波形钢组合桥面板受力性能分析

庞学冬,张德强,于长兴,刘传奇,孔凡磊

(1.山东高速股份有限公司,山东 济南 250000;2.临沂市市政工程建设管理服务中心,山东 临沂 276007;3.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064;4.青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 266033)

压型钢-混凝土组合楼板在工业与民用建筑中应用广泛,与传统的混凝土结构相比,压型钢板在施工时可以作为浇筑混凝土的永久模板,施工完成后免去拆除的工序,同时压型钢板在结构中也可以作为受拉钢筋,提高结构的抗弯剪能力。压型钢-混凝土组合楼板从20世纪20年代开始就已经在建筑楼板体系中应用,目前仍有很多学者对此进行了相关的研究[1-2]。

目前,应用在建筑上的压型钢-混凝土组合楼板的钢与混凝土的组合作用相对较弱,如果能保证压型钢板与混凝土结构相结合,两者组成一个整体,共同参与受力,会使承载能力大大提高。通过借鉴建筑中压型钢-混凝土组合楼板,在桥梁中提出波形钢组合桥面板这种新型的结构形式[3-5]。

剪力连接件用来承担钢与混凝土结构之间的剪力作用,包括横向剪力和纵向剪力,将两种结构结合成一个整体共同受力[6]。同时,剪力连接件还有抗掀起的作用。目前国内外常用的剪力连接件主要有焊钉连接件和开孔板PBL连接件,PBL连接件与焊钉连接件相比,具有承载力高、抗疲劳性能好等优点,应用更为广泛[7-10]。

目前,国内外已有学者对波形钢组合桥面板展开研究,但相对较少[11-14],为研究波形钢组合桥面板的受力性能,采用PBL剪力连接件作为抗剪构件,首先设计了3组试件,对PBL剪力连接件进行了推出试验,根据试验结果分析PBL连接件在波形钢板中的破坏机理和极限荷载值。然后采用有限元软件ANSYS建立有限元模型,对5 m跨径的波形钢组合桥面板进行了受力分析计算,分析了波形钢组合桥面板在荷载作用下的跨中挠度变化、波形钢板的应力曲线及分布、波形钢板与混凝土之间的相对滑移、剪力连接件的应力曲线及分布,从而为波形钢组合桥面板的设计和应用提供参考。

1 PBL连接件推出试验

1.1 试件设计

本文设计了3组9个试件进行推出试验,试件中PBL剪力连接件主要参数如表1所示。PBL剪力连接件的尺寸为513 mm×140 mm,厚度为14 mm,贯穿钢筋采用直径为16 mm,圆形开孔间距为2.25d(113 mm),d为圆形开孔的直径,圆孔距离连接件端部距离为87 mm,见图1。推出试件的构造尺寸如图2所示。试件中波形钢底板厚度为6 mm,试件混凝土表面设置间距为100 mm的钢筋网,钢筋直径均为12 mm。试件混凝土强度等级均为C50。

图1 剪力连接件尺寸(单位:mm)Fig.1 Dimensions of shear connectors (unit: mm)

图2 试件构造尺寸(单位:mm)Fig.2 Structural dimensions of specimens

表1 PBL剪力连接件试件参数Tab.1 Parameters of PBL connector specimens

试件制作过程如图3所示。根据《欧洲规范4:钢与混凝土组合结构设计》规定,试件在制作的过程中,先单个波形钢板水平放置浇筑混凝土,待混凝土养护完毕后,在竖向通过16 mm钢板焊接在一起。同时为了剪力连接件端部混凝土的承压作用,在PBL剪力连接件下端黏贴长度为5 cm的泡沫板。除试件P-B-R-3外,其余试件均在钢板与混凝土接触面上涂抹黄油,来消除钢板与混凝土之间的粘结作用。

图3 试件制作图Fig.3 Diagram of specimen fabrication

试件浇筑的混凝土原材料有水泥、砂、碎石、外加剂和水。碎石分为直径5～10 mm和10～25 mm两种。每立方米混凝土材料用量分别为:水泥484 kg,砂706 kg,碎石1 105 kg,水155 kg,外加剂5.81 kg。质量配合比水泥:砂:碎石:水:减水剂为1∶1.46∶2.28∶0.32∶0.012。混凝土搅拌后现场测得坍落度约为220 mm。浇筑时制作150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体试块,经养护28 d后,测得各试块均值大于50 MPa。

1.2 加载装置

本次试验加载装置采用500 t微机控制的电液伺服压力机,试件加载布置如图4所示。正式加载前,首先进行3次预加载,目的是消除非弹性变形,同时也可以检查设备的正常运行情况。试验正式加载采用位移加载的方式,加载速率为0.2 mm/min。试件的两侧各放置两个位移传感器测量波形钢板与混凝土之间的相对滑移。通过在压力机的承台上铺一层细砂达到调平的效果。数据采集采用DH3820高速静态应变测试分析系统。

