鋼-UHPC 組合梁負彎矩區受彎性能研究

鐘錳軍，黃程亮，左海平，賴世錦

（1.柳州工學院土木建筑工程學院，廣西 柳州 545616；2.柳州鐵道職業技術學院建筑技術學院，廣西 柳州 545616）

鋼-混組合梁因其能充分發揮混凝土抗壓性能以及鋼材抗拉強度高、塑性好的優點，在橋梁工程中得到了廣泛的應用[1]。然而傳統的鋼-混組合梁的負彎矩區混凝土易開裂等缺陷一直困擾該結構的設計與應用。針對此問題，有學者通過在負彎矩區施加預應力筋等方法來改善混凝土的抗裂性能和提高組合梁的剛度，但同時也容易導致鋼梁發生屈曲等問題[2]。

因此，學者們開始尋找新型材料來替代普通的混凝土。超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）由于其內部鋼纖維的橋聯作用，能夠有效抑制裂縫的發展[3]，具有更高的抗拉強度和韌性，能從材料屬性解決負彎矩區混凝土易開裂的問題，在橋梁工程領域越來越受到青睞。學者們對正交異性鋼橋面與UHPC 組合橋面結構、PK 截面與UHPC 的結合、鋼-UHPC輕型組合梁等方向進行研究，結果表明，UHPC 替代普通混凝土可以很好地控制負彎矩區的開裂[4]。目前的研究中對于鋼-UHPC 組合梁的負彎矩區的受力情況及參數分析涉及較少，有必要進一步研究。基于此，本研究基于有限元模擬方法，探究了鋼-UHPC 組合梁負彎矩區在UHPC 材料、配筋率和型鋼強度等因素下的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文對Bo Xu 等[5]開展的鋼-UHPC 組合梁（工況UH PC-2）試件進行有限元分析。試件設計相關信息如圖1所示[6]。鋼梁采用工字鋼，翼緣寬度為125mm，厚度為9mm；腹板高度為107mm，厚度為6.5mm，在支撐和荷載加載處設置8mm 厚的加勁肋。鋼梁長度為2000mm，計算跨度為1800mm。栓釘的直徑和高度分別為16mm 和70mm，間距為100mm，分兩列布置。UHPC 橋面板的截面尺寸為300×90mm，長度為1900mm。UHPC 橋面板縱向鋼筋由4 根直徑為8mm 的HRB400 級鋼筋制成，箍筋采用直徑為8mm 的HRB400 級鋼筋，間距為100mm。加載圖如圖2 所示[7]。

圖1 試件橫剖面（單位：mm）

圖2 試件加載圖（單位：mm）

1.2 材料性能

試驗測得UHPC 立方體抗壓強度為123MPa，HRB400級鋼筋的材料力學性能參數如表1 所示[8]。

表1 材料力學參數

2 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS 有限元軟件建立了鋼-UHPC 組合梁的有限元模型，模型如圖3 所示。采用T3D2 單元對鋼筋進行建模，采用八節點線性六面體實體單元對橋面板、鋼梁和栓釘進行建模。所有鋼筋及栓釘嵌入在UHPC 橋面板內，抗剪栓釘采用“TIE”命令與鋼梁進行綁定。模型中鋼梁和UHPC橋面板采用20mm網格，栓釘采用5mm網格。

參考以下UHPC 拉伸[9]及壓縮本構方程[10]，分別如公式（1）和公式（2），本文采用CDP（塑性損傷）模型來模擬鋼-UHPC 組合梁的力學行為。

采用理想彈塑性的本構模擬HRB400 級鋼筋及工字鋼梁的力學行為。

3 有限元模型驗證

通過有限元分析，提取鋼-UHPC 組合梁的荷載-跨中撓度曲線，并與試驗進行對比，如圖4 所示。分析圖4 可發現，有限元模擬的組合梁剛度略大于試驗結果；有限元模擬屈服荷載值為159kN，試驗屈服荷載值為149kN，有限元模擬結果略高于試驗值，這可能是由于在進行有限元分析時未考慮鋼筋和混凝土之間的粘結滑移，但總體上模擬的載荷-位移曲線仍然與實驗結果是相吻合的，驗證了本文所建立的有限元模型可以較好地分析鋼-UHPC 組合梁負彎矩區受力性能。

圖4 有限元分析與試驗荷載撓度曲線對比

4 鋼-UHPC 組合梁負彎矩區力學性能影響因素分析

本文基于有限元分析來研究不同橋面板縱向鋼筋配筋率以及工字鋼梁強度等主要因素對鋼-UHPC 組合梁負彎矩區力學性能的影響。

4.1 橋面板縱向鋼筋配筋率

通過有限元分析了配筋率，分別為0.74%、1.24%、1.74%、2.24%條件下鋼-UHPC組合梁負彎矩區彎曲性能，其荷載-跨中撓度曲線如圖5 所示。由圖5 可得，組合梁的承載能力隨著配筋率的增大而增大，配筋率從0.74%提高到1.24%時，增幅比較明顯，之后隨著配筋率的增大承載能力的增幅減小。因此，建議在工程設計中滿足配筋率要求即可。

圖5 配筋率影響下的荷載-撓度曲線

4.2 工字鋼梁強度

以文獻[11]的試驗組合梁為基準，只改變鋼梁的強度，分別取250MPa、290MPa、330MPa 和370MPa 的鋼梁強度來研究該組合梁負彎矩區力學性能。通過有限元分析其荷載-跨中撓度曲線如圖6 所示。由圖6 可知，鋼-UHPC 組合梁負彎矩區的承載力隨著鋼梁的承載能力增大而增大，可見鋼梁強度對組合梁的彎曲性能影響較大。

圖6 工鋼梁強度影響下的荷載-撓度曲線

5 結論

本文通過有限元模擬分析了鋼-UHPC 組合梁負彎矩區的受力性能，同時分析了不同HHPC 強度、配筋率及鋼梁強度等因素對組合梁受力性能的影響，得到以下結論：

1.通過有限元模擬的荷載-撓度曲線及破壞形態與試驗結果基本吻合。

2.組合梁的承載能力隨著配筋率的增大而增大，但配筋率增大到一定程度后組合梁的承載能力提高不明顯。

3.隨著鋼梁強度的增大，鋼-UHPC 組合梁負彎矩區的承載力提升較為明顯。