装配式钢-混组合梁纵向湿接缝设计研究*

吴大健 段宝山 宋 林

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430000)

0 引 言

常用的装配式组合梁桥面板伸出的钢筋多采用绑扎或者焊接的形式进行连接，但是施工周期较长，无法实现桥梁快速施工.因此，提出采用U形钢筋搭接的方式，无需绑扎和焊接，施工方便，已经在工程中得到运用.但是，目前的规范并没有对U形钢筋搭接的连接方式进行明确规定，往往湿接缝尺寸较大，造成资源浪费，为做好湿接缝结构设计，需对其开展进一步研究，探明结构受力机理，明确结构设计尺寸.

国内外对湿接缝展开了广泛研究.朱玉等[1]基于PBL抗剪计算理论分析了环形钢筋搭接湿接缝的传力机理，并总结了环形刚接搭接长度计算方法.苏庆田等[2]提出一种弧形钢筋连接方式，并通过轴心受拉试验验证了其与U形钢筋连接、直钢筋连接方式的优势，证明了弧形钢筋连接方式运用于实际工程中的可行和可靠性.沈小平等[3]分析了装配式箱梁湿接缝受力基本特性，并从理论角度对开裂处受力进行计算，揭示了常规设计中存在的不足，提出了修正建议.王志刚等[4]通过MIDAS FEA建立了湿接缝有限元模型，并分析了不同的钢筋连接方式，通过对比验证了环形搭接湿接缝的可行性.Chapman[5]通过抗拉试验与抗弯试验对U形钢筋搭接的小尺寸湿接缝进行了分析，验证了小尺寸湿接缝的可行性.Lewis[6]通过试验验证了U形钢筋搭接湿接缝与圆头钢筋搭接湿接缝的可行性.但是始终没有提出统一的湿接缝设计方法，对于湿接缝受力机理也没有明确规定.因此，本文基于拉压杆计算模型对U形钢筋搭接湿接缝的受力机理及结构设计展开研究.

1 湿接缝受力机理

1.1 U形钢筋搭接湿接缝构造

钢-混组合梁相邻预制桥面板伸出U形钢筋交错布置，钢筋搭接重叠，内部核心混凝土中布置纵向钢筋形成湿接缝，见图1.

图1 U形钢筋搭接湿接缝

1.2 U形钢筋搭接湿接缝受力机理

文献[7]主要通过单向板计算理论对桥面板进行抗弯和抗剪计算，钢筋伸出长度满足锚固长度即可.针对U形钢筋交错搭接湿接缝的结构设计在规范中并没有进行规定.桥面板受力情况下来自U形钢筋的荷载通过钢筋环与混凝土的接触面传递给环内混凝土，环内混凝土受到挤压产生变形，从而将荷载传递至贯穿钢筋，导致钢筋产生变形，钢筋变形后进一步将荷载传递至核心混凝土.受力状态见图2.

图2 荷载作用下湿接缝受力情况

湿接缝受力状态符合拉压杆模型受力特点，其计算简图见图3.

图3 拉压杆模型抗拉承载力计算示意图

由图3可知，拉压杆模型中湿接缝破坏形式分为：U形钢筋屈服、内部纵向直筋屈服，以及核心混凝土压坏坏三种形式.因此，湿接缝抗拉强度通过U形钢筋、纵向直筋的抗拉强度，以及核心混凝土柱的强度控制.

拉压杆模型可以分成多个等腰三角形.通过静力平衡，模型中钢筋与混凝土柱的内力为

Fstr=T/2sinα

(1)

Fubar=T

(2)

Flbar=T/2tanα

(3)

式中：T为拉压杆模型中单个三角形的拉力；Fstr，Fubar，Flbar为混凝土压杆内力、U形钢筋内力，以及纵向直钢筋内力，可以通过搭接长度l0和U形钢筋间距s之间的几何关系获得.

混凝土柱、U形钢筋、纵向直钢筋的极限抗拉承载力分别是：fc.Astr，fyubar.Aubar以及fylbar.Albar.计算过程中，认为U形钢筋上下两肢均达到设计强度.将构件的强度带入上述式(1)～(3)中，得到如下抗拉承载力为

Tu,ubar=fy,ubarAubar

(5)

混凝土斜压杆有效抗压强度按照混凝土抗压设计强度乘折减系数方式确定，斜压杆有效强度为0.85fc.Aubar为U形钢筋截面积，它包括上下两肢；Albar为单根纵向直钢筋面积；Astr为混凝土斜压杆的面积，Astr为

Astr=Acorcosα

(7)

Acor=Dl0

(8)

式中：Acor为核心混凝土面积，约等于长方形面积.

湿接缝极限抗拉承载力Tu为

Tu=nΔ·min(Tu,str,Tu,ubar,Tu,lbar)

(9)

式中：nΔ为湿接缝处拉压杆等腰三角形的个数.

