采用工型钢连接的装配式空心板桥力学性能研究
1 绪论
桥梁是道路的重要部分。根据交通运输部统计数据，截至 2015 年底，全国等级公路里程达 457.73 万 km，其中高速公路里程 12.35 万 km。全国公路桥梁达 77.92 万座、4592.77 万 m，其中，特大桥梁 3894 座、690.54 万 m，大桥 79512座、2060.85 万 m。与 2014 年相比，特大桥梁同比增长 14.4%，大桥增长 8.95%[1]。钢筋混凝土和预应力混凝土装配式空心板桥是我国诸多桥梁形式中常用的桥型，装配式空心板桥具有预制方便、施工简单、用材经济等优点。现今，装配式简支空心板桥在我国得到了广泛的应用。对于我国现役的装配式预应力空心板梁桥,各板之间多采用现浇的混凝土铰接缝来进行横向连接,这样可以保证各板梁共同承担桥面板传递的车辆荷载，我国 20 世纪 90 年代中期以前设计的装配式空心板桥多使用浅企口缝连接，铰缝破坏后桥面会出现顺桥向裂缝、坑槽和塌陷等现象，情况严重时会致使板间横向联系失效，出现“单板受力”现象，导致板梁挠度过大，影响桥梁安全[2]。随后装配式空心板桥的企口缝形式逐步改为深企口缝，但装配式空心板桥所存在的问题并没有得到彻底的解决。就目前而言，铰缝损坏仍是威胁空心板桥安全运营的首要问题。
目前，国内外现役的装配式空心板桥由于车辆超载、施工工艺落后、运营时间较长以及局部设计不合理和恶劣的自然环境等多重因素的影响，或多或少都出现了的桥梁病害，其中铰缝破坏引起空心板横向连接失效的问题已成为威胁装配式空心板桥安全运营的首要问题。针对目前装配式空心板桥铰缝容易破坏的问题，课题组提出一种采用工型钢横向连接的装配式空心板桥的连接方式，这种工型钢横向连接方式与铰缝连接方式相比，具有施工简单、构件破坏之后拆换方便、易于工厂加工等特点，由于取消了铰缝，不会因为铰缝破坏而降低桥梁的横向整体性。本文研究这种新型工型钢横向连接方式对装配式空心板桥空间整体性的影响。
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装配式空心板桥各空心板间通过铰缝连成整体，在车辆荷载作用下铰缝易发生破坏，桥梁整体性受到严重影响，容易产生“单板受力”情况，受力单板的挠度增大，承载力明显下降，桥梁跨中会开裂。目前国内外学者的研究多侧重于横向连接方式、铰缝的破坏机理、空心板的加固、空心板的优化设计等方面。下面分类简单总结国内外的研究现状。
1.2.1 装配式空心板桥横向连接形式研究现状
装配式空心板桥的空间整体性取决于各板之间横向连接的安全性和可靠性。合理可靠的铰缝链接方式能够使桥梁受力合理，行车安全，保证桥梁使用年限。因此，铰缝形式的优劣在相当大程度上就决定了空心板桥质量的好坏。我国目前常用的横向连接方式有企口缝混凝土连接、钢板焊接连接、施加横向预应力连接、现浇混凝土连接等方式，其中企口缝混凝土连接和钢板焊接连接方式在是在我国应用较多的两种空心板连接形式。
(1) 企口缝混凝土连接。企口缝式空心板横向连接形式在我国应用广泛，20世纪 70 年代小铰缝连接形式普遍应用于公路装配式空心板桥建设当中，采用小铰缝的空心板桥在运营过程当中，经常因为铰缝问题出现“单板受力”现象。基于上述问题我国提出了采用深铰缝构造代替小铰缝构造，自 90 年代起，在空心板桥当中深铰缝构造得到推广，1993 年编制的空心板标准图集中对铰缝的连接形式在高度上进一步加深，目前空心板铰缝的设计逐渐向着宽和深的方向发展。具体的连接形式如图 1.1 所示。
目前国内外学者对装配式空心板桥的横向连接形式作了许多研究，提出了一些针对于铰缝连接形式的改进方法和新型的连接方式。Wonseok Chung 等人对目前桥梁上采用的各种铰缝的连接形式都做了分析研究，对目前采用较为广泛的深口铰接缝连接形式做了重点详细的研究，采用深铰缝进行连接更加安全可靠[3]。Omar Challis, Guillaume Sieprawski 对铰接缝所采用的材料进行了研究，对铰缝混凝土材料的选取有一定达参考意义[4]。种永峰对三种不同铰接缝型式制作模型进行试验，通过试验得出增加钢筋和门筋有利于提高铰接锋的整体性和抗剪能力[5]。刘晨光通过 Ansys 有限元分析软件，分别对采用小铰缝和深铰缝进行横向连接的装配式空心板桥的铰缝应力分布情况情况进行计算。对目前使用的接缝形式提出了若干改进措施[6]。
