鋼板組合梁構件退化對結構敏感性分析

李阿坦,趙先民,楊 洋,付書林

(1.安徽交控道路養(yǎng)護有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽省七星工程測試有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來,安徽省積極響應國家與行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃,在高速公路建設中陸續(xù)推廣應用組合梁橋結構。鋼板組合梁已應用于濟祁高速、北沿江高速、池祁高速、合樅高速以及蕪黃高速公路等工程。隨著在役鋼板組合梁橋在安徽省高速公路中逐漸增加,鋼板組合梁橋的長期性能、構件退化規(guī)律對結構影響等一些關鍵問題亟待解決。

相關學者對鋼板組合梁結構的參數(shù)敏感性展開了一定的研究。邢云等[1]采用敏感性分析方法對非對稱組合梁斜拉橋在轉(zhuǎn)體施工過程中的關鍵參數(shù)進行了分析研究,研究表明:斜拉索的初始張拉力對主梁內(nèi)力和位移均有很大影響。張俊民等[2]采用可靠度方法對鋼-混組合梁橋抗彎承載力的敏感因素進行了分析,研究表明:腹板高度、橋面板寬度和底板厚度對可靠度影響最為顯著。石雪飛等[3]通過有限元法對雙工字鋼組合梁橋鋼梁的設計參數(shù)進行了敏感性分析,并根據(jù)用鋼最小原則確定了鋼梁的合理梁高?，F(xiàn)有組合梁結構參數(shù)敏感性分析的研究大多集中在設計及施工過程中,對于組合梁結構在后期運營管理中各項參數(shù)退化敏感性的研究相對缺乏。

基于安徽省雙主梁鋼板組合梁建設后管養(yǎng)需求,依托現(xiàn)有鋼板組合梁橋?qū)嶋H工程,針對鋼板組合梁構件退化參數(shù)對結構性能影響進行敏感性分析,明確影響鋼板組合梁整體性能的構件退化主要因素及影響規(guī)律。

1 鋼板組合梁退化規(guī)律及因素分析

鋼板組合梁是由鋼板梁、混凝土板、剪力連接件組成的新型結構,其構件性能退化也與混凝土結構的退化、鋼結構的退化有關聯(lián)。

1.1 鋼板組合梁構件一般退化規(guī)律

(1)混凝土橋面板的退化規(guī)律

混凝土橋面板的退化主要表現(xiàn)為混凝土的開裂剝落、鋼筋銹蝕,車輛荷載引起的構件疲勞損傷[4]?；炷撂蓟?、氯離子侵蝕是引起混凝土劣化的主要原因,并將進一步引起鋼筋銹蝕以及鋼筋與混凝土粘結性能的退化。

(2)鋼梁的退化規(guī)律

鋼梁退化一般表現(xiàn)為表面防護層的逐漸消失并引起的鋼結構銹蝕,均勻銹蝕深度與時間大致呈冪函數(shù)分布關系[5],見公式(1)

C=AtB

(1)

式中:C為銹蝕深度,μm;t為結構在役時間;A、B為相關系數(shù)。

相關研究表明,鋼梁銹蝕主要發(fā)生在腹板下緣Ha范圍內(nèi)和下翼緣上表面,而近端部腹板全斷面在Lb范圍內(nèi)銹蝕也較為嚴重[6]。

(3)剪力鍵的退化規(guī)律

鋼板組合梁剪力鍵的銹蝕主要表現(xiàn)為剪力鍵截面的局部點蝕,隨時間變化將引起抗剪承載力的逐漸降低[7],剪力鍵銹蝕后模型見圖1。

圖1 剪力鍵截面銹蝕簡圖

栓釘銹蝕后的抗剪承載能力Pd為公式(2)

Pd(ρ)=m(ρ)×ρd(0)

(2)

式中:m(ρ)為承載能力折減系數(shù);ρ為剪力鍵截面銹蝕率。

1.2 敏感性因素分析

基于橋梁檢測結果對在役鋼板組合梁易損構件進行評估,以便更好完成橋梁后續(xù)養(yǎng)管工作。鋼板組合梁上部結構中, 主要易損構件包括: 預制橋面板、混凝土濕接縫、剪力鍵、鋼主梁、鋼橫梁等。分別對上述構件不同退化情況的敏感性展開分析,主要分析項目如下。

