCC組合橋面板進(jìn)行縱向正彎矩受力性能分析，并提出一種正彎矩作用下組合結(jié)構(gòu)的承載力理論計算公式。

1 組合橋面板結(jié)構(gòu)構(gòu)造

新型組合橋面板結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鋪裝層、橋面板和板式加勁肋組成，鋪裝層與鋼橋面板之間通過剪力釘連接。鋪裝層采用UHTCC材料，UHTCC是一種超高韌性水泥基材料，其拉伸應(yīng)變可穩(wěn)定地達(dá)到3%，甚至高達(dá)6%，是普通混凝土的200～700倍，是鋼筋屈服應(yīng)變的10～20倍[8]。鋼材采用Q355鋼，UHTCC材料的力學(xué)性能參考前人研究[9]，如表1所示，鋼材力學(xué)性能如表2所示。

圖1 新型橋面板構(gòu)造

表1 UHTCC力學(xué)性能參數(shù)

表2 鋼材力學(xué)性能參數(shù)

考慮到UHTCC主要受壓，而受拉主要由鋼結(jié)構(gòu)部分承擔(dān)，鋼筋對組合結(jié)構(gòu)的承載力和剛度較小，因此為了簡化計算，忽略鋼筋的作用[10]。結(jié)合實際工程可以將鋪裝層和鋼橋面板之間視為完全連接，因此可以將圖1的結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡化成如圖2所示。這樣一來影響結(jié)構(gòu)承載力的設(shè)計參數(shù)包括：UHTCC層厚度tc，板肋個數(shù)nf，板肋厚度tf，板肋高度hf，橋面板寬度b。考慮到板肋寬厚比的限定，設(shè)置寬厚比hf/tf為13，因此將6個設(shè)計參數(shù)縮小成5個設(shè)計參數(shù)。

圖2 組合橋面板橫截面示意

2 理論極限承載力計算

正彎矩作用下，組合橋面的承載力計算遵循如下假設(shè)。

1)UHTCC與鋼橋面板之間不存在滑移或滑移很小，符合平截面假定。

2)試件破壞時全截面受力且處于塑性狀態(tài)。

由于中和軸位置隨著設(shè)計參數(shù)的改變而改變，因此需要分成3種情況討論：中和軸在UHTCC層中，中和軸在鋼橋面板中，中和軸在板肋層中。

2.1 中和軸在UHTCC層中

中和軸在UHTCC層中的情況如圖3所示，由于UHTCC具有應(yīng)變硬化現(xiàn)象，因此假設(shè)UHTCC開裂仍不退出工作。

圖3 中和軸在UHTCC層中的應(yīng)力分布

由平衡方程：

σccb(tc-h0)=σctbh0+σstbts+σstnftfhf

(1)

得到：

(2)

從而得到極限彎矩：

(3)

式中：σcc和σct分別為UHTCC材料的抗壓強度和抗拉強度；σst為鋼材的抗拉強度。

2.2 中和軸在鋼橋面板層中

中和軸在鋼橋面板層中的情況如圖4所示。

圖4 中和軸在面板層中的應(yīng)力分布

由平衡方程：

σccbtc+σscb(ts-h0)=σstbh0+σstnftfhf

(4)

得到：

(5)

從而得到極限彎矩：

(6)

式中：σsc為鋼材的抗壓強度。

2.3 中和軸在板肋層中

中和軸在板肋層中的情況如圖5所示。

圖5 中和軸在板肋層中的應(yīng)力分布

由平衡方程：

σccbtc+σscbts+σscnftfh0=σstnftf(hf-h0)

(7)

得到：

(8)

從而得到極限彎矩：

(9)

2.4 極限承載力修正

在實際工程結(jié)構(gòu)中，由于鋪裝層和鋼橋面板層之間的栓釘連接難以做到完全剪力連接，因此極限承載力需要做出一定修正，結(jié)合前人的試驗研究[7,10]以及有限元結(jié)果，考慮對理論承載力進(jìn)行折減，折減系數(shù)取為0.9，得出實際極限承載力為

Mu，0=0.9Mu

(10)

3 理論剛度計算

剛度計算也要考慮中和軸的不同位置而分為3種情況討論，且需滿足平截面假定。

3.1 中和軸在UHTCC層中

中和軸在UHTCC層中的情況如圖6所示。

圖6 中和軸在UHTCC層中的截面應(yīng)變

由平衡方程：

(11)

得到：

(12)

從而得到：

(13)

式中：Ec和Es分別為UHTCC和鋼材的彈性模量；αc為Ec/Es。

3.2 中和軸在鋼橋面板層中

中性軸在鋼橋面板層中的應(yīng)變分布如圖7所示。

圖7 中和軸在橋面板層中的截面應(yīng)變

由應(yīng)力平衡方程：

(14)

得到：

(15)

從而得到：

(16)

3.3 中和軸在板肋層中

中性軸在板肋層中的情況如圖8所示。

圖8 中和軸在板肋層中的截面應(yīng)變

由應(yīng)力平衡方程：

(17)

得到：

(18)

從而得到：

(19)

4 有限元模擬

利用ABAQUS建立有限元模型，模型的總長為3.2m，寬為0.5m，如圖9所示。

圖9 有限元模型

模型包括UHTCC層，栓釘和下部鋼結(jié)構(gòu)部分，其中UHTCC層和栓釘都采用實體單元C3D8R，橋面板及板肋采用殼單元S4R。接觸方式定義為：栓釘上部嵌入UHTCC層中，底面與鋼橋面板采用綁定約束，UHTCC底面與橋面板設(shè)置法向硬接觸，切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.2[11-12]。加載方式采用四點彎加載，兩邊設(shè)置簡支約束，具體的加載形式如圖10所示。

圖10 四點彎加載示意

設(shè)置的模型組如表3所示。

表3 模型對照組

有限元計算得到的荷載位移曲線如圖11所示，荷載為單個加載點的荷載，位移為跨中位移，由于理論計算值使用的是截面剛度EI，荷載位移曲線得到的是原點切線的斜率，也即荷載與位移的比值，因此需要根據(jù)如下的簡支梁跨中撓度曲線公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

圖11 有限元計算荷載位移曲線

(20)

式中：l和a分別為簡支梁凈跨和加載點距離支座的距離。

根據(jù)圖10可以得到理論承載力F和Mu的關(guān)系：

Mu,0=F

(21)

理論計算值和有限元計算結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，有限元計算結(jié)果和理論公式計算結(jié)果誤差不大，有限元計算得到的承載力與理論公式誤差均在10%以內(nèi)，有限元計算得到的剛度與理論公式計算得到的剛度吻合程度都在95%以上，這驗證了理論公式計算結(jié)果的正確性和適用性。

表4 計算結(jié)果

5 結(jié)語

基于破壞狀態(tài)下全截面處于塑性狀態(tài)的假定以及平截面假定，本文針對UHTCC-鋼新型組合橋面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了正彎矩作用下承載力和剛度的理論公式推導(dǎo)，并與有限元計算結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，本文提出的理論公式計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本吻合，理論計算的承載力與有限元計算結(jié)果誤差均在10%以內(nèi)，有限元計算得到的剛度與理論公式計算得到的剛度吻合程度都在95%以上，說明了這種計算方法的可靠性。