2 湿接缝设计参数研究

2.1 设计参数研究

拉力作用下湿接缝的承载力主要通过U形钢筋抗拉强度、 核心混凝土抗压强度，以及贯穿纵向钢筋抗拉强度控制.为了避免湿接缝出现混凝土突然压溃破坏并保证湿接缝具有足够的延性，需要满足：核心混凝土柱斜向抗压承载力大于U形钢筋抗拉承载力，即：Tu,str≥Tu,ubar，同时，需满足贯穿混凝土的纵向钢筋较U形钢筋后屈服，即：Tu,lbar≥Tu,ubar

综合上述关系，可得：

即：

(10)

(11)

式(10)～(11)为湿接缝各设计参数之间的关系.

2.2 案例验算

以国内某钢板组合梁桥面板湿接缝进行研究，湿接缝厚度为23 cm，U形钢筋采用C20，纵向直筋采用C16，钢筋材料均为HRB400，混凝土采用C50，各材料参数见表1.

表1 材料参数表

施工图中U形钢筋间距s为0.125 m，通过计算可知：l0≥0.098 m，本桥设计文件中U形钢筋搭接长度为0.47 m，本文认为现有的设计中对湿接缝搭接长度设计过于保守，钢筋搭接长度l0计算满足式(10)～(11).为此在下文将通过有限元仿真验算小尺寸湿接缝是否满足抗弯承载力要求.

3 湿接缝抗弯承载力计算与设计建议

3.1 抗弯承载力计算

选取宽度0.5 m、长度1.5 m、厚度0.23 m的湿接缝模型进行对比计算，模型中U形钢筋为C20、纵向直径为C16，U形钢筋间距为0.125 m，纵向直钢筋间距0.10 m，具体尺寸见图4.

图4 U形钢筋搭接湿接缝计算模型示意图(尺寸单位：mm)

根据拉压杆模型计算认为：l0≥0.098 m，U形钢筋与混凝土有效连接.此时可认为U形钢筋搭接湿接缝与通长直筋布置效果一致.通长直筋桥面板见图5.

图5 直筋湿接缝计算模型示意图(尺寸单位：mm)

为检验小尺寸湿接缝是否具有足够的连接强度，利用有限元软件进行数值仿真，对比U形钢筋搭接模型与通长直筋模型计算结果.

基于材料参数表与模型结构尺寸，建立ANSYS有限元模型.混凝土采用SOLID65单元模拟，钢筋采用LINK8单元模拟.

混凝土单元应力应变关系采用文献[8]中的规定，通过MISO模型进行模拟，本构曲线见图6.钢筋单元本构曲线见图7.

图6 混凝土本构关系曲线

图7 钢筋本构关系曲线

模型单元尺寸为50 mm，对模型采用三分点加载，支点位于模型端部5 cm处，边界条件为简支.钢筋与桥面板采用节点耦合进行连接.

对两个模型进行分级加载，直至混凝土上缘压应力达到抗压强度设计值.计算得知：U形钢筋搭接模型，荷载T=147 kN时，跨中截面弯矩：Mu=147×0.45=66.15 kN·m.模型上缘应力达到限值；通长直筋模型，荷载T=161 kN时，跨中截面弯矩：Mu=161×0.45=72.45 kN·m.两个模型上缘达到设计极限强度时正应力分布云图，见图8.

图8 应力分布云图

由图8可知，搭接长度为10 cm时，U形钢筋搭接湿接缝模型的抗弯承载力低于通长直筋桥面板模型.

对比两模型荷载-位移曲线，见图9.

图9 荷载-位移曲线对比图

由图9可知，相同荷载作用下，U形钢筋搭接湿接缝的位移大于通长直筋模型.因此，单纯按照拉压杆模型设计湿接缝可能会出现挠度过大的问题.

3.2 搭接长度对模型受力影响

通过上文可知10 cm搭接长度偏不安全，因此增加U形钢筋搭接长度，分别为15，20 cm，研究增加搭接长度后模型位移与承载力，荷载-位移曲线见图10.

图10 不同搭接长度荷载-位移曲线对比

通过对比发现，模型跨中位移随着U形钢筋搭接长度增加而降低，逐步与通长直筋模型一致.

搭接长度增加至15和20 cm后，U形钢筋搭接模型抗弯承载力分别为：71.78 kN·m和72.34 kN·m.抗弯承载力随搭接长度增加而增加，变化趋势见图11.

图11 抗弯承载力-钢筋搭接长度关系曲线

由图11可知，本文U形钢筋湿接缝模型的抗弯承载能力随着U形钢筋搭接长度增加而增加，但是增加到一定程度后基本不再增加并且达到与通长直筋模型相同的承载能力.

4 结 论

单纯基于拉压杆模型确定的钢筋搭接长度偏不安全，基于本文模型计算，搭接长度为两倍计算长度(即2l0)位移与承载力与通长直筋湿接缝模型基本相同.

1) 湿接缝抗弯承载力随U形钢筋搭接长度的增加而增加，但是增长率逐渐降低，最后趋于不变与通长直筋湿接缝相同.

2) 本文研究仅是通过理论计算与有限元仿真，对于U形钢筋搭接长度的研究还需进一步通过试验进行验证.