(1)鋼主梁:銹蝕面積、銹蝕深度。

(2)鋼橫梁:銹蝕面積、銹蝕深度。

(3)預制橋面板:開裂后退化程度。

(4)混凝土濕接縫:開裂后退化程度。

(5)剪力鍵:銹蝕程度。

2 敏感性分析模型

2.1 有限元模型

利用ANSYS建立鋼板組合梁有限元模型。

有限元模型中,鋼梁、混凝土橋面板分別采用殼單元SHELL 63、實體單元SOLID 45;鋼梁與混凝土橋面板間剪力鍵采用彈簧單元COMBIN 14。鋼材為Q345,彈性模量2.1×105MPa,密度7 850 kg/m3,泊松比0.3;混凝土為C55,彈性模量3.55×105MPa,密度2 600 kg/m3,泊松比0.2。

敏感性分析過程中,僅考慮鋼板組合梁結構自重對結構受力的影響,通過比較鋼梁變形等關鍵參數(shù)以區(qū)分各敏感因素的影響程度。

2.2 不同退化情況的模擬

(1)鋼梁退化的模擬

在鋼梁退化敏感性分析過程中,通過改變鋼梁殼單元的類型及對應實常數(shù)的方式,模擬不同鋼梁銹蝕面積;通過改變鋼梁銹蝕區(qū)域殼單元厚度的方式,模擬鋼梁銹蝕后剩余截面積。

此外,模型中認為混凝土橋面板與鋼梁之間不存在粘結滑移,模型中彈簧單元的剛度取為無限大,以保證對應位置處模擬橋面板與鋼梁間的剛性連接。

(2)橋面板退化的模擬

相關研究表明,在彈性范圍內(nèi)混凝土抗壓強度越大其彈性模量越大,鋼筋混凝土結構存在退化后其抗壓能力降低[8]。因此,通過改變混凝土材料彈性模量的方式模擬混凝土橋面板的不同退化程度。

(3)剪力鍵退化的模擬

在剪力鍵受損的情況下,混凝土橋面板與鋼梁之間可能存在一定粘結滑移[9]。因此,通過降低彈簧單元剛度的方式,使橋面板與鋼梁在受力變形后出現(xiàn)相對微小的變形差。

3 敏感性計算結果與分析

分別對鋼梁、橋面板、剪力鍵在不同退化程度的情況下,對鋼板組合梁在各類退化狀況的敏感性進行分析。對于鋼板組合梁橋上部結構,鋼主梁為主要受力構件,故以其變形為主要分析指標。

3.1 鋼梁退化敏感性分析

分別對鋼主梁、鋼橫梁在不同程度退化情況下的敏感性進行分析。

(1)鋼主梁

分別在鋼主梁表面0.5 mm銹蝕深度、0%～40%不同銹蝕面積情況下,以及鋼主梁表面10%銹蝕面積、0～2.5 mm不同銹蝕深度情況下,對比鋼板組合梁橋受力性能的影響見圖2。

圖2 鋼主梁不同退化程度下受力特性變化

由圖2可知,隨著鋼主梁銹蝕面積的增大,鋼主梁最大變形出現(xiàn)了一定程度增加,大致呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢;其中,在0%～10%銹蝕面積內(nèi),鋼主梁銹蝕面積的增大對鋼主梁受力情況的影響最為明顯。

而隨著鋼主梁銹蝕深度的增大,鋼主梁最大變形變化也出現(xiàn)了較為明顯的增加,大致呈線性增長趨勢,且相較于鋼主梁銹蝕面積對其的影響程度更大。

(2)鋼橫梁

分別在鋼橫梁表面0.5 mm銹蝕深度、0%～40%不同銹蝕面積情況下,以及鋼橫梁表面10%銹蝕面積、0～2.5 mm不同銹蝕深度情況下,對比鋼板組合梁橋受力性能的影響,見圖3。

圖3 鋼橫梁不同退化程度下受力特性變化

由圖3可知,隨著鋼橫梁銹蝕面積的增大,鋼主梁最大變形出現(xiàn)了較小程度的減小并趨于穩(wěn)定;而隨著鋼橫梁銹蝕深度的增大,鋼主梁最大變形出現(xiàn)了較小程度的減小。

這主要是由于鋼橫梁的銹蝕引起主梁間橫向聯(lián)系減弱引起的,在僅考慮自重的情況下單側鋼主梁受另一側鋼主梁傳力效應減小;但在考慮其他荷載因素影響后,由于橫向傳力能力的減弱,鋼橫梁銹蝕面積、銹蝕深度的增長可能對鋼主梁受力產(chǎn)生不利影響。