图4 试件加载装置图Fig.4 Diagram of loading setup of specimens

2 试验结果分析

2.1 PBL连接件传力破坏机理

对3组试件进行推出试验,试件的破坏形态如图5所示。根据参考文献[15],试件从加载到破坏大致经历了3个阶段,即弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。

图5 混凝土破坏形态Fig.5 Failure mode of concrete

根据试验现象,弹性阶段,试件无明显现象,此时可以通过位移传感器观察到混凝土与波形钢板之间有少量滑移。试件进入塑性阶段后,滑移量开始增大,此时在试件的底部首先出现裂缝,随着荷载的增加,裂缝逐渐扩大,并向上延伸。塑性阶段初期,荷载由混凝土榫抵抗逐渐转变为混凝土榫和贯穿钢筋共同抵抗。破坏阶段,试件裂缝迅速发展,试件底部出现多条裂缝,混凝土有不同程度的剥落。内部贯穿钢筋出现变形,混凝土榫完全失去作用。

PBL剪力连接件破坏可分为开孔钢板变形破坏和混凝土剪切破坏。开孔钢板变形破坏主要在钢板过薄时发生,当开孔钢板较厚时,试件表现为PBL剪力连接件圆形开孔双面剪切破坏。本试验中,开孔钢板厚度为14 mm,试件破坏时为混凝土剪切破坏,且为延性破坏。

2.2 极限荷载值与滑移量

试件的极限荷载值和相应的滑移量如表2所示。表中各值均为各试件的平均值。根据参考文献[12],贯穿钢筋对剪力连接件的抗剪承载力有着重要的作用。由表2可知,试件P-NB-R的极限荷载值平均值比试件P-NB-NR高了716.5 kN,约73.8%,两者的区别在于有无贯穿钢筋。原因是贯穿钢筋、混凝土和圆形开孔会共同作用,使得圆形开孔内的混凝土处于三轴受压的状态,提高混凝土抗压强度。需要注意的是,贯穿钢筋会减少粗骨料进入圆形开孔内部,所以设计时应考虑圆孔大小与贯穿钢筋直径之间的协调。

表2 推出试验结果Tab.2 Results of push-out tests

试件P-B-R的极限荷载值平均值比试件P-NB-R高了102.9 kN,两者的区别在于波形钢板和混凝土之间是否有粘结摩擦作用,所以,粘结摩擦力也可以提高PBL剪力连接件的极限荷载值。目前,剪力连接件的计算中并未考虑两者之间的粘结摩擦力,各学者的研究中也把粘结摩擦力作为安全储备去考虑。

对于极限滑移量,有贯穿钢筋的试件P-NB-R比无贯穿钢筋的试件P-NB-NR平均值高了2.84 mm,滑移量越多说明试件的延性越好,所以贯穿钢筋可以提高试件的延性。试件P-B-R比试件P-NB-R的极限滑移量提高了0.58 mm,说明粘接摩擦作用也可以提高延性,但是效果不明显。

3 有限元模型的建立

为分析波形钢组合桥面板受力性能,利用有限元软件ANSYS对5 m跨径的组合桥面板进行非线性分析。有限元模型如图6所示。

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图6 结构有限元模型示意图Fig.6 Schematic diagram of structural finite element model

3.1 单元类型

混凝土结构采用三维8节点Solid185单元来模拟,其可采用增强应变方法来防止“剪切锁定”和“体积锁定”。波形钢板采用Shell181单元,其积分方法选择其默认的有沙漏控制的缩减积分。混凝土表面构造钢筋采用三维2节点的Beam188单元,其优点是可以任意地布置钢筋并可以直观地获得钢筋的内力。

3.2 本构关系

混凝土材料采用多线性等向强化模型混凝土单轴应力应变关系上升段采用《GB 50010—2002》中相关规定,混凝土应力-应变曲线如图7(a)所示。

图7 材料本构关系Fig.7 Constitutive relations of materials

混凝土应力-应变曲线可以由公式(1)确定:

(1)

式中:σc为混凝土单压应力值εc时应变曲线段参数值;fc为混凝土单轴抗拉强度代表值;n为系数,n=2-1/60(fcu,k-50),当计算值大于2.0时,取为2.0。

有限元模型中波形钢板、剪力连接件、贯穿钢筋均采用双线性等向强化模型模拟,并采用Mises屈服准则。钢材应力-应变曲线如图7(b)所示。

钢材的应力-应变曲线由式(2)确定:

(2)

式中:Es为钢材的弹性模量;fst,r为钢材的极限强度代表值;fy,r为钢材的屈服强度代表值;k为钢材硬化段斜率。

3.3 边界条件

3.4 网格划分

有限元模型中网格的划分方式对计算结果收敛有较大影响,尤其是对于混凝土结构。单元划分过小会造成计算量过大,而单元划分过大又会造成计算不准确。本模型中,PBL剪力连接件与混凝土的接触问题尤为关键,划分单元时采用相同的大小及方法。划分时选择多区域扫描(Multizon)方法。

