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新型預(yù)制拼裝組合結(jié)構(gòu)蓋梁抗剪機理

摘要：提出了一類新型預(yù)制拼裝組合結(jié)構(gòu)蓋梁。為研究其受力機理，建立了非線性有限元模型，討論了預(yù)制拼裝組合結(jié)構(gòu)蓋梁破壞過程，分析了鋼材強度、本構(gòu)模型、腹板和頂板厚度對承載力的影響，通過理論計算對數(shù)值模擬進行了驗證。研究結(jié)果表明：新型預(yù)制拼裝組合蓋梁先后出現(xiàn)混凝土開裂、腹板、頂板及加勁肋屈服、強化后達到極限承載力，表現(xiàn)為剪切破壞狀態(tài)；試件加載中荷載-撓度曲線表現(xiàn)出明顯的線性、塑性和加強階段，結(jié)構(gòu)屈服后有較好的延性，承載力保持逐步增長；試件腹板和混凝土承擔70%~75%的極限承載力，腹板厚度和強度的增加可有效提高試件屈服荷載、極限承載力；試件屈服后，蓋梁頂板和鋼材強化提供部分承載力，不可忽略頂板及加勁肋、鋼材強化對承載力的影響。

關(guān)鍵詞：預(yù)制拼裝；組合結(jié)構(gòu)；蓋梁；抗剪機理；極限承載力

Abstract：This paper proposes a unique precast composite pier cap. The mechanical performance of the precast composite pier cap is studied using nonlinear finite element modelling，and the failure mechanism is discussed. The effect of steel plate strength，constitutive model，web and top plate thickness on capacity is investigated，and the numerical simulation analysis is validated by theoretical calculation. The results demonstrate that the concrete fractures first，and the ultimate condition is determined by the yield of the web，top plate，and stiffener，resulting in shear failure. The load-deflection curves exhibit three phases of behavior：linear，plastic，and hardening，and after structural yielding，the capacity grows gradually，indicating acceptable ductility. The specimen's web and concrete support 70%?75% of the final bearing capacity. Increases in web thickness and strength can significantly enhance the yield load and ultimate capacity of the specimens. Following specimen yielding，the top plate and hardening of steel material contribute a portion of the capacity，indicating that the impact of the top plate，stiffener，and hardening of steel material should be addressed.

Keywords：precast；composite structure；bent cap；shear mechanism；ultimate bearing capacity

蓋梁是橋梁下部結(jié)構(gòu)中傳遞荷載的重要構(gòu)件，現(xiàn)澆混凝土蓋梁建造需搭制支架，施工周期長、質(zhì)量控制難、施工風險大且浪費成本，預(yù)制拼裝混凝土蓋梁有效克服了上述不足，成為當前橋梁下部結(jié)構(gòu)建造的主要結(jié)構(gòu)形式[1]。

整體預(yù)制拼裝混凝土蓋梁自重達數(shù)百噸[2]，運輸不便、吊裝困難，目前常用預(yù)制拼裝蓋梁為多節(jié)段、剪力鍵連接形式[3-5]，在蓋梁縱向設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束用以加強節(jié)段連接能力、防止長期使用中的混凝土開裂[6]。工程實踐發(fā)現(xiàn)，蓋梁混凝土內(nèi)部設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，需進行預(yù)應(yīng)力鋼束張拉和砂漿灌注，工序煩瑣、耗費工時。同時，預(yù)制拼裝蓋梁與墩柱連接是預(yù)制拼裝的關(guān)鍵技術(shù)，常采用灌漿套筒、金屬波紋管、預(yù)應(yīng)力鋼筋連接[7-8]，及榫嵌套和焊接的組合連接[9]，灌漿操作隱藏在連接器內(nèi)部[10]，施工質(zhì)量難以控制，連接質(zhì)量檢測較難實現(xiàn)。

為此，本文提出了一種可降低自重，提高施工、裝配效率的新型預(yù)制拼裝組合結(jié)構(gòu)蓋梁。為研究該蓋梁的受力機理，建立了非線性有限元模型，討論了蓋梁破壞過程，分析了鋼材強度、本構(gòu)模型、腹板和頂板厚度對承載力的影響，為應(yīng)用這類新型預(yù)制拼裝組合結(jié)構(gòu)蓋梁提供依據(jù)。

