蔡东波,胡 静,程 高,张 宁
(1. 中交一公局第七工程有限公司, 河南 郑州 451452;2. 长安大学 公路学院 ,陕西 西安 710064;3. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 咸阳712100)
混凝土节段预制拼装是将混凝土主梁沿纵桥向划分为若个节段,采用短线或长线法预制后,运至桥位借助于桥面吊机、架桥机等特殊装备完成拼装,施加预应力,从而使各个节段连接形成整体[1]。节段预制拼装技术具有混凝土收缩徐变小、施工速度快、现场施工湿作业量小、工业化程度高等优势[2],在福建洪塘大桥、广州地铁四号线、苏通大桥引桥、崇启大桥引桥、南京长江四桥引桥、芜湖长江二桥引桥、嘉鱼长江大桥引桥、郑州四环线等重大工程中广泛应用。
接缝构造在节段预制拼装桥梁结构中起着重要作用,亦是结构受力的薄弱环节,接缝的受力性能是此类结构研究的难点和重点。受节段端面表层剥落、接缝胶涂装厚度不均匀、挤胶应力不均匀及节段胶接误差等影响,预制节段梁悬拼过程中容易出现不等厚度的胶接缝的问题[3];汪双炎[4]以主跨96 m石长线湘江铁路桥主桥节段间剪力键受力性能研究为例,开展了1比4的多剪力键干接模型试验研究,指出剪力键受力不均匀,与键齿数目有关;O.BUYUKOZTURK等[5]开展了不同环氧树脂胶接接缝厚度的节段预制桥梁接缝抗剪模型试验,得出胶接缝厚度对接缝的抗剪刚度和强度影响不大的研究;J.TURMO等[6]进行了胶接缝厚度分别为1、2、3 mm的三键齿接缝试件的抗剪性能试验,发现3 mm胶接试件的抗剪强度和刚度稍低;姜海波等[7]、JIANG Haibo等[8]进行了不同键齿数目的预制节段干接简支梁抗剪性能试验,提出接缝是控制梁抗剪承载力的主要因素,但接缝数量对节段梁抗承载的影响不显著;冯家辉等[9]进行了预制节段混凝土干接缝抗剪性能的尺寸效应探究,发现试件尺寸及正应力影响接缝的极限抗剪强度。可见,胶接缝的抗剪性能除与剪力键的材料特性、截面面积有关,也受键齿数目、正应力、尺寸、胶接缝厚度等影响。
与胶接缝抗剪缩尺模型相比,混凝土预制节段梁桥的抗剪能力不仅与剪力键的构造有关,也与主梁受力模式有关。顶板内剪力键抵抗车轮局部荷载,而腹板内剪力键抗剪,且沿腹板高度剪应力分布不均匀,底板用于节段定位,顶板、底板及腹板的体内、体外预应力提供了节段梁正应力。为此,笔者拟以混凝土预制节段梁足尺模型为研究对象,依托某大跨节段预制梁桥,采用有限元软件ABQUS,将杆系结构计算的主梁内力作为初始荷载条件,分析胶接缝厚度在车辆轮压荷载、最不利剪力作用下节段梁的受力特征与胶接缝形式的关系。
CJJT 111—2006《预应力混凝土桥梁预制节段逐跨拼装施工技术规程》[10]对胶接缝厚度限值进行了相关约定,受节段端面表层剥落、接缝胶涂装厚度不均匀、挤胶应力不均匀及节段拼装误差等影响,胶接缝在同一接缝内厚度离散性仍然较大,而现行规程未约定胶接缝厚度极值、均值,不能很好指导工程的质量控制。因预制节段梁安装线形调整难度大,诸多工程通过施加楔形垫调整线形,导致接缝厚度出现人为偏差。根据国内外文献模型试验与现场测试,胶接缝厚度基本处于0.5～8 mm,如图1。
图1 胶接缝厚度取样Fig. 1 Sampling of epoxy joint thickness
剪力键按照分布部位可分为腹板内剪力键、顶板内剪力键和底板内剪力键,如图2。腹板内剪力键一般由多个矩形键块(槽)组成,主要承受与传递接缝截面的剪力。顶板内剪力键主要用于传递接缝位置车轮荷载引起的剪力,底板内剪力键协助节段拼装镶嵌对接定位。为全面掌握节段梁的受力特性,采用实体单元模型模拟上述剪力键(槽),如图3。
图2 节段剪力键(键槽)布置示意Fig. 2 Layout of shear keys (keyway) in segments
图3 节段梁足尺模型Fig. 3 Full-size model of section beam
为得到最不利荷载条件下节段应力分布,先建立全桥杆系结构有限元模型,进行施工阶段、成桥后正常使用极限状态下和承载能力极限状态下结构静力计算,得到支点附近截面的轴力、剪力及弯矩,并以此作为节段实体有限元模型的初始荷载条件。
为分析胶接缝厚度对节段梁抗剪刚度、抗剪承载力及车轮荷载作用下接缝处桥面承压刚度的影响特征,笔者设计了3类共10个有限元计算模型,各模型的荷载及边界条件如图4和表1。其中模型① 用于评价胶接缝厚度对混凝土箱梁顶板局部承压刚度的影响,模型② 用于评价无截面正应力时拼接胶接缝厚度对节段梁抗剪性能影响,模型③ 评价胶接缝厚度对主梁在施工及运营阶段工作性能的影响。车轮荷载按照JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》车辆荷载及轮胎着地面积取值。接缝参数设计中增加了干接缝、湿接缝模型,以对比分析胶接缝厚度对节段梁受力性能的影响。
表1 计算模型说明
图4 荷载及边界条件Fig. 4 Load and boundary conditions
