膠接縫厚度對混凝土預制節段梁受力性能的影響分析

蔡東波,胡 靜,程 高,張 寧

(1. 中交一公局第七工程有限公司, 河南 鄭州 451452;2. 長安大學 公路學院 ,陜西 西安 710064;3. 西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 咸陽712100)

0 引 言

混凝土節段預制拼裝是將混凝土主梁沿縱橋向劃分為若個節段,采用短線或長線法預制后,運至橋位借助于橋面吊機、架橋機等特殊裝備完成拼裝,施加預應力,從而使各個節段連接形成整體[1]。節段預制拼裝技術具有混凝土收縮徐變小、施工速度快、現場施工濕作業量小、工業化程度高等優勢[2],在福建洪塘大橋、廣州地鐵四號線、蘇通大橋引橋、崇啟大橋引橋、南京長江四橋引橋、蕪湖長江二橋引橋、嘉魚長江大橋引橋、鄭州四環線等重大工程中廣泛應用。

接縫構造在節段預制拼裝橋梁結構中起著重要作用,亦是結構受力的薄弱環節,接縫的受力性能是此類結構研究的難點和重點。受節段端面表層剝落、接縫膠涂裝厚度不均勻、擠膠應力不均勻及節段膠接誤差等影響,預制節段梁懸拼過程中容易出現不等厚度的膠接縫的問題[3];汪雙炎[4]以主跨96 m石長線湘江鐵路橋主橋節段間剪力鍵受力性能研究為例,開展了1比4的多剪力鍵干接模型試驗研究,指出剪力鍵受力不均勻,與鍵齒數目有關;O.BUYUKOZTURK等[5]開展了不同環氧樹脂膠接接縫厚度的節段預制橋梁接縫抗剪模型試驗,得出膠接縫厚度對接縫的抗剪剛度和強度影響不大的研究;J.TURMO等[6]進行了膠接縫厚度分別為1、2、3 mm的三鍵齒接縫試件的抗剪性能試驗,發現3 mm膠接試件的抗剪強度和剛度稍低;姜海波等[7]、JIANG Haibo等[8]進行了不同鍵齒數目的預制節段干接簡支梁抗剪性能試驗,提出接縫是控制梁抗剪承載力的主要因素,但接縫數量對節段梁抗承載的影響不顯著;馮家輝等[9]進行了預制節段混凝土干接縫抗剪性能的尺寸效應探究,發現試件尺寸及正應力影響接縫的極限抗剪強度。可見,膠接縫的抗剪性能除與剪力鍵的材料特性、截面面積有關,也受鍵齒數目、正應力、尺寸、膠接縫厚度等影響。

與膠接縫抗剪縮尺模型相比,混凝土預制節段梁橋的抗剪能力不僅與剪力鍵的構造有關,也與主梁受力模式有關。頂板內剪力鍵抵抗車輪局部荷載,而腹板內剪力鍵抗剪,且沿腹板高度剪應力分布不均勻,底板用于節段定位,頂板、底板及腹板的體內、體外預應力提供了節段梁正應力。為此,筆者擬以混凝土預制節段梁足尺模型為研究對象,依托某大跨節段預制梁橋,采用有限元軟件ABQUS,將桿系結構計算的主梁內力作為初始荷載條件,分析膠接縫厚度在車輛輪壓荷載、最不利剪力作用下節段梁的受力特征與膠接縫形式的關系。

1 膠接縫厚度統計分析

CJJT 111—2006《預應力混凝土橋梁預制節段逐跨拼裝施工技術規程》[10]對膠接縫厚度限值進行了相關約定,受節段端面表層剝落、接縫膠涂裝厚度不均勻、擠膠應力不均勻及節段拼裝誤差等影響,膠接縫在同一接縫內厚度離散性仍然較大,而現行規程未約定膠接縫厚度極值、均值,不能很好指導工程的質量控制。因預制節段梁安裝線形調整難度大,諸多工程通過施加楔形墊調整線形,導致接縫厚度出現人為偏差。根據國內外文獻模型試驗與現場測試,膠接縫厚度基本處于0.5～8 mm,如圖1。

