两种PBL连接件对波形钢腹板PC组合箱梁力学性能的影响研究

2015-01-09屈志英柳建设戚冬艳

城市道桥与防洪 2015年5期

王军，屈志英，柳建设，戚冬艳，吴振

（西安市政设计研究院有限公司，陕西西安，710068）

0 引言

目前，随着PBL连接件研究的深入和对其认识的逐步成熟，许多学者把目光转向了基于传统PBL连接件的衍生形式，主要有Twin-PBL形式和S-PBL+栓钉形式。

Twin-PBL连接件是由单个PBL连接件衍生出来的,如图1所示。将原有的单块PBL开孔板变成两块板，共同焊接在水平翼缘板上，两板之间留一定间距。Twin-PBL连接件无论是整体刚度还是抗剪强度都较以前有了很大的提高。日本有许多桥梁都采用了这种连接件，如谷川桥、游乐部川桥、宏内第二桥等[1]。

图1 Twin-PBL连接示意图

S-PBL+栓钉连接件是在原有单个PBL连接件两侧增加两排栓钉,如图2所示。这种连接件将栓钉的柔性和PBL连接件的刚性有机的结合起来，发挥了各自的优势，最具代表性的桥梁有日本的中野高架桥。

图2 S-PBL+栓钉连接示意图

在波形钢腹板桥梁的设计中，剪力连接件主要起连接钢腹板与混凝土上下桥面板的连接，在设计荷载作用时最基本的要求是不会发生剪切滑移。通过对波形钢腹板梁局部节段的有限元分析模拟，比较两种不同连接件对波形钢腹板PC组合箱梁桥力学性能的影响，对指导类似桥型剪力连接件的设计有着重要的意义。

1 PBL剪力连接件的构造特点

国内采用PBL连接件的工程案例有：南宁大桥组合拱肋连接部、南京长江三桥钢混结构部、舟山连岛工程金塘大桥索塔锚固区、佛山平胜大桥主梁钢混结合部等。正是由于PBL剪力连接件在实际工程中表现出优异的工作性能，对其研究与日升温，其主要构造特点见表1所列。

2 PBL剪力连接件的作用机理

首先，贯通钢筋和混凝土榫柱是PBL剪力连接件抵抗剪力的主要构件。随着贯通钢筋直径的增大，其抗剪能力也会有很大提高。但应防止由于钢筋过大导致孔洞内混凝土榫柱体积过小，在荷载初期被压碎而提前退出工作；其次，连接件依靠榫柱和贯通钢筋承担钢与混凝土之间的分离力；最后，PBL连接件都是通过钢板受压来承担面外横向剪力。

表1 两种PBL连接构造的特点一览表

3 计算实例

3.1 工程概况

以邢台某桥为例，该桥为大跨度波形钢腹板PC连续梁桥，其跨径布设为88+156+88（m）。箱梁采用单箱单室直腹板箱形截面，顶板全宽13 m，两侧悬臂长3.25 m；箱梁顶底板采用C60混凝土浇筑，顶板最小厚0.3 m，悬臂板端部厚0.2 m，悬臂板根部厚0.8 m；横桥向箱内上梗腋长1.8 m、高0.5m；箱梁底板宽6.5m、底板厚0.3～1.2m。腹板钢材采用Q345D，采用1600型波形钢板，厚14～24mm，波纹水平段长度430 mm、斜长430.46 mm、斜段水平方向长350 mm、波高220 mm。典型箱梁横断面如图3所示。

图3 典型箱梁横断面图（单位:cm）

3.2 局部模型分析

3.2.1 有限元模型

通过对波形钢腹板PC组合梁局部节段模型进行有限元仿真分析和计算，可以全面、真实的掌握Twin-PBL、S-PBL+栓钉两种不同形式的连接件对其力学性能的影响，揭示其应力分布规律及受力特性，为以后工程设计和施工提供科学依据。

由于模型中需要考虑连接件的细部构件，采用整体模型分析，单元数量巨大，计算成本较高。故截取全桥16 m等高节段建模进行分析，旨在发现规律性的结论。所建模型采用悬臂方式进行加载计算，即在梁体一侧端部固结，另一侧断面假定为平截面变形[2～3]。通过在该侧截面形心处建立刚域，保证梁体各点与形心位置变形协调，将荷载施加在形心位置处。采用土木工程常用有限元分析软件Midas FEA进行计算[4]。根据顶板剪力连接件的不同，分别建立两种不同模型。钢腹板、剪力连接件、混凝土顶底板均采用实体单元建模，如图4～图6所示。

