基于三維實(shí)體仿真的節(jié)段預(yù)制箱梁膠接拼裝過程受力分析

燕超

（金臺鐵路有限責(zé)任公司，浙江 臺州 318000）

近年來，國內(nèi)公路交通行業(yè)采用節(jié)段預(yù)制膠接拼裝技術(shù)修建了大量城市軌道交通橋梁，如杭州灣嘉紹大橋、南京長江第四大橋和廣州地鐵4 號線等，積累了豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，但在鐵路行業(yè)，膠接拼裝方法應(yīng)用研究相對不足[1-2]。目前在節(jié)段預(yù)制膠接拼裝相關(guān)研究中多采用試驗(yàn)方法[3]，雖得到了一定的結(jié)論，但試驗(yàn)成本較高。本文結(jié)合實(shí)際鐵路工程項(xiàng)目，基于ABAQUS 建立節(jié)段預(yù)制箱梁的三維實(shí)體模型，分析其在膠接拼裝過程中的力學(xué)性能。

1 工程概況

臺金高速公路鐵路曲線梁橋箱梁采用單箱、單室等高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，采用C60 混凝土，56 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁全長58.2 m，每跨13 個(gè)節(jié)段，12 個(gè)膠接縫，預(yù)制節(jié)段長度分為4.8 m、4.5 m 和3 m三種，梁高4.5 m，梁頂寬7 m，梁底寬3.6 m，梁頂橫向設(shè)2%的排水坡，24 孔箱梁共有308 個(gè)節(jié)段，梁段最大質(zhì)量約110 t，箱梁斷面如圖1 所示。

圖1 節(jié)段箱梁斷面圖（單位：mm）

節(jié)段箱梁采用膠接拼裝法施工，即在施工中相鄰節(jié)段梁體之間不預(yù)留間隙，拼裝時(shí)在相應(yīng)的匹配表面涂抹一定厚度的環(huán)氧樹脂膠，通過膠的粘接作用將節(jié)段預(yù)制梁體連接在一起，在初步拼裝完成后最終調(diào)整線形。

2 三維實(shí)體仿真模型

2.1 混凝土本構(gòu)模型

ABAQUS 中提供了3 種常用的混凝土本構(gòu)模型：塑性損傷模型（CDP 模型）、彌散裂縫模型（CSC 模型）和脆性破裂模型（CBC 模型）[4]。為研究節(jié)段預(yù)制箱梁拼裝過程中的受力行為，混凝土本構(gòu)關(guān)系采用塑性損傷模型。

混凝土單軸受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的分項(xiàng)表達(dá)式為：

混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線分項(xiàng)表達(dá)式為：

為提高數(shù)值計(jì)算的收斂性能，實(shí)際模型中取單軸壓縮彈性階段終止于0.75fe，單軸拉伸彈性階段則取至ft。單軸壓縮狀態(tài)下彈塑性段以及下降段、單軸拉伸狀態(tài)下下降段仍按實(shí)際曲線取值。

2.2 有限元模型的建立

混凝土CDP 模型數(shù)據(jù)基于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]計(jì)算C60 混凝土的塑性損傷模型參數(shù)。Q345 鋼筋采用雙折線模型。

根據(jù)試驗(yàn)梁的的實(shí)際尺寸，建立實(shí)體單元有限元分析模型。模型中混凝土單元類型采用C3D4（4 節(jié)點(diǎn)四面體線性單元），鋼筋單元采用桁架單元T3D2，鋼筋采用ABAQUS 中的嵌入約束，模擬鋼筋和混凝土相互作用。混凝土及鋼筋的實(shí)體模型如圖2 和圖3 所示。

圖2 混凝土網(wǎng)格劃分

圖3 荷載及邊界條件

本次模擬中，有3 片4.8 m 節(jié)段梁，每個(gè)節(jié)段間用環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)。結(jié)構(gòu)膠在試驗(yàn)過程有如下特點(diǎn)及作用：接縫截面結(jié)構(gòu)膠的厚度一般只有1～3 mm，相對于試驗(yàn)梁總長度其厚度可以忽略；另外，文獻(xiàn)[6]也指出，接縫處若設(shè)置結(jié)構(gòu)膠單元，模型在受力過程中結(jié)構(gòu)膠單元的應(yīng)力和應(yīng)變均遠(yuǎn)未達(dá)其破壞值，同時(shí)結(jié)構(gòu)膠單元的相對位移也可忽略不計(jì)，經(jīng)對比，建立膠接層模型與不考慮膠接層模型計(jì)算相對誤差在0.79%～8.59%之間，并且相對誤差較大值僅發(fā)生在低應(yīng)力狀態(tài)。基于以上原因，模型中忽略了結(jié)構(gòu)膠單元，將節(jié)段與節(jié)段間的接縫面用ABAQUS 中的綁定約束tie 來模擬。

邊界和荷載的模擬建立3個(gè)4.8 m節(jié)段的膠結(jié)拼裝有限元模型，邊界條件設(shè)為兩端簡支，限制扭轉(zhuǎn)，對中間梁端的四分線處施加40 mm 位移荷載，如圖4 和圖5 所示。

圖4 箱梁節(jié)段間的tie 連接

圖5 箱梁節(jié)段的加載邊界和荷載的模擬

3 計(jì)算分析結(jié)果

梁段主拉應(yīng)力及鋼筋限元分析結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，極限荷載作用下，箱梁節(jié)段主拉應(yīng)力最大值均位于接縫底部，大小為2.89 MPa。接縫截面底部縱向鋼筋不連續(xù)，對混凝土約束較為薄弱。

圖6 梁體混凝土和鋼筋有限元結(jié)果

混凝土斜向主拉應(yīng)力也比較大，最大值出現(xiàn)在接縫附近。混凝土受拉塑性損傷最先出現(xiàn)在梁底，斜裂縫處，膠結(jié)縫處也出現(xiàn)了一定的受拉塑性損傷。鋼筋跨中底部、斜裂縫、膠結(jié)逢底部鋼筋也進(jìn)入了塑性，呈現(xiàn)的塑性損傷情況與混凝土一致。

當(dāng)荷載達(dá)到1 400 kN 的時(shí)候，荷載開始出現(xiàn)下降，表明梁段所能承受的最大荷載。當(dāng)荷載達(dá)到1 200 kN時(shí)，梁底接縫附近的混凝土已經(jīng)達(dá)到最大拉應(yīng)力開裂，荷載還能繼續(xù)加大到接近1 400 kN，而后出現(xiàn)下降段。提取接縫附近的單元應(yīng)力，如圖7 所示。分析可得出，接縫附近主拉應(yīng)力最大，往兩側(cè)減小，因?yàn)楹奢d施加在跨中，因而靠近跨中側(cè)主拉應(yīng)力較大，下降較慢。

圖7 接縫附近主拉應(yīng)力變化

4 結(jié)論

本文基于ABAQUS 建立節(jié)段預(yù)制箱梁的三維實(shí)體模型，對其在膠接拼裝過程中的受力進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：①極限荷載作用下，節(jié)段箱梁混凝土受拉塑性損傷最先出現(xiàn)在梁底，斜裂縫處、膠結(jié)縫處也出現(xiàn)了一定的受拉塑性損傷。跨中底部、斜裂縫、膠結(jié)逢底部鋼筋也進(jìn)入塑性，呈現(xiàn)的塑性損傷分布與混凝土基本一致。②極限荷載作用下，膠接縫附近主拉應(yīng)力最大，往兩側(cè)逐漸減小，靠近跨中側(cè)主拉應(yīng)力較大，下降較慢，施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注節(jié)段箱梁的薄弱部位。