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2 工型钢横向连接构造特点及有限元模型
2.1.1 新型空心板间横向连接方式
装配式空心板桥在使用过程中空心板之间横向连接部位易于破坏。目前，国内外研究者提出了多种装配式空心板桥新型连接形式，例如：采用牛腿代替企口缝连接、采用榫卯结构代替企口缝连接形式和企口缝增设抗剪块连接形式[35-37]。如图 2.1 所示。其目的是增加板间的剪力传递能力。
2.1.2 工型钢横向连接方式构造
课题组提出了一种采用工型钢连接构件代替传统铰缝混凝土的装配式空心板桥工型钢横向连接形式。这种工型钢横向连接形式在相邻空心板之间通过工型钢进行连接，工型钢的两侧槽口内分别卡入相邻两块空心板的侧边，即以工型钢代替铰缝连接各空心板，这种连接不仅可以增强板间剪力传递能力，而且空心板的纵向侧边可以做成直边，方便空心板预制施工。空心板连接形式见图2.2。图中 1 表示空心板桥；2 表示孔洞，4 表示工型钢。
由图 2.2 可知，空心板的纵向侧边为直边，就需要对新截面形式的空心板进行设计。对于空心板工型钢横向连接截面的设计，可以按照等效截面的方法进行[38]。新老空心板截面形式和连接方式如图 2.3 所示。
截面等效的原则：
（1）新老两个截面的面积相等；
（2）两个截面的 y 轴惯性矩相等；
（3）顶底板的厚度，外轮廓尺寸相等；
（4）中截面腹板宽度与边截面较窄的腹板宽度相等。
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本文采用 Ansys 有限元软件分别建立 16m 跨径的新旧两种连接方式的先张法施工的预应力混凝土装配式空心板桥的实体有限元模型。由于工型钢连接件和空心板之间的变形并不协调，要模拟两者之间的接触关系，需要采用接触单元来模拟。同时，需要分析工型钢顶板下部对应的空心板部位的混凝土应力是否超出限值，混凝土是否会发生破坏，连接件的变形是否会导致桥面铺装层的破坏。
2.2.1 模型的基本材料属性
本文以 2007 年公布的空心板桥标准图集为参考，以标准图集中跨径为 10m，13m，16m，20m 的先张法空心板桥的图纸为例，对这 4 种跨径的空心板桥梁分别建立各空心板间横向采用 I 型钢连接和空心板间横向采用传统铰缝连接的有限元计算模型[39]。空心板桥的主要材料标准：
2.2.2 有限元模型
本文采用荷载横向分布影响线来判断不同连接形式的装配式空心板桥整体性能的优劣。影响荷载横向分布影响线的因素主要有：截面特性、板间连接方式的模拟、荷载作用位置等，这些参数都对计算结果有影响。因此，在保证截面等效合理的基础上，要合理模拟铰缝和空心板之间的连接，以及工型钢与空心板之间的接触关系。在建立有限元模型时，两类连接的装配式空心板桥有限元模型都采用三维实体单元进行模拟，采用六面体网格、手动划分网格的方法离散装配式空心板桥，对于空心板和工型钢接触部位的网格进行适当加密。对于铰缝连接的空心板桥，空心板混凝土、铰缝混凝土采用 Solid65 单元，预应力钢束采用 Link8 单元模拟。在确定铰缝混凝土的弹性模量时，要考虑到铰缝处新老混凝土的结合面，需对铰缝处混凝土的弹性模量进行一定的折减。因为，铰接板梁法是在假定铰缝完全传递剪力的基础上得出的，通过理论计算所得的空心板横向荷载分布系数与有限元软件计算结果相比，对企口缝混凝土的弹性模量进行折减，最终确定企口缝处混凝土弹性模量比实际弹性模量折减 300 倍，可以得到一个相对合理的计算结果。
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3.1 全桥有限元模型的建立.......................................23
3.2 工型钢腹板厚度 b 变化时对空心板桥空间整体性的影响 ..........25
4 采用工型钢横向连接的斜交空心板桥整体性能分析.......... 50