3.2 橋面板退化敏感性分析

對比分析預制混凝土橋面板、混凝土濕接縫在不同程度退化情況下對鋼板組合梁受力性能的影響,見圖4。

圖4 橋面板不同退化程度下受力特性變化

由圖4可知,隨著預制橋面板、濕接縫混凝土強度退化程度的增大,鋼主梁最大變形均出現(xiàn)明顯增加,且有呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。但濕接縫混凝土不同退化程度情況下增長幅值相較于預制橋面板不同退化程度引起的增長幅值相對較小,即可認為橋面板濕接縫的退化較預制混凝土橋面板退化的影響更為明顯。

其主要是由于預制橋面板內(nèi)剪力釘?shù)拇嬖?預制混凝土橋面板仍與鋼主梁協(xié)同受力,預制混凝土橋面板的應力受到的影響較小;隨著橋面板濕接縫退化程度的增加,濕接縫區(qū)域混凝土應力極小,并直接導致鋼主梁變形的進一步增長。

3.3 剪力鍵退化敏感性分析

分別在預制混凝土橋面板、混凝土濕接縫內(nèi)剪力鍵在不同程度退化情況下,對比鋼板組合梁橋受力性能的影響見圖5。

圖5 剪力鍵不同退化程度下受力特性變化

由圖5可知,隨著剪力鍵退化程度的增加,鋼主梁最大變形均出現(xiàn)了明顯增加,但預制混凝土橋面板區(qū)域內(nèi)剪力鍵退化的影響程度略低于濕接縫區(qū)域內(nèi)剪力鍵退化的影響程度。

其主要是因為在預制混凝土橋面板內(nèi)剪力鍵受損出現(xiàn)滑移的情況下,濕接縫混凝土由于區(qū)域面積較小仍對預制橋面板起到一定的限位作用,使得預制混凝土橋面板仍能在一定程度上繼續(xù)受力,因此預制橋混凝土面板內(nèi)剪力鍵對鋼板組合梁受力的影響相對較小。但當濕接縫混凝土內(nèi)剪力鍵受損出現(xiàn)滑移時,其失去了對預制橋面板的限位作用,使得預制混凝土橋面板成為主要受力單元,并加劇鋼主梁變形的增加。

3.4 構件退化參數(shù)敏感性比較

對鋼主梁不同銹蝕程度、鋼橫梁不同銹蝕程度、預制橋面板及濕接縫、剪力鍵不同退化程度對結構影響的敏感性分析結果,如表1所示。

表1 鋼板組合梁退化敏感性比較

由表1可知,影響鋼板組合梁結構性能最強烈的因素為預制橋混凝土面板強度退化,其將使鋼板組合梁整體剛度降低,直接導致鋼主梁受力更為不利。

其次,鋼主梁作為鋼板組合梁的主要受力構件,其銹蝕程度對橋梁結構的受力有直接影響;但鋼梁的銹蝕往往伴隨著銹蝕深度與銹蝕面積的同時發(fā)生,因此,相同銹蝕面積情況下鋼梁銹蝕深度的增加對鋼板組合梁受力的影響相較于相同銹蝕深度下鋼梁銹蝕深度隨鋼板組合梁受力的影響更為不利。

其余參數(shù)的變化,如鋼橫梁銹蝕程度、剪力鍵退化程度、單排基礎沉降,對鋼板組合梁結構受力的影響程度將大幅降低。由于鋼橫梁的主要作用是用于提高橋梁結構的橫向受力,在橋面板技術狀況良好的情況下將分擔一部分橫梁的受力。因此,鋼橫梁在一定范圍內(nèi)的銹蝕將不會引起鋼板組合梁受力性能的巨大變化。而鋼板組合梁的剪力鍵一般采用密集排布的形式,在不發(fā)生普遍完全銹蝕失效的情況下,仍能將協(xié)調(diào)鋼主梁與橋面板的受力。

4 結 語

(1)影響鋼板組合梁結構性能最強烈的因素為預制橋混凝土面板強度的退化,其次為鋼主梁銹蝕深度的影響。

(2)其余參數(shù)的變化,如鋼主梁銹蝕面積、鋼橫梁銹蝕程度、混凝土濕接縫退化,是影響鋼板組合梁受力性能的次要參數(shù)。