实体有限元模型采用有限元软件ABAQUS,模型中考虑了材料非线性和几何非线性。混凝土采用无缩减积分实体单元,钢筋采用三维桁架单元,采用“内置区域”命令嵌入混凝土实体单元中。网络划分采用结构化网格划分与自由网格划分相结合技术。胶接缝采用实体单元模拟。节段梁剪力键为素混凝土,经验证计入钢筋与否对结果几乎无影响,模型中不再考虑钢筋。混凝土强度标号为C60,其本构关系采用ABAQUS软件提供的混凝土损伤模型,混凝土单轴受压模型、混凝土单轴受拉模型及相应的损伤模型均采用GB50010—2010《混凝土结构设计规范》中的应力-应变关系、应变-损伤因子关系。混凝土轴心抗压强度fc、轴心抗拉强度ft、弹性模量Ec及泊松比c取值依据规范取值。目前,还没有拼接胶塑性损伤本构关系,故暂采用弹性本构模型模拟胶接材料特性,弹性模量取为C60混凝土的1/10。施加节段梁纵向力以代替纵向预应力作用。按照循序渐进的建模方法,从单键齿到节段模型,从局部承压到全截面受力,从截面无正应力到压弯剪共同作用,有限元计算结果与现有模型试验、材料力学估算结果接近,验证了计算方法的可靠性。
3.1 车辆轮压作用下节段模型局部承压计算
图5和图6给出车辆轮压作用下节段模型的应力及变形云图。由图5可知,车辆轮压荷载节段的主应力分布规律基本一致,主应力水平稍有不同。湿接、干接、3 mm厚胶接、8 mm厚胶接模型的应力峰值分别为4.6、7.6、8.0、8.1 MPa,湿接缝应力最低,干接、3 mm厚胶接、8 mm厚胶接模型的应力水平接近。
图5 轮压荷载作用下节段应力云图Fig. 5 Segment stress nephogram under wheel load
轮压荷载作用下箱梁顶板的变形反映了顶板剪力键的工作状况。由图6可知,干接模型的最大变形量达到1.0 mm,其变形量最大;其余3种模型的最大变形量均为0.9 mm。综上所述,胶接缝厚度对顶板剪力键的抗剪刚度、节段梁的应力分布几乎无影响。
图6 轮压荷载作用下节段变形云图Fig. 6 Deformation nephogram of segment under wheel load
3.2 节段抗剪极限承载力计算模型
图7给出了节段梁剪力荷载与接缝处剪切变形的关系曲线。剪力荷载与剪切变形曲线的斜率反映了主梁的抗剪刚度。由图7可知,在弹性阶段,剪力荷载与剪力变形曲线的斜率基本保持不变,湿接模型、3 mm厚胶接模型和8 mm厚胶接模型的抗剪刚度接近;3 mm厚胶接模型和8 mm厚胶接模型的极限抗剪承载力低于湿接模型,但均显著高于节段梁施工及承载力能力极限状态下最大剪力2 285 kN。由此可知,湿接、3 mm厚胶接及8 mm厚胶接三者抗剪刚度基本接近,胶接厚度对截面抗剪刚度基本无影响;截面抗剪极限承载力在节段湿接时最大,但受胶接缝厚度影响不显著。
图7 剪力-剪切变形曲线Fig. 7 Shear force-shear deformation curve
3.3 最不利荷载组合下节段计算模型
图8和图9给出了最不利荷载组合作用下节段截面正应力及剪应力分布云图。由图8可知,湿接模型与胶接模型的截面正应力差异较大,剪力键区域应力集中现象明显。胶接缝的存在显著改变了正应力的分布特征,但3、8 mm的胶接缝厚度对截面正应力影响不显著。
图8 最不利荷载组合作用下截面正应力云图Fig. 8 Normal stress nephogram of section under the action of the most unfavorable load combination
图9 最不利荷载组合作用下截面剪应力云图Fig. 9 Nephogram of shear stress of section under the action of the most unfavorable load combination
由图9可知,湿接模型与胶接模型的截面剪应力同样差异较大,剪力键区域应力集中现象明显。胶接缝的存在显著改变了剪应力的分布特征。与3 mm厚胶接模型剪应力相比,8 mm厚胶接模型的剪应力增大了10%,胶接缝厚度对截面剪应力的影响不容忽略。
1)预制节段拼接混凝土梁的抗剪刚度受湿接、干接、胶接缝等接缝形式影响不显著。节段梁的抗剪极限剪承载力受接缝形式影响显著,湿接缝抗剪承载力明显高于胶接缝。接缝的抗剪极限承载力由高到低依次为湿接、8 mm厚胶接缝、3 mm厚胶接缝、干接。胶接缝厚度对预制节段梁的抗剪承载力有一定影响,但均高于其依托工程的最大剪力作用值。
2)干接、湿接、3 mm厚胶接、8 mm厚胶接等接缝形式均不影响箱梁顶板的应力分布。车辆轮压荷载作用下干接、3 mm厚胶接、8 mm厚胶接模型应力峰值接近,较湿接模型的应力峰值提高42%。
3)接缝形式对节段梁截面的正应力、剪应力影响显著。剪力键的存在显著改变了剪应力的分布特征,8 mm厚胶接模型的剪应力较3 mm厚胶接模型增加了10%,胶接缝厚度对截面剪应力的影响不容忽略。
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