构造参数对新型装配式桥面结构抗剪承载力的影响规律

■陈 榕 刘佑伟 胡梦涵 肖泽荣 陈冠华

（1.福建承昌建设工程有限公司，厦门 361008；2.厦门市政集团有限公司，厦门 361008；3.北京建筑大学，北京 102616；4.福州市规划设计研究院集团有限公司，福州 350108）

装配式桥面结构在新桥快速建造与旧桥改造工程等方面具有重大工程应用需求，以其具有质量可控[1]，全寿命费用低[2]，现场安装速度快，减少交通拥堵时间，人力成本低等显著优势逐渐受到学术界和工程界的广泛关注[3]。 装配式桥面结构的接缝是最易出现病害的部位，长期遭受车辆荷载、自然荷载、环境侵蚀等作用，服役期间常出现性能退化问题，很大程度上决定桥面结构的使用寿命[4]。 从结构角度而言，接缝处刚度和构造不连续，在荷载作用下易最先出现开裂渗水等问题； 从材料角度而言，桥梁中大量采用的钢筋和混凝土材料本身存在耐腐蚀性较差的缺陷，加上接缝处开裂较早，更使桥面结构的力学性能、耐久性以及寿命急剧下降。 为了推进交通基础设施的工业化进程，必须提高桥面结构连接部位的力学性能与耐久性。 一些学者提出预埋焊接栓钉湿接缝[5]，将预埋钢板进行焊接，再在预留孔浇筑灌浆料。 该种接缝现场浇筑量小，施工便捷，受施工环境影响较小。 局部预应力筋湿接缝[6]是仅在湿接缝附近范围内施加预应力，不仅节省材料成本，施工便利，而且可以实现后期局部更换受损桥面板。

装配式桥面结构接缝处灌浆料失效和预应力筋锈蚀是制约装配式桥面结构力学性能和耐久性的主要因素[7]。 一些学者提出将高性能材料合理地应用于接缝处为提高装配式桥面结构的力学性能提供潜在解决方案。 如超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete，UHPC）和纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）。 UHPC 是使用硅灰和纤维，不使用粗骨料的一种新型水泥基复合材料。 与普通混凝土相比，UHPC 具有抗压强度高、抗拉强度高、耐久性强和抗疲劳性能优越等优点。 FRP 材料在强酸、强碱等不利环境下仍具有优良的耐久性，且其具有低生产能耗和可预制装配的特点，符合桥梁工程绿色发展的要求。 超高强钢筋能够显著降低构件中钢筋的数量，减少材料成本，为基础设施建设带来极大的经济效益。 如何优化装配式桥面结构接缝处的构造形式以加快施工进程，并提高其力学性能和耐久性，是桥梁工程人员迫切需要解决的关键技术问题，已得到国内外学者的广泛关注。 本文对提出的新型装配式桥面结构连接构造形式的影响参数和规律进行研究，分析不同构造参数对新型装配式桥面结构抗剪承载力的影响，为新型装配式桥面结构的设计与应用提供参考。

1 模型建立

预埋焊接栓钉湿接缝的抗剪性能优越，局部施加预应力湿接缝的抗弯性能突出，将2 种湿接缝构造形式结合，提出一种新型装配式桥面结构连接方式[7]，如图1 所示。 该种装配式桥面结构连接方式能够同时具有较高的抗弯和抗剪性能。 高性能材料（UHPC 和FRP 筋）的使用不仅降低现场浇筑量，还能提高预制拼装桥面板的力学性能和耐久性；弧形FRP 筋的使用能够便于后期局部加固补强受损桥面板。 基于提出的新型装配式桥面结构连接方式，采用ABAQUS 有限元软件，验证其在剪切荷载作用下有效性和合理性。 随后，开展不同构造参数对其抗剪承载力影响规律研究。

图1 新型装配式桥面结构连接方式

1.1 单元选取及材料本构

新型预制拼装桥面板的模型中混凝土采用C3D8R（三维实体线性减缩积分）单元；钢筋与预应力筋均采用Truss（桁架）单元；加载板、支座、栓钉和钢垫板均采用C3D8R（三维实体线性减缩积分）单元。

1.1.1 混凝土本构

ABAQUS 中主要有3 种混凝土本构模型：（1）混凝土弥散开裂模型；（2）混凝土开裂模型；（3）混凝土损伤塑性模型。 本文普通强度混凝土和超高性能混凝土本构均采用混凝土损伤塑性模型（Concrete Damaged Plasticity Model）。普通强度混凝土单调受压和受拉的应力—应变曲线根据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》确定。 普通混凝土损伤塑性模型参数如表1 所示。 UHPC 单调受压的应力—应变曲线根据焦楚杰[8]钢纤维混凝土受压本构确定。UHPC 混凝土损伤塑性模型参数如表2 所示[9]。单调受拉应力—应变曲线按照单调拉伸试验[10]确定。混凝土损伤塑性模型的其他参数按照《ABAQUS 帮助文档》取值。