图4 节段有限元模型

图5 S-PBL+栓钉连接件模型

图6 Twin-PBL连接件模型

计算模型的单元划分采用了自由网格划分的方法。由于考虑到网格疏密对后期结果影响较大，在PBL孔洞及栓钉位置处均采用较密的网格尺寸控制，保证计算的精度。S-PBL+栓钉连接件局部模型共建立了837841个单元，100660个节点；Twin-PBL连接件模型共建立了289641个单元，74776个节点。给出C60混凝土、栓钉、Q345钢材的力学性能参数，如表2～表4所列。

表2 混凝土的力学参数表

表3 Q345钢材的力学参数表

表4 栓钉的力学参数表

3.2.2 计算荷载

两种模型采用相同的材料、施加相同荷载，以及相同边界条件。在模型分析时通过输入材料的弹性模量和泊松比来定义结构的材料特性，并认为混凝土和钢腹板都是均质弹性体。从Midas Civil[5]所建的全桥单梁模型中读取梁端荷载的分析结果，如表5所列。局部分析模型的计算荷载包括：恒载、移动荷载、梁端荷载（剪力、轴力、弯矩）。梁端荷载的取值按照《公路桥涵设计通用规范》[6]进行自动组合，荷载组合系数如表6所列。

通过对表中各个荷载工况的试算可知，在工况7荷载作用下，波形钢腹板PC组合箱梁局部模型会出现最不利应力情况。即：最不利工况为轴力（-97500 kN）+最大剪力（-3171.0 kN）+最大弯矩（47900 kN·m）。对于二期恒载和移动荷载可以直接作用在箱梁顶面。移动荷载作用位置根据整体计算模型的内力包络图确定。

表5 荷载组合表

表6 不同计算工况下对应的梁端荷载一览表

3.2.3 局部模型受力分析

为比较波形钢腹板PC组合箱梁在使用两种不同剪力连接件后，力学性能的变化及应力的分布规律，分别对连接件、钢腹板、顶板、底板、预应力钢束及贯通钢筋进行分析。分析中以拉应力为正，压应力为负（见图7～图14）。

图7 Twin-PBL连接件Mises应力云图（单位：MPa）

图8 S-PBL+栓钉连接件Mises应力云图（单位：MPa）

图9 钢腹板Mises应力云图（Twin-PBL）（单位：MPa）

图10 钢腹板Mises应力云图（S-PBL+栓钉）（单位：MPa）

图11 顶板主拉应力云图（Twin-PBL）（单位：MPa）

图12 顶板主拉应力云图（S-PBL+栓钉）（单位：MPa）

图13 底板主压应力云图（Twin-PBL）（单位：MPa）

图14 底板主压应力云图（S-PBL+栓钉）（单位：MPa）

从图7、图8可知，Twin-PBL连接件最大Mises应力出现在梁体根部PBL孔洞处，为76.97 MPa；S-PBL+栓钉连接件最大Mises应力出现在根部翼缘板上，为87.11 MPa。通过读取栓钉应力可知，栓钉的应力范围介于44.6～10.25 MPa之间，栓钉应力从梁体根部向梁端逐渐减小。通过分析应力值可知，连接件均处于弹性阶段，设计相对保守。

从图9、图10可知，采用两种不同连接件的钢腹板的Mises应力云图分布规律基本相同。最大应力分别为120.43 MPa和123 MPa，钢腹板应力相差不大。最大应力均出现在钢腹板与混凝土底板相接位置，此处设计采用埋入式连接方式，钢腹板发生变形时受到混凝土齿块的嵌固作用，故此处应力较大。应力变化的总体趋势是向梁端逐渐减小。

从图11、图12可知，采用两种不同连接件的混凝土顶板应力分布比较均匀，顶板主拉应力均发生在梁端根部顶缘位置处。Twin-PBL连接件顶板最大主拉应力为1.7 MPa，S-PBL+栓钉连接件顶板最大主拉应力为2.0MPa，超过了混凝土抗拉设计强度0.17 MPa。由此可见，Twin-PBL连接件较S-PBL+栓钉连接件对顶板混凝土抗裂贡献较大，这主要是由于Twin-PBL连接件翼缘板整体钢板截面积较大，两根纵向加劲钢板，提高了其纵向刚度。

悬臂梁的受力特点为顶板主要受拉，底板受压。从图13、图14可知，采用两种不同连接件的混凝土底板根部位置主压应力最大，分别为23 MPa和26 MPa。梁端压应力最小，均为13 MPa左右，主压应力值均在规范容许的范围内。

图15～图18为两种局部模型中顶板预应力和PBL孔洞内贯通钢筋的的应力云图。研究发现：两种模型的顶板钢束预应力数值相差很小。这主要是由于施加于预应力钢束上的轴向力相对于施加于局部模型梁端的轴向力（-97500.0 kN）要小很多。贯通钢筋应力也相差很小。