波形鋼腹板組合梁橋異步施工模型力學性能分析

林金彪,牛傳同

(1.寧夏公路橋梁建設有限公司,寧夏 銀川 750016; 2.東南大學, 江蘇 南京 210018)

0 引言

波形鋼腹板組合箱梁具有自重輕、經濟效益高、預應力效率高、有效解決混凝土腹板開裂等優點[1-3],近年來在我國得到快速發展。隨著橋梁跨徑的增加,工程中多采用懸臂施工法[4],但傳統懸臂施工法施工作業面重疊、掛籃自重大且穩定性差[5-6]。因此,針對該類橋梁的一種新型異步施工法應運而生,該工法具有施工周期短、安全性高、施工性強和經濟性好等優點[7]。雖然懸臂施工法和異步施工法兩者在結構整體受力方面并無顯著差別,但這并不意味著后者可完全采用前者的設計方法進行設計。對于異步施工法,在懸臂澆筑過程中,梁端存在3種形式的斷面,其中前端的波形鋼腹板作為主要承重構件承受施工荷載,這顯然與傳統懸臂施工不同。鑒于異步施工過程中結構穩定性弱、局部受力狀況復雜,因此,開展相關試驗研究并結合有限元分析具有一定的理論意義和重要的工程應用價值。本文設計制作了1根異步施工變截面單箱單室波形鋼腹板懸臂梁,并進行靜力加載試驗,研究其受力特性。最后建立有限元模型,將計算結果與試驗結果進行對比驗證。

1 試驗設計

1.1 試驗目的

1)揭示變截面波形鋼腹板組合箱梁在異步施工過程中的受力關鍵部位及其破壞模式。

2)探討異步施工過程中,混凝土正應力和波形鋼腹板剪應力的分布規律。

1.2 試驗梁的設計

設計1根變截面單箱單室波形鋼腹板異步施工單懸臂梁(見圖1),包括固定端、閉口節段(N-1節段)、半開口節段(N節段)和全開口節段(N+1節段),其構造參數在滿足相關要求的前提下自行擬定,試件總長3 680mm,墩頂長1 200mm,單懸臂長2 480mm。箱梁頂板寬1 200mm,底板寬740mm,頂板厚100mm,根部截面梁高900mm、底板厚150mm,梁高和底板厚從根部到懸臂端按二次拋物線變化。試驗中采用的波形鋼腹板尺寸為1600型波形鋼腹板的1/10,即波長為160mm、直板段長度為43mm、斜板段水平投影長度為37mm、斜板段長度43mm,厚度為3mm。試驗梁中波形鋼腹板與頂板混凝土采用T-PBL連接件連接,與底板混凝土采用帶翼緣的嵌入式連接件連接,與墩頂截面采用嵌入式連接,連接件鋼板厚度均為3mm。為保證鋼腹板在加載過程中的穩定性,于N+1節段2塊腹板間設置2道橫向支撐。試驗梁采用C30混凝土,波形鋼腹板采用Q345鋼材,鋼筋采用HRB400螺紋鋼筋。為減少焊接作業,總長2 880mm的波形鋼腹板采用一次壓制成型。

圖1 試驗梁構造Fig.1 The structure of the test girder

1.3 試驗加載裝置

試驗加載裝置如圖2所示,試驗梁放置在鋼架墩上,上橫梁以及立柱通過螺栓將其固定。試驗梁采用懸臂加載的方式,加載點距懸臂端458.5mm。為保證試驗梁橫向受力均勻,在加載點上放置分配梁,千斤頂置于2片波形鋼腹板正中間,荷載通過千斤頂傳遞至分配梁,再由分配梁傳遞至波形鋼腹板上。試驗梁采用對稱加載的方式進行加載,直至結構發生破壞。

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test loading device

1.4 試驗測點布置

試驗過程中,主要觀測裂縫發展規律、梁體撓度、波形鋼腹板及混凝土的應變等。其中,波形鋼腹板上布置應變花,沿懸臂方向布置A～E 5個截面,如圖3所示。頂板混凝土上布置縱向應變片,沿懸臂方向布置A～C 3個截面,如圖4所示;此外,在頂板、底板與波形鋼腹板交界處的鋼混結合區,分別布置2組應變花,如圖5所示。其中,L,R分別表示試驗梁的左側和右側。