表1 普通强度混凝土损伤塑性模型参数

表2 UHPC 混凝土损伤塑性模型参数

1.1.2 钢筋、钢材本构

钢筋、钢材本构均根据材性试验结果采用理想弹塑性模型进行建模。

1.1.3 CFRP 筋本构

根据试验结果，CFRP 筋应力—应变关系为弹性，采用理想弹性材料的本构关系进行建模。

1.2 边界条件和接触类型

试件的2 个支座处采用简支边界条件，普通混凝土与普通混凝土、UHPC 和普通混凝土、UHPC 和钢板之间的相互作用均采用表面与表面接触来模拟接触问题。 接触的属性包括切向行为和法向行为。 法向行为采用硬接触；切向行为采用罚摩擦模拟接触面之间的摩擦特性。 根据相关文献[11-12]和工程经验，摩擦系数取0.6。

根据试验结果发现，预埋栓钉失效时周围混凝土开裂，栓钉杆受力并不大，直接将栓钉杆埋入（embeded）的方式嵌入混凝土并不合理。 为了提高模型的收敛性，将栓钉建成实体单元，栓钉与混凝土直接的相互作用仅设置在栓钉头与混凝土接触位置[13-14]，采用表面与表面接触来模拟接触问题。 法向行为采用硬接触；切向行为采用罚摩擦模拟接触面之间的摩擦特性。 根据相关文献[15]和模型收敛性考虑，摩擦系数取0.1。 钢筋和有粘结CFRP 预应力筋均采用埋入（embeded）的方式嵌入混凝土。 预埋栓钉的钢板与焊接钢棒之间采用焊接连接形式，因此采用绑定约束（Tie）进行模拟。

1.3 加载方式

预应力筋荷载：直接在预应力筋的桁架单元上施加预应力。 采用位移控制的加载方式加载到目标位移，在试件顶部放置加载板，在加载板中间位置施加荷载，加载点与加载板耦合，更真实地模拟试验中的加载方式。 ABAQUS 有限元模型如图2 所示。

图2 有限元模型

2 结果与讨论

2.1 力—位移曲线

有限元模拟结果与试验结果[16]对比如图3 所示。可以看出： 有限元模拟结果与试验结果吻合良好，各个试件模拟结果的初始刚度和位移也与试验结果接近。 试件S1、S2、S3 和S4 模拟的极限荷载与试验得到的极限荷载的差距分别为2.4%、1.9%、10%和3.2%，误差平均值为4.4%，标准差为0.038。 因此，本文数值模拟方法可以描述其剪切行为，预测新型桥面板的抗剪承载力。 下面针对新型预制拼装桥面板构件的普通钢筋、混凝土、预埋焊接栓钉和预应力筋的受力情况进行简述。 由于篇幅限制，仅以试件S1 进行分析对比。

图3 有限元结果与试验结果对比

2.2 普通钢筋

新型预制拼装桥面板（S1）在达到极限荷载时普通钢筋应力云图如图4 所示。 在达到极限荷载状态时，靠近接缝位置的钢筋受力最大，所有钢筋均不发生屈服， 和试验得到的普通钢筋应力状态一致。 说明新型预制拼装桥面板在剪切荷载作用下主要靠接缝处构件承担外部荷载。

图4 钢筋Mises 应力云图

2.3 混凝土

新型预制拼装桥面板（S1）侧面接缝处混凝土在达到极限荷载状态下应变云图如图5 所示。可以看出主要是接缝处混凝土破坏严重，从加载点到支座形成受剪斜裂缝。 数值分析结果与试验结果一致。

图5 混凝土应变云图

2.4 预埋焊接栓钉

新型预制拼装桥面板（S1）预埋焊接栓钉的栓钉杆中部应力与剪力的关系如图6 所示，在底部裂缝形成之前（400 kN），栓钉受力小，应力几乎为0；在底部接缝处形成贯通裂缝后栓钉应力随剪力开始增大，直到达到最大荷载时，预埋焊接栓钉也没有发生屈服。 因此，数值分析得到的栓钉应力增大趋势和试验中采集到的剪力—应力曲线吻合良好，较好预测预埋栓钉的受力状态。

图6 剪力—预埋焊接栓钉应力曲线

2.5 预应力筋

新型预制拼装桥面板（S1）CFRP 预应力筋的中部应力与剪力的关系如图7 所示，在底部裂缝形成之前（400 kN），CFRP 预应力筋的受力小，应力几乎为0； 在底部接缝处形成贯通裂缝后CFRP 预应力筋的应力随剪力开始逐渐增大，在试件达到极限荷载时CFRP 预应力筋的应力达到大约1750 MPa，仅达到CFRP 预应力筋极限应力的70%。 由CFRP 预应力筋的应力云图可以看出CFRP 预应力筋并不是全长均匀受力， 而是预应力筋中部受力最大，向两侧逐渐减少。 数值分析得到的CFRP 预应力筋中部应力增大趋势和试验中采集到的剪力—应力曲线吻合良好，较好预测CFRP 预应力筋的受力状态。