1　新型組合結(jié)構(gòu)蓋梁構(gòu)造

新型組合結(jié)構(gòu)蓋梁為工廠預(yù)制，現(xiàn)場注入混凝土，澆筑連接，構(gòu)造如圖1所示。蓋梁懸臂段為鋼-混凝土組合箱體結(jié)構(gòu)，底板設(shè)置開孔板、穿孔鋼筋與混凝土連接，頂板設(shè)置多道加勁肋；支座下方分別設(shè)置1道橫隔板、2道橫肋，提供支撐及蓋梁橫向剛度；柱頂蓋梁采用帶開孔板的箱體結(jié)構(gòu)，與預(yù)制橋墩通過開孔板、連接鋼筋、柱主筋-混凝土形成組合連接。

圖1　新型組合結(jié)構(gòu)蓋梁構(gòu)造

Fig.1　Structural details of novel composite pier cap

傳統(tǒng)預(yù)制混凝土蓋梁采用鋼筋混凝土抵抗彎剪作用，為防止混凝土開裂，加強蓋梁節(jié)段的連接常采用預(yù)應(yīng)力鋼筋縱向加固。新型組合結(jié)構(gòu)蓋梁采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)承受支座荷載，提出了新型蓋梁-橋墩連接形式和施工方法，取消了預(yù)應(yīng)力筋的使用。

組合結(jié)構(gòu)蓋梁構(gòu)造特點在于：（1）蓋梁與墩柱采用開孔板、主筋連接傳力，并增加了連接鋼筋提高抗彎剪強度；（2）蓋梁懸臂段鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)提高底板壓彎能力；（3）施工中，組合結(jié)構(gòu)蓋梁吊裝至橋墩頂部進行簡單定位后便可澆筑，減少了傳統(tǒng)預(yù)制蓋梁現(xiàn)場拼裝操作，提高拼裝效率和構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量。同時，應(yīng)用于相同工況時，新型組合結(jié)構(gòu)蓋梁質(zhì)量輕，僅為傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁的1/4，每單位重量具有更大的承載力。

新型組合結(jié)構(gòu)蓋梁為預(yù)制構(gòu)件，蓋梁-橋墩連接節(jié)點為現(xiàn)澆形式，預(yù)制及安裝過程（圖2）包括：① 焊接蓋梁鋼板；② 澆筑混凝土：蓋梁懸臂段底板采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)形式，工廠預(yù)制蓋梁時對底部（紅線區(qū)域）進行澆筑；③ 封閉蓋梁：澆筑內(nèi)部混凝土后封閉蓋梁兩端人形通道孔，完成蓋梁工廠預(yù)制過程；④ 預(yù)制、安裝墩柱；⑤ 現(xiàn)場吊裝蓋梁：蓋梁由上而下吊裝至墩頂，定位后進行簡單固定；⑥ 現(xiàn)場注入混凝土：從蓋梁頂部澆筑孔注入混凝土，完成澆筑；⑦ 養(yǎng)護、封口：養(yǎng)護混凝土后，用鋼板封住澆筑孔，完成蓋梁的安裝過程。

圖2 蓋梁預(yù)制和安裝

Fig.2　Fabrication and erection of composite pier cap

2　有限元模型

2.1　試件尺寸及參數(shù)

圖3給出了試件半結(jié)構(gòu)尺寸，蓋梁長度、高度分別為7,300mm、1,400mm，腹板間距為1,520mm，頂板厚度tf=14mm、腹板厚度tw=40mm。柱頂位置和懸臂段的底板厚度分別為25mm、16mm。開孔板寬度為200mm、厚度為16mm，開孔直徑為60mm，縱向加勁肋寬度為160mm、厚度為16mm。支座下方橫隔板、橫肋厚度為22mm，間距為200mm。柱主筋、連接鋼筋、穿孔鋼筋直徑分別為40mm、32mm、16mm。蓋梁單側(cè)設(shè)置2個支座，長寬均為600mm，支座中心縱、橫向距離蓋梁中心分別為2,079mm、390mm。

圖3　試件半結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

Fig.3　Dimension of the half structure （Unit：mm）

試件參數(shù)考慮了三種腹板厚度、四種頂板厚度、五種鋼材強度及兩類鋼材本構(gòu)，模型參數(shù)如表1所示。其中，為鋼材屈服強度[11]，M1、M2分別為兩類鋼材本構(gòu)模型。