圖1 膠接縫厚度取樣Fig. 1 Sampling of epoxy joint thickness

2 節段梁有限元建模

剪力鍵按照分布部位可分為腹板內剪力鍵、頂板內剪力鍵和底板內剪力鍵,如圖2。腹板內剪力鍵一般由多個矩形鍵塊(槽)組成,主要承受與傳遞接縫截面的剪力。頂板內剪力鍵主要用于傳遞接縫位置車輪荷載引起的剪力,底板內剪力鍵協助節段拼裝鑲嵌對接定位。為全面掌握節段梁的受力特性,采用實體單元模型模擬上述剪力鍵(槽),如圖3。

圖2 節段剪力鍵(鍵槽)布置示意Fig. 2 Layout of shear keys (keyway) in segments

圖3 節段梁足尺模型Fig. 3 Full-size model of section beam

為得到最不利荷載條件下節段應力分布,先建立全橋桿系結構有限元模型,進行施工階段、成橋后正常使用極限狀態下和承載能力極限狀態下結構靜力計算,得到支點附近截面的軸力、剪力及彎矩,并以此作為節段實體有限元模型的初始荷載條件。

為分析膠接縫厚度對節段梁抗剪剛度、抗剪承載力及車輪荷載作用下接縫處橋面承壓剛度的影響特征,筆者設計了3類共10個有限元計算模型,各模型的荷載及邊界條件如圖4和表1。其中模型① 用于評價膠接縫厚度對混凝土箱梁頂板局部承壓剛度的影響,模型② 用于評價無截面正應力時拼接膠接縫厚度對節段梁抗剪性能影響,模型③ 評價膠接縫厚度對主梁在施工及運營階段工作性能的影響。車輪荷載按照JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》車輛荷載及輪胎著地面積取值。接縫參數設計中增加了干接縫、濕接縫模型,以對比分析膠接縫厚度對節段梁受力性能的影響。

表1 計算模型說明

圖4 荷載及邊界條件Fig. 4 Load and boundary conditions

實體有限元模型采用有限元軟件ABAQUS,模型中考慮了材料非線性和幾何非線性。混凝土采用無縮減積分實體單元,鋼筋采用三維桁架單元,采用“內置區域”命令嵌入混凝土實體單元中。網絡劃分采用結構化網格劃分與自由網格劃分相結合技術。膠接縫采用實體單元模擬。節段梁剪力鍵為素混凝土,經驗證計入鋼筋與否對結果幾乎無影響,模型中不再考慮鋼筋。混凝土強度標號為C60,其本構關系采用ABAQUS軟件提供的混凝土損傷模型,混凝土單軸受壓模型、混凝土單軸受拉模型及相應的損傷模型均采用GB50010—2010《混凝土結構設計規范》中的應力-應變關系、應變-損傷因子關系。混凝土軸心抗壓強度fc、軸心抗拉強度ft、彈性模量Ec及泊松比c取值依據規范取值。目前,還沒有拼接膠塑性損傷本構關系,故暫采用彈性本構模型模擬膠接材料特性,彈性模量取為C60混凝土的1/10。施加節段梁縱向力以代替縱向預應力作用。按照循序漸進的建模方法,從單鍵齒到節段模型,從局部承壓到全截面受力,從截面無正應力到壓彎剪共同作用,有限元計算結果與現有模型試驗、材料力學估算結果接近,驗證了計算方法的可靠性。

3 結果分析

3.1 車輛輪壓作用下節段模型局部承壓計算

圖5和圖6給出車輛輪壓作用下節段模型的應力及變形云圖。由圖5可知,車輛輪壓荷載節段的主應力分布規律基本一致,主應力水平稍有不同。濕接、干接、3 mm厚膠接、8 mm厚膠接模型的應力峰值分別為4.6、7.6、8.0、8.1 MPa,濕接縫應力最低,干接、3 mm厚膠接、8 mm厚膠接模型的應力水平接近。