圖3 波形鋼腹板應變花布置Fig.3 Strain rosette arrangement of corrugated steel webs

圖4 頂板混凝土應變片布置Fig.4 Layout of roof concrete strain gauge

圖5 鋼混結合區應變花布置Fig.5 Arrangement of strain rosette in steel-concrete joint zone

在試驗梁波形鋼腹板懸臂端、波形鋼腹板與底板交界處及底板混凝土懸臂端沿橫向分別布置2個豎向位移測點(見圖6中V-3,V-2,V-1),另在波形鋼腹板懸臂端上側布置2個側向位移測點(見圖6 H-1),還在試驗梁固定端兩側布置2個豎向位移測點(見圖6 V-4)。位移測點布置如圖6所示。

圖6 位移測點布置Fig.6 Displacement measuring point arrangement

2 有限元分析

2.1 模型建立及單元網格劃分

為與試驗結果進行對比,采用有限元軟件ABAQUS建立試驗梁的有限元模型,如圖7所示。為減少單元數量、提高計算效率,有限元模型中忽略了僅作為固定作用的墩頂實心段混凝土,保留了N-1節段、N節段和N+1節段。其中混凝土采用實體單元C3D8R模擬,波形鋼腹板及橫撐采用殼單元S4R(少量三角形單元采用S3)模擬,普通鋼筋采用T3D2模擬。普通鋼筋與頂底板混凝土的連接采用嵌入區域式,波形鋼腹板與頂底板混凝土之間也通過連接件采用嵌入區域式連接。此外,約束模型固定端截面所有節點的自由度作為邊界條件,并按實際加載位置施加面荷載。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

2.2 材料本構關系

1)混凝土

圖8 混凝土本構模型Fig.8 Constitutive model of concrete

2)鋼材

鋼筋和波形鋼腹板的本構關系分別為理想彈塑性模型和彈性強化模型,如圖9所示。其中,fy,fwy和fwu分別為鋼筋的屈服強度、波形鋼腹板的拉伸屈服強度和波形鋼腹板的極限強度;εy,εwy和εwu分別為fy,fwy和fwu對應的應變。鋼材的泊松比取0.3,彈性模量取200GPa。

圖9 鋼材本構模型Fig.9 Constitutive model of steel

3 結果與分析

3.1 破壞模式

試驗梁的破壞形態如圖10所示。在加載過程中,裂縫首先出現在N-1節段頂板與N節段腹板交界處混凝土上,即連接件處的鋼混結合區,且隨著荷載的增加,裂縫逐漸發展、延伸并貫穿整個結合區;同時,波形鋼腹板的上翼緣板與頂板混凝土出現分離,結合區附近的波形鋼腹板被拉平;最終,結構以波形鋼腹板在T-PBL連接件開孔處截面被拉斷而失效。整個試驗過程中,頂板混凝土僅在墩頂約束處出現少量裂縫,在拉斷截面附近,底板混凝土頂面出現幾條橫向貫通的深裂縫且底板混凝土與波形鋼腹板發生分離,底板混凝土側面有大量斜裂縫,底板混凝土底面在鋼混結合區產生些許微裂縫。由于設置了2道橫向支撐,N+1節段波形鋼腹板在荷載直接作用下僅存在微小的橫向變形,未發生屈曲失穩。

圖10 試驗梁的破壞形態Fig.10 The failure mode of the test girder

由此可以看出,波形鋼腹板PC組合箱梁橋采用異步法施工時,應特別關注N-1節段頂板與N節段腹板連接處鋼混結合區的受力狀態。為防止該局部區域混凝土開裂,可適當增加配筋。此外,由于波形鋼腹板采用節段拼裝施工,節段與節段之間的上翼緣板是斷開的,波形鋼腹板在斷縫處會出現應力集中,增加了腹板被拉斷的風險,因此建議波形鋼腹板安裝定位后,節段間的翼緣板及連接件采用焊接使其連續。

3.2 荷載-位移曲線

試驗梁波形鋼腹板懸臂端加載全過程荷載-位移曲線的有限元值(FEM)和試驗值(EX)的對比結果如圖11所示,其中EX_LV-3,EX_RV-3表示左、右兩側V-3應變花采集的波形鋼腹板試驗值。由圖可知,有限元模型計算結果和試驗結果吻合較好。從試驗加載全過程來看,可將試驗梁的力學響應劃分為4個階段,分別對應圖11中的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ,各階段的主要特征描述如下。

圖11 荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curve

1)階段Ⅰ 試驗梁處于線彈性階段,位移隨荷載的增加線性增長,此階段的最后,N-1節段頂板與N節段腹板連接處鋼混結合區混凝土出現裂縫,對應試驗荷載為70kN。

2)階段Ⅱ 主要是鋼-混結合區混凝土裂縫的產生及發展,結構塑性變形較小,N-1節段與N節段交界處截面鋼與混凝土仍共同工作,位移隨荷載近似呈線性增長,此階段最后,前述鋼-混結合區的混凝土與波形鋼腹板的上翼緣板出現分離。