2.2　有限元建模

考慮到試件的對稱性，采用大型通用有限元軟件建立了半結(jié)構(gòu)模型[12]，懸臂段和墩柱混凝土、鋼板、主筋、穿孔鋼筋均采用實體單元C3D8R，柱頂混凝土采用實體單元C3D10M，其余鋼筋為線單元T3D2，模型單元總數(shù)約為42萬個，單元劃分如圖4所示。試件施加y向位移模擬荷載施加過程，最大控制位移為200mm。

模型對稱邊界為y-z平面，該平面中x向位移自由度和y-z向轉(zhuǎn)角自由度均為0，柱底邊界條件為全約束。模型中不同Part間多數(shù)采用面面接觸，接觸面切向行為中摩擦方向各向同性、摩擦系數(shù)為0.5[13-14]，接觸面法向采用硬接觸，模擬Part接觸間不穿透并可分離的法向狀態(tài)，約束施加方式為默認形式。接觸面包括柱頂鋼筋-混凝土、鋼板-鋼板、開孔板與混凝土、支座與蓋梁。為提高計算效率，懸臂端鋼筋與混凝土為嵌入關(guān)系。

圖4　單元劃分

Fig.4　Mesh of elements

2.3　材料本構(gòu)

混凝土等級取C50，單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為3個階段：

（1）　彈性階段（0 ≤ εc ≤ 0.4fc/Ecm）

混凝土受拉本構(gòu)在開裂前假定為線性，采用與受壓狀態(tài)相同的彈性模量表征應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其中：ft為混凝土抗拉強度，取ft=4MPa；εck為混凝土開裂應(yīng)變。混凝土受壓、受拉本構(gòu)曲線如圖5a）所示，其中γ=0.85、β=50[16]。鋼材本構(gòu)采用簡化三折線模型M1和不考慮加強段的二折線模型M2，如圖5b）所示。其中：fu為極限強度；εy為屈服應(yīng)變；30εys為極限強度對應(yīng)的應(yīng)變值。鋼筋等級為HRB400，采用M1本構(gòu)模型，屈服強度取400MPa；鋼板根據(jù)表1選擇相應(yīng)的強度等級及本構(gòu)模型。

圖5　材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.5　Stress-strain curves of materials

3　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1　破壞過程

澆筑完成后的試件模型破壞過程基本一致，以典型模型S18為例進行分析。圖6給出了模型承載力-撓度（F-Δ）曲線。隨著Δ增大，F(xiàn)表現(xiàn)出三階段變化過程：（1）線性段：F-Δ線性變化，混凝土開裂，腹板最終屈服；（2）塑性段：頂板及其加勁肋逐漸屈服，承載力緩慢增加；（3）加強段：鋼材進入強化段，較小承載力增加產(chǎn)生大變形。

圖7對應(yīng)圖6模型發(fā)生腹板、頂板及其加勁肋屈服等3個關(guān)鍵狀態(tài)的應(yīng)力分布。圖7a）給出了模型Mises應(yīng)力云圖，腹板屈服時，頂板邊緣應(yīng)力較大；F=0.77Fmax時，頂板貫通屈服，同時橫隔板發(fā)生屈曲；F=0.89Fmax時，頂板加勁肋屈服，F(xiàn)max為峰值荷載，即極限承載力。模型腹板、頂板分別承擔70%、20%的承載力。圖7b）給出了模型腹板壓應(yīng)力矢量圖，腹板壓應(yīng)力方向始終由支座指向懸臂端，呈45°角。腹板屈服前，壓應(yīng)力分布均勻；腹板屈服后，支座下部腹板壓應(yīng)力和受壓范圍增大，說明橫隔板和橫肋有效提高腹板抗剪強度，受壓柱腹板屈服后，剪力傳遞至支座底部腹板。

圖6　模型S18 F-Δ曲線

Fig.6　F-Δ curve of model S18

圖7　模型應(yīng)力（單位：MPa）

Fig.7　Stress of the models （Unit：MPa）

3.2　鋼材強化對承載力影響

鋼材采用三折線本構(gòu)，以線性加強段代替鋼材的頸縮強化過程，由破壞過程分析可知承載力加強可能由鋼材強化引起。為此，分析了鋼材本構(gòu)加強段對結(jié)構(gòu)抗剪承載力產(chǎn)生的影響，對比采用Q460鋼材、三種腹板厚度模型，分別考慮M1、M2本構(gòu)，計算結(jié)果如圖8所示。

