淮南孔李淮河大桥波形钢组合桥面板推出试验研究

2020-06-07叶琨

工程与建设 2020年6期

叶琨

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

0 引言

桥面板是公路桥梁桥面系的主要组成部分，直接承受和传递车辆荷载[1]。由于受到行车荷载的反复作用以及长期暴露在自然环境中，因此桥面板是桥梁结构中最易损毁的部件之一[2]。传统的桥面板结构有两种：钢筋混凝土桥面板和钢桥面板。在汽车荷载的长期作用下特别是重载甚至超载的情况下，钢筋混凝土桥面板的抗剪能力不足，桥面板损伤严重，设计使用寿命明显缩短。钢桥面板承载力高，施工方便，但因钢材的疲劳特性，在加劲肋处和焊缝处产生疲劳裂缝，也会使桥面板的耐久性和适用性受到很大影响[3]。

钢-混凝土组合桥面板是在钢桥面板和混凝土桥面板基础上发展起来的一种组合桥面板[4]。其同钢桥面板相比可以减少用钢量从而降低造价和增强耐久性，而同混凝土桥面板相比可以减小结构尺寸、减轻桥梁自重、增长桥梁跨径，且方便施工。目前钢-混凝土组合桥面板大致有两种：底部钢板为平板和底部钢板为压型钢板的钢混组合桥面板。压型钢板通过平板钢板压成波折形状，两个腹板能提供较大的抗剪承载力，从而获得更好的抗剪能力和更好的抗弯能力[5,6]。陈世鸣[7]指出，用压型钢板代替平底钢板不仅能获得更好的抗剪和抗弯能力，而且造型更加轻盈、美观。2012年，许佳其对一组波形钢-混凝土组合桥面板进行了探讨性试验，研究了组合板在两点对称加载时的受力情况。2015年，同济大学苏庆田等设计了一类波形钢-混凝土组合板，通过足尺试验将其受力性能与常规混凝土板和正交异性钢桥面做了一系列比较[8,9]。

本文以2014年安徽省交通规划设计研究院设计的淮南孔李淮河大桥右汊航道桥为背景，如图1所示。该桥为三跨钢箱梁下承式连续系杆拱桥，跨径布置为(110+180+110) m，以大桥新型的波形钢-混凝土组合桥面板结构为研究对象，按照实际工程情况，通过有限元模型分析和推出试验，对这种新型波形钢-混凝土组合桥面板的受力性能进行了研究。

图1 安徽省淮南孔李淮河大桥

1 推出试验概况

根据实际施工图纸，本文设计了推出试验的模型并加工了相应试验方案的试件。试件高800 mm，宽750 mm，混凝土板厚200 mm，钢板采用8 mm厚Q235qD钢板。波折板构造如图2所示，混凝土强度为实测强度，栓钉采用Φ16×180 mm,H型钢采用200 mm×200 mm普通H型钢。栓钉焊接采用穿透栓钉焊。本文推出试验采用足尺试验，特别地采用直径180 mm的栓钉，而不是国内外推出试验采用的直径90 mm或100 mm的栓钉。

图2 波形板构造示意图

加载之前先测试混凝土立方体试块的强度。推出试验布置情况如图3所示，具体试验程序如下:

图3 推出试验布置图

(1)试件的就位，在推出试件两边的混凝土块下面垫一层细砂，以确保试件在加载过程中，混凝土块的下端不会出现局部混凝土被压坏，也能够垫平试件。

(2)将试件与加载装置严格对中，以确保加载的过程中不产生偏心力。

(3)安装仪器与其他装置。

(4)采用分级加载的加载模式。首先对试件进行3次预加载，检查仪器运行是否正常，同时根据2个百分表的读值变化来调整试件的平衡和对中情况。待预加载符合设计要求后，才正式加载。

(5)匀速缓慢加载，每级加载20 kN，百分表在加载到位并保持2 min后读数，每一试件测试的总时间都在半小时以上。

(6)边加载边记录数据，同时观察混凝土的裂缝发展情况及试件的破坏特征。

(7)当加载到极限荷载的90%左右的时候，每级的荷载调整到10 kN。

(8)考虑到百分表的安全，在荷载接近试件的极限荷载时，拆除百分表，然后继续加载至试件破坏，记录最后的破坏荷载值。

2 有限元模型的建立

为了从有限元分析中得到较为准确的结果，剪切连接的所有部件都必须进行适当的建模处理。本文采用通用有限元程序ABAQUS对推出试件进行了模拟。混凝土板、钢梁、钢筋和剪切螺栓是影响剪切连接性能的主要因素。部件之间的相互作用也非常重要，同时考虑了几何非线性和材料非线性。推出试件的几何形状是通过假定沿钢梁腹板的半对称来建立的，如图4所示。采用三维八节点单元(C3D8R) 对栓钉、混凝土板、异形钢板和钢梁进行建模，采用桁架单元对焊接钢丝网进行建模。为了减少分析时间，将粗线条应用为一个整体。在混凝土与栓钉接触面附近区域应用细网络，从而得到了较为精确的结果。

图4 推出试验半对称模型

采用塑性损伤模型模拟混凝土，对于混凝土的骨架曲线，采用丁发兴等提出的不同强度等级混凝土单轴受压及受拉应力-应变关系全曲线统一计算式计算得到。钢板和钢筋均采用理想的弹塑性本构模型。钢梁、钢筋网采用线弹性处理，钢板、栓钉作为弹塑性材料。混凝土强度和栓钉抗拉极限承载力均由试验获得。

钢板被绑在剪切螺栓的底部。采用接触对算法对钢板面与混凝土板之间的表面接触，以及螺栓与周围混凝土之间的表面接触进行了定义。由于钢板和剪切螺栓的刚度较高，以其为主面,而混凝土表面被假定为从属面。

采用有限滑移法进行表面接触。这两个接触面之间的相互作用是由表面的正切行为决定的。假定默认的正常行为包括“硬”接触压力-超闭关系。这种正常的行为保证了从表面到主表面的最小穿透。采用罚式摩擦公式，假定钢板与混凝土板之间的摩擦系数为0.45。

假定钢桥面与H型钢之间的缺省无摩擦和“硬”接触相互作用分别为切向和正常行为。采用相同的“接触对”方法，将H型钢的顶部定义为主表面，钢板的底部为从表面。在内置约束条件下，将钢丝网嵌入混凝土板内。

约束混凝土板底面所有节点Y方向位移；根据对称性约束栓钉单元节点的X、Z方向位移，只允许Y方向位移。在梁的加载面上施加了0.25 mm/s的位移。

试验所得结果见表1。将有限元模型计算结果与试验数据进行对比,结果表明经过修正后的有限元模型与试验结果吻合程度较高。与此同时,将波形钢焊接推出试验结果与另外两种剪力连接件形式的试验结果进行对比，结果显示螺栓连接会降低组合构件的整体性，也会降低组合结构的极限承载力。波形钢焊接连接与标准推出试验的对比结果显示，波形钢板的加入会影响前期混凝土对栓钉的包裹性，导致前期滑移稍大，但结构最终的延性与承载力有了很大的提高。