3)階段Ⅲ 由于鋼翼緣與混凝土分離,原荷載全部作用在翼緣板及波形鋼腹板上,導致局部應力迅速增加,鋼板逐漸進入塑性階段,結構變形明顯加快,此階段的最后,鋼-混結合區翼緣板發生屈服。

4)階段Ⅳ 鋼板屈服面逐漸擴張,荷載增加困難,但結構變形持續加大,在有限元模擬中,荷載-位移曲線近似呈1條斜率很小的直線,直至計算不收斂,在實際試驗時,鋼-混結合區鋼構件經屈服、強化達到抗拉強度而開裂,結構失效。

3.3 混凝土正應力

由試驗結果可知,荷載P達到70kN之前,試驗梁均處于彈性工作狀態,現選取P=20,30,40,50kN,分別觀察C—A,C—B及C—C截面(見圖4)頂板上緣混凝土正應力分布情況,如圖12所示。由于C—C截面測得應變值太小,測試誤差大,故不考慮該試驗值。由圖12可知,在彈性范圍內,有限元計算值與試驗值有較好的吻合度,均表現出組合箱梁混凝土翼板典型的剪力滯后效應。C—C截面由于靠近自由端面,除腹板與頂板交界處附近外,正應力均為負,且絕對值較小。因此,在異步施工過程中,對于混凝土板的正應力,應重點關注其與腹板的交界處,保證應力值在合理范圍內。

圖12 頂板混凝土正應力分布Fig.12 Normal stress distribution of roof concrete

3.4 波形鋼腹板剪應力

根據在波形鋼腹板上布置的應變花,可以獲得相應位置處的三向平均應變,通過換算得到該位置的剪應變,進一步計算得到剪應力。選取W—B,W—D和W—E(見圖3)3個截面作為3個施工節段的典型截面,觀察P=50,100,150,200及250kN時,波形鋼腹板的剪應力沿梁高的分布情況,如圖13所示。由圖可知,荷載較小時,各截面腹板剪應力沿梁高分布較均勻,隨著荷載的增加,結構出現塑性區域,3個截面剪應力分布的不均勻程度也在逐漸加大,具體表現為:W—B截面腹板上方剪應力大,W—D截面腹板下方剪應力大,而W—E截面腹板中間剪應力大。

圖13 波形鋼腹板剪應力分布Fig.13 Shear stress distribution of corrugated steel webs

圖14給出了各個截面波形鋼腹板剪應力隨荷載的變化曲線。可以看出,各截面剪應力與荷載基本呈線性關系,這也證明了試驗梁的破壞并非波形鋼腹板的剪切破壞。此外,W—E截面的剪應力始終大于其余截面,這主要是因為該截面僅由腹板承擔所有剪力,其余截面由鋼混組合截面共同承擔。因此,異步施工過程中,N+1節段波形鋼腹板作為主要承重構件,需對其承載能力進行驗算。

圖14 波形鋼腹板荷載-剪應力曲線Fig.14 Load-shear stress curve of corrugated steel webs

與傳統懸臂施工不同,當波形鋼腹板PC組合箱梁橋采用異步施工法時,懸臂端完整的鋼混閉口截面變為了僅有鋼腹板的開口截面,截面剛度大幅下降,且后者截面在縱向存在突變,導致關鍵部位受力薄弱,施工期結構的承載能力明顯低于前者。因此,需保證異步施工過程中結構的承載能力。

4 結語

1)波形鋼腹板異步施工懸臂梁在外力作用下的受力關鍵部位為N-1節段頂板與N節段腹板連接處鋼混結合區,該處混凝土最先開裂,最后該處波形鋼腹板及連接件被拉斷導致試驗梁失效。

2)從荷載-位移曲線來看,可以將試驗梁的力學響應劃分為4個階段:混凝土開裂前結構的線彈性階段,頂板鋼混結合區混凝土裂縫的產生及發展階段,頂板鋼混結合區翼緣板與混凝土分離階段,以及頂板鋼混結合區鋼構件的屈服、強化階段。

3)在彈性范圍內,異步施工懸臂梁混凝土頂板表現出典型的剪力滯后效應;在N-1節段、N節段和N+1節段中,波形鋼腹板剪應力沿梁高的分布情況有所不同,且N+1節段鋼腹板的剪應力水平大于其他節段,需對其承載能力進行驗算。