組合結(jié)構(gòu)蓋梁發(fā)生腹板、頂板及加勁肋屈服，采用M1本構(gòu)的模型在頂板及加勁肋屈服后鋼材進入加強段，承載力繼續(xù)提高，采用M2本構(gòu)的模型出現(xiàn)承載力穩(wěn)定或降低趨勢。位移越大，鋼材加強段對承載力產(chǎn)生的影響越大。由此說明，頂板及加勁肋屈服后組合結(jié)構(gòu)蓋梁承載力增加由鋼材加強段貢獻。

圖8　鋼材本構(gòu)加強段對承載力影響

Fig.8　Influence on bearing capacity of steel constitutive strengthening section

3.3　材料強度對承載力影響

圖9為五種鋼材屈服強度下承載力與撓度關(guān)系，其中模型腹板和頂板厚度分別為40mm、14mm，屈服點對應(yīng)腹板發(fā)生屈服狀態(tài)。可以看出，極限承載力、腹板屈服荷載隨著材料屈服強度提高而增大；不同材料屈服強度下，承載力曲線初始剛度基本一致。

圖9　不同鋼材屈服強度下F-關(guān)系

Fig.9　F- relationship with different steel yield strength

圖10給出了頂板厚度為14mm時，不同腹板厚度模型極限承載力和屈服承載力Fy隨材料強度的變化，承載力與材料屈服強度基本呈線性增長關(guān)系。

圖10　承載力隨材料強度的變化

Fig.10　Bearing capacity varying with material strength

3.4　腹板厚度對承載力影響

圖11為不同腹板厚度下承載力與撓度關(guān)系，ΔF1、ΔF2分別為腹板和頂板承擔的承載力。可以看出：（1）腹板厚度越大，ΔF1、ΔF2增量越大，即線性階段腹板為主要受力構(gòu)件，塑性階段腹板材料強化提供受力；（2）模型初始剛度隨腹板厚度增加，明顯提高。

圖11　不同腹板厚度下F-Δ關(guān)系

Fig.11　F-Δ relationship with different web thickness

3.5　頂板厚度對承載力影響

圖12為不同頂板厚度下承載力與撓度關(guān)系，可以看出：（1）頂板厚度對腹板屈服荷載影響較小；（2）頂板厚度增加，ΔF2增量越大；（3）頂板厚度對初始剛度有一定影響，但小于腹板厚度影響。

圖12 不同頂板厚度下F-Δ關(guān)系

Fig.12　F-Δ relationship with different top plate thickness

4　理論對比驗證

由上述分析可知，試件主要出現(xiàn)抗剪破壞，塑性破壞前抗剪承載力由鋼腹板和混凝土承擔。為驗證數(shù)值模擬計算的合理性，對比了試件承載力理論計算和有限元結(jié)果。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗剪考慮腹板和混凝土作用，腹板抗剪強度為[17]：

圖13　有限元模擬和理論計算抗剪承載力比值對比

Fig.13　Comparison of shear capacity ratio between FEA and theoretical calculation

5　結(jié) 論

本文提出了一種新型預(yù)制拼裝組合結(jié)構(gòu)蓋梁，基于27個有限元模型分析了腹板和底板厚度、鋼材強度、鋼材本構(gòu)模型等因素對承載力的影響，并通過理論方法對數(shù)值模擬分析進行了驗證。可以得出以下主要結(jié)論：

（1）新型預(yù)制拼裝組合蓋梁為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，懸臂段混凝土能有效提高抗壓彎能力，蓋梁與橋墩采用開孔板、鋼筋連接傳力，現(xiàn)場拼裝操作簡單，具有自重輕、拼裝效率和構(gòu)件質(zhì)量高等特點。

（2）新型預(yù)制拼裝組合結(jié)構(gòu)蓋梁破壞過程，先后出現(xiàn)混凝土開裂、腹板、頂板及加勁肋屈服、強化后達到極限承載力，表現(xiàn)為剪切破壞狀態(tài)。

（3）試件加載中表現(xiàn)出明顯的線性、塑性和加強段，結(jié)構(gòu)屈服后仍具有較好的延性，承載力保持逐步增長。

（4）屈服前，腹板和混凝土承擔主要承載力，約為70%~75%；屈服后，頂板及其加勁肋承擔約20%，表明提高腹板厚度和強度是提高承載力的有效方法。蓋梁頂板鋼材強化后可進一步提供10%的承載力，不可忽略鋼材強化對承載力的影響。

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（責任編輯：何雯麗）