4.1 斜交装配式空心板桥计算模型 ................................50
4.2 斜交装配式空心板桥分析.....................................52
5 桥面铺装对装配式空心板桥横向传力能力的影响............ 70
5.1 桥面铺装的有限元计算模型建立 ..............................70
5.1.1 铺装层的基本材料属性 ......................................... 71
5 桥面铺装对装配式空心板桥横向传力能力的影响
对于装配式空心板桥，桥面铺装层既是桥梁结构的保护层，同时又参与结构受力，它一方面分散荷载并参与结构的受力, 另一方面起联络各空心板共同受力的作用。在桥梁设计计算时，通常不考虑桥面铺装层的作用，仅将铺装层作为参与结构受力的安全储备。当桥面铺装层与行车道板之间结合良好时，可以认为铺装层和桥面板构成了叠合结构，这种二次受力与一次受力构件在受力性能上有很大的区别。对于工型钢横向连接装配式空心板桥，与采用铰接缝连接的装配式空心板桥相比，铺装层的作用更加重要，一方面加强了空心板间的横向连接作用，另一方面能够保证工型钢连接件与桥面板之间的接触，保证连接件更好地参与结构受力[46~48]。由于工型钢连接件与混凝土之间是搭接在一起的，空心板桥在受荷时，两者的变形并不协调。因此，有必要分析桥面铺装层对装配式空心板桥传力效果的影响。
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在防水混凝土中配筋的主要目的是保证承受的载荷能均匀扩散分布，提高钢筋混凝土结构的抗裂性能。本文为了简化，在建立桥面铺装层时不考虑铺装层内的钢筋网。工型钢横向连接空心板桥的桥面铺装层与主梁的桥面板以及工型钢连接件的顶板是紧密结合在一起的，采用共节点的形式进行连接，保证两者之间的变形协调，因此采用与主梁相同的网格划分。
采用 Ansys 有限元软件建立包含铺装层的桥梁有限元计算模型，沥青混凝土和防水混凝土均采用 Solid65 模拟。桥面铺装层建模时，通过 mesh200 单元在桥面板上生成一层新的面网格，通过对面网格进行扩展，生成桥面铺装层，铺装层的节点和主梁的节点采用共节点处理。由于铺装层本身的应力状态不是本文研究的重点内容，在铺装层内部的钢筋网片在建立模型时不予考虑。以斜交30°跨径 20m 装配式铰接缝装配式空心板桥为例，在增设桥面铺装层之后的全桥有限元计算模型如图 5.1 所示。
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6 结论和展望
本文分别建立空心板间横向采用工型钢连接和铰缝连接的装配式空心板桥有限元计算模型，对比计算结果，对工型钢横向连接方式的适用性进行评判。所完成的主要工作和取得的结论如下：
（1）采用工型钢连接代替铰缝连接，解决了因为铰缝混凝土破坏导致桥梁病害的问题。采用工型钢连接的工作机理如下：当桥面作用荷载时，空心板和工型钢连接件之间发生相互错动的趋势，从而通过相互挤压和静摩擦力传递剪力，进而保证装配式空心板的空间整体性。
（2）采用Ansys有限元软件建立装配式空心板桥实体有限元模型，通过对比采用两种不同连接形式的正交装配式空心板桥的荷载横向分布影响线，可知采用工型钢连接的装配空心板桥其横向传力介于铰接空心板和刚接空心板之间，保证了单个空心板为单向板，不用双向配筋，满足了设计初衷。
（3）得到了采用工型钢连接时，不同跨径正交装配式空心板桥的连接件布置形式，，工型钢的顶底板厚度为20mm，腹板厚度为15mm，单个连接件长0.5m，对于跨径10m、16m、20m正交空心板桥，连接件采用均匀布置的形式，连接件布置个数分别为7个、9个、15个。当跨径为13m时工型钢连接件均匀布置7个，单个连接件长度0.6m。
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参考文献（略）
本文编号：220516
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/220516.html