4 受力性能分析

4.1 荷载-挠度分析

波形钢组合桥面板跨中荷载-挠度曲线如图8所示。根据有限元模型计算,5 m跨径的组合桥面板极限承载力为630 kN。根据参考文献[16],波形钢组合桥面板在荷载作用下经历4个阶段:(1)线弹性阶段,在本阶段内,荷载和挠度为线性关系,斜率为组合桥面板的刚度,此时刚度保持不变;(2)裂缝发展阶段,随着荷载的增加,在组合桥面板的侧面会观察到细小的裂缝,并且裂缝逐渐扩大;(3)屈服阶段,裂缝的宽度和长度迅速增加,但数量基本保持不变,此时组合桥面板顶部混凝土会被压碎;(4)破坏阶段,荷载基本保持不变,但挠度迅速增加,波形钢板和混凝土达到屈服状态,破坏前PBL剪力连接件可以有效地将两种结构组合在一起,共同受力。

4.2 波形钢板荷载-应力分析

波形钢板在荷载下的应力曲线如图9所示。由曲线可知,曲线前期可分为直线段和曲线段,当荷载达到440 kN时,随着荷载的增加,应力增加缓慢,此时波形钢板进入屈服强化阶段。当荷载达到610 kN时,应力迅速增加,而荷载增加缓慢,此时,组合桥面板进入破坏阶段。

图9 波形钢板荷载-应力曲线Fig.9 Load-stress curve of corrugated steel plate

波形钢板在荷载作用下的应力云图如图10所示。由图10可知,波形钢板的屈服位置发生在跨中波谷处,而跨中波峰处的屈服面积较小。波形钢板的应力由跨中向两端逐渐减小。

4.3 界面滑移分析

波形钢板与混凝土在荷载作用下的相对滑移曲线如图11所示。由图11可知,当达到极限荷载时,波形钢板与混凝土之间的滑移量为0.337 mm,相对滑移量很小,这也表明PBL剪力连接件可以有效地将波形钢板和混凝土组合在一起。达到极限荷载后,两者之间的滑移迅速增加,此后,连接件逐渐失去作用。

图11 波形钢板-混凝土相对滑移曲线Fig.11 Relative slip curve between corrugated steel plate and concrete

波形钢板与混凝土在荷载作用下的滑移量分布云图如图12所示。由云图可知,滑移量主要分布在跨中段,组合桥面板两端也有少量滑移。由此设计时应考虑加强跨中段的组合作用。

图12 波形钢板-混凝土相对滑移量分布云图Fig.12 Relative slip distribution cloud map between corrugated steel plate and concrete

4.4 PBL剪力连接件荷载-应力分析

PBL剪力连接件在荷载作用下的应力曲线如图13所示。由图13可知,屈服阶段之前,曲线可分为直线段和曲线段。当组合桥面板达到屈服阶段后,剪力连接件钢板发生屈服强化,即随着荷载的增加,连接件钢板的应力增加不明显。达到极限荷载时,剪力连接件应力不再增加,此时混凝土和波形钢板发生分离,剪力连接件不再发挥作用。

图13 剪力连接件荷载-应力曲线Fig.13 Load-stress curve of shear connectors

PBL剪力连接件在荷载作用下应力云图如图14所示。由图14可知,剪力连接件应力主要分布在跨中段,剪力连接件两端应力很小。跨中段应力主要集中在连接件的底部,即连接件和波形钢板结合处。

图14 剪力连接件荷载-应力云图Fig.14 Load-stress cloud map of shear connectors

5 结论

本文在推出试验的基础上,结合有限元数值模拟,分析了带PBL剪力连接件的波形钢组合桥面板的受力性能,得到以下结论:

1)推出试验结果表明,试件的破坏大致经历了弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段,试件的破坏形态为混凝土剪切破坏,且为延性破坏,破坏时试件出现多条竖向裂缝。

2)贯穿钢筋对剪力连接件的抗剪性能有着重要的作用,承载力可提高约73.8%,粘结摩擦力也可提高其承载力,但一般作为安全储备,计算时不考虑。贯穿钢筋和粘结摩擦力同样也可以提高连接件的极限滑移量。

3)有限元数值模拟结果表明,5 m跨径的波形钢组合桥面板极限承载力为630 kN,桥面板在荷载作用下经历弹性阶段、裂缝发展阶段、屈服阶段、破坏阶段4个阶段。

4)荷载达到440 kN时,组合桥面板进入屈服阶段,波形钢板的屈服位置发生在跨中波谷处;剪力连接件应力主要分布在跨中段,主要集中在连接件的底部。PBL剪力连接件可以有效地将波形钢板和混凝土组合在一起。