图7 剪力—预应力筋应力曲线

3 参数分析

通过数值模拟得到的结果与试验结果对比验证新型预制拼装桥面板建模的正确性和有效性。 为了分析不同UHPC 强度、初始预应力张拉值、混凝土强度与锚固区间距对新型预制拼装桥面板抗剪承载力的影响， 以试件S1 为例采用数值模拟的方法对其进行参数分析，即在保持其他构造和建模方法不变的情况下，仅改变UHPC 强度、初始预应力张拉值、混凝土强度与锚固区间距分别研究这些参数对抗剪性能的影响。

3.1 UHPC 强度

改变UHPC 灌浆料强度， 其他设计参数不变，分 别 采 用UHPC 强 度 为122.7 MPa、140 MPa 和160 MPa， 分析UHPC 强度对新型预制拼装桥面板抗剪承载力的影响。 从图8 可看出：改变UHPC 强度得到的预制拼装桥面板抗剪承载力变化不大，因此后浇段UHPC 强度对抗剪承载力影响不明显。

图8 不同UHPC 强度对抗剪性能的影响

3.2 张拉控制应力

通过改变预应力筋张拉的初始应力实现张拉值的改变，而预应力筋的数量和位置不变，其他参数不变。 分别采用张拉控制应力值为600 MPa、850 MPa、1000 MPa 和1200 MPa， 分析张拉控制应力值对新型预制拼装桥面板抗剪承载力的影响。从图9 可看出：张拉控制应力值对新型预制拼装桥面板的初始刚度影响不大，而对于底部接缝处形成贯通裂缝对应的荷载影响明显，继而对极限抗剪承载力影响明显。 此外，随着张拉控制应力值的增大，新型预制拼装桥面板抗剪承载力基本呈现线性增长趋势。 因此，在安全储备范围内，提高张拉控制应力值可提高新型预制拼装桥面板的抗剪承载力。

图9 张拉控制应力值对抗剪性能的影响

3.3 混凝土强度

改变混凝土强度，其他设计参数不变，分别采用混凝土强度为30 MPa、40 MPa 和50 MPa， 分析混凝土强度对新型预制拼装桥面板抗剪承载力的影响。 从图10 可看出：随着混凝土强度增大，新型预制拼装桥面板的抗剪承载力逐渐增大，基本呈线性变化，但是混凝土强度的影响并没有初始预应力张拉值影响显著。

图10 混凝土强度对抗剪性能的影响

3.4 混凝土强度锚固区间距

改变预应力筋锚固区间距，其他设计参数不变，分别采用锚固区间距为700 mm、1000 mm、1400 mm、1800 mm 和全长张拉预应力筋，分析锚固区间距对新型预制拼装桥面板抗剪承载力的影响。 锚固区预应力筋与水平方向的夹角θp与锚固区间距Ld的关系可以通过式（1）表示。 因此，锚固区间距为700 mm、1000 mm、1400 mm1800 mm 和全长张拉预应力筋对应的夹角θp分别为13.04°、 9.15°、 6.54°、5.09°和0°。

式中，Ld是弦长，也就是弯曲预应力筋锚固区间距，R 是弯曲预应力筋对应的圆周的半径。

图11 中圆点代表随夹角θp变化得到的预制拼装桥面板抗剪承载力。 通过数值分析结果可以看出：当锚固区间距≥1400 mm（θp≤6.54°），抗剪承载力基本保持不变；当锚固区间距＜1400 mm（θp＞6.54°），抗剪承载力随着锚固区间距的减小而降低。

图11 锚固区间距对抗剪性能的影响

4 结语

本文针对提出的新型装配式桥面结构连接方式，采用数值分析的方法分析不同构造参数对新型装配式桥面结构的影响规律， 得到如下主要结论：（1）采用新型装配式桥面结构连接方式的数值分析方法得到的极限荷载与试验结果的误差平均值为4.4%，标准差为0.038。 因此，提出的数值分析方法可以模拟其在剪切荷载作用下的受力全过程，预测CFRP 预应力筋、预埋焊接栓钉、普通钢筋的受力状态；（2）对于新型装配式桥面结构连接方式，UHPC强度对抗剪承载力的影响不明显；随着混凝土强度增大，抗剪强度呈现增大的趋势。 这是由于预制拼装桥面板最终破坏发生在普通混凝土而非UHPC；（3）随着张拉控制应力值的增大，新型预制拼装桥面板抗剪承载力基本呈线性增长趋势。 因此，在安全储备范围内，提高张拉控制应力值可提高新型预制拼装桥面板的抗剪承载力；（4）当锚固区间距≥1400 mm（θp≤6.54°），抗剪承载力基本保持不变；当锚固区间距＜1400mm（θp＞6.54°），抗剪承载力随着锚固区间距的减小而降低。