圖5 輪壓荷載作用下節段應力云圖Fig. 5 Segment stress nephogram under wheel load

輪壓荷載作用下箱梁頂板的變形反映了頂板剪力鍵的工作狀況。由圖6可知,干接模型的最大變形量達到1.0 mm,其變形量最大;其余3種模型的最大變形量均為0.9 mm。綜上所述,膠接縫厚度對頂板剪力鍵的抗剪剛度、節段梁的應力分布幾乎無影響。

圖6 輪壓荷載作用下節段變形云圖Fig. 6 Deformation nephogram of segment under wheel load

3.2 節段抗剪極限承載力計算模型

圖7給出了節段梁剪力荷載與接縫處剪切變形的關系曲線。剪力荷載與剪切變形曲線的斜率反映了主梁的抗剪剛度。由圖7可知,在彈性階段,剪力荷載與剪力變形曲線的斜率基本保持不變,濕接模型、3 mm厚膠接模型和8 mm厚膠接模型的抗剪剛度接近;3 mm厚膠接模型和8 mm厚膠接模型的極限抗剪承載力低于濕接模型,但均顯著高于節段梁施工及承載力能力極限狀態下最大剪力2 285 kN。由此可知,濕接、3 mm厚膠接及8 mm厚膠接三者抗剪剛度基本接近,膠接厚度對截面抗剪剛度基本無影響;截面抗剪極限承載力在節段濕接時最大,但受膠接縫厚度影響不顯著。

圖7 剪力-剪切變形曲線Fig. 7 Shear force-shear deformation curve

3.3 最不利荷載組合下節段計算模型

圖8和圖9給出了最不利荷載組合作用下節段截面正應力及剪應力分布云圖。由圖8可知,濕接模型與膠接模型的截面正應力差異較大,剪力鍵區域應力集中現象明顯。膠接縫的存在顯著改變了正應力的分布特征,但3、8 mm的膠接縫厚度對截面正應力影響不顯著。

圖8 最不利荷載組合作用下截面正應力云圖Fig. 8 Normal stress nephogram of section under the action of the most unfavorable load combination

圖9 最不利荷載組合作用下截面剪應力云圖Fig. 9 Nephogram of shear stress of section under the action of the most unfavorable load combination

由圖9可知,濕接模型與膠接模型的截面剪應力同樣差異較大,剪力鍵區域應力集中現象明顯。膠接縫的存在顯著改變了剪應力的分布特征。與3 mm厚膠接模型剪應力相比,8 mm厚膠接模型的剪應力增大了10%,膠接縫厚度對截面剪應力的影響不容忽略。

4 結 論

1)預制節段拼接混凝土梁的抗剪剛度受濕接、干接、膠接縫等接縫形式影響不顯著。節段梁的抗剪極限剪承載力受接縫形式影響顯著,濕接縫抗剪承載力明顯高于膠接縫。接縫的抗剪極限承載力由高到低依次為濕接、8 mm厚膠接縫、3 mm厚膠接縫、干接。膠接縫厚度對預制節段梁的抗剪承載力有一定影響,但均高于其依托工程的最大剪力作用值。

2)干接、濕接、3 mm厚膠接、8 mm厚膠接等接縫形式均不影響箱梁頂板的應力分布。車輛輪壓荷載作用下干接、3 mm厚膠接、8 mm厚膠接模型應力峰值接近,較濕接模型的應力峰值提高42%。

3)接縫形式對節段梁截面的正應力、剪應力影響顯著。剪力鍵的存在顯著改變了剪應力的分布特征,8 mm厚膠接模型的剪應力較3 mm厚膠接模型增加了10%,膠接縫厚度對截面剪應力的影響不容忽略。