鹿俊杰， 趙 青

(安徽建筑大學 土木工程學院， 安徽 合肥 230601)

鋼混組合梁橋在國外發(fā)展已久，隨著經(jīng)濟水平和橋梁工程領域的發(fā)展在國內(nèi)也得到了越來越多的應用。鋼混組合梁橋是由兩種性質(zhì)差別較大的鋼材和混凝土通過抗剪連接件組成的一個整體，能發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，擁有眾多優(yōu)點。同時，混凝土材料的存在，會導致結(jié)構(gòu)受收縮徐變的影響[1]。收縮和徐變是影響混凝土力學性能和變形的兩個重要影響因素[2-4]。混凝土收縮徐變產(chǎn)生變形，也會導致鋼梁產(chǎn)生內(nèi)力重分布和附加變形，研究鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變是一個很重要的問題。鋼混組合梁橋剪力鍵抗剪剛度是影響梁橋收縮徐變的重要因素之一[5-7]。通過有限元軟件Midas/Civil建立相應模型，探索剪力鍵抗剪剛度對撓度和應力的影響規(guī)律，為橋梁工程的設計與施工提供有益參考。

1 有限元模型

1.1 模型假設

(1)鋼混組合梁橋不考慮相對滑移；

(2)模型不考慮組合梁橋坡度的影響以及溫度應變的影響。

1.2 工程實例

某鋼混組合梁橋的上部結(jié)構(gòu)為三跨連續(xù)組合梁橋(35 m + 45 m + 35m)，總長度115 m，從上往下依次為0.3 m厚混凝土橋面板、4.5 m高鋼梁和4.8 m高鋼混組合梁橋斷面?；炷翗蛎姘宀捎肅50混凝土，上下分別鋪設36根直徑為25 mm的縱向鋼筋。槽型鋼梁材料采用Q345。橋梁跨度方向上均布φ20剪力釘。

1.3 有限元模型

用有限元軟件Midas/Civil建立模型，該模型一共有個123節(jié)點，122個單元。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.4 施工步驟

將模型分為7個施工階段：第一階段為鋼梁架設，持續(xù)時間為3 d；第二階段為鋼梁拼接，持續(xù)時間為2 d；第三階段為正彎矩部位混凝土的澆筑，澆筑時長為7 d；第四階段為負彎矩部位混凝土澆筑，澆筑時長為7 d；第五階段為去除臨時支座，用時為2 d；第六階段為混凝土橋面板上的防護層鋪裝，用時為15 d；第七階段為混凝土收縮徐變，考慮研究目的假設用時為10 a。

1.5 收縮徐變本構(gòu)模型

以粘彈性本構(gòu)理論[8]為基礎，水泥體是彈性水泥凝膠骨架。為了簡化計算，忽略溫度應變的影響，混凝土在應力、收縮下的應變公式為：

ε(t)=J(t,t0)σ+εcs(t)

(1)

(2)

其中：J(t,t0)是柔度函數(shù),εcs(t)是收縮應變，φ(t,t0)是徐變系數(shù)。由式(1)和式(2)可知混凝土的應變?yōu)椋?/p>

(3)

1.6 混凝土收縮模型

收縮是混凝土自身的特點，由材料內(nèi)部水分變化引起?？紤]混凝土的材料特性，混凝土的收縮應變?yōu)椋?/p>

εcs(t,ts)=εcs0βs(t-ts)

(4)

εcs0=[1.6×10-4+10-5βsc(9-fcm/fcm0)]βRH

(5)

(6)

βRH=-1.55[1-(RH/RH0)3]

(7)

式(4)中，βs(t-ts)是收縮發(fā)展系數(shù)。式(5)中，βRH為環(huán)境年平均濕度系數(shù)。由式(4)～式(7)可知收縮應變?yōu)椋?/p>

(8)

1.7 混凝土徐變模型

建立混凝土徐變模型的目的是為了準確衡量混凝土徐變，在所有的影響因素中徐變系數(shù)最為關鍵?；炷列熳兿禂?shù)為：

φ(t,t0)=φ0βc(t-t0)

(9)

(10)

(11)

(12)

式(9)中，φ0是名義徐變系數(shù)，βc(t-to)為徐變隨t變化系數(shù)。由式(9)～式(12)可知混凝土徐變系數(shù)為：

(13)

2 有限元模型的結(jié)果分析

2.1 剪力鍵抗剪剛度對撓度的影響

剪力鍵是鋼梁和混凝土橋面板聯(lián)系的關鍵，是構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)的重要組成環(huán)節(jié)。剪力鍵在整體結(jié)構(gòu)當中承擔剪力，阻礙由剪力引起的變形，同時還能起到抗傾覆和相對滑移的作用。栓釘在剪力鍵中的應用最為常見，工程實例中采用均布φ20剪力釘。工程中剪力鍵剛度有限，取值不是無限大。有限元模型假設時不考慮鋼混組合梁橋相對滑移，但是在實際情況中，鋼梁和混凝土橋面板聯(lián)系截面處會產(chǎn)生相對滑移，相對滑移量的大小受到剪力鍵抗剪剛度的影響。

為分析剪力鍵抗剪剛度對梁橋撓度的影響情況，取第一跨跨中、第二跨跨中截面為關鍵截面。剪力鍵抗剪剛度K分別取值為50 kN·mm-1、100 kN·mm-1、500 kN·mm-1。為了更好地研究混凝土收縮徐變，統(tǒng)計10 a的變化情況。第一跨跨中撓度變化和第二跨跨中撓度變化如圖2和圖3所示。

圖2 第一跨跨中撓度變化圖

圖3 第二跨跨中撓度變化圖

由圖2和圖3可知，剪力鍵抗剪剛度對橋梁撓度影響較大，撓度隨時間呈非線性變化，初期變化較快，后期變化較慢。第二跨跨中截面比第一跨跨中截面撓度大，更容易發(fā)生破壞。隨著剪力鍵抗剪剛度K增大，第一跨跨中、第二跨跨中截面撓度皆有明顯增加。

2.2 剪力鍵抗剪剛度對應力的影響

為分析剪力鍵抗剪剛度對梁橋應力的影響情況，使混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，以鋼混組合梁橋建成10 a為時間節(jié)點進行分析，對比成橋時的應力情況。取第一跨跨中、第二跨跨中截面為關鍵截面，截面位置處的應力值如表1～表4所示。

表1 混凝土橋面板上邊緣應力表

表2 混凝土橋面板下邊緣應力表

表3 鋼梁上邊緣應力表

表4 鋼梁下邊緣應力表

由表1～表4可得，剪力鍵抗剪剛度對橋梁應力影響較大，在建橋10 a混凝土收縮徐變充分發(fā)展后，應力變化更加明顯。而且第二跨跨中截面應力值比第一跨跨中應力大，更容易發(fā)生破壞。

由表1～表2可得，對混凝土橋面板而言，混凝土橋面板上邊緣比下邊緣應力大，剛好符合混凝土橋面板受壓的特點。建橋10 a后混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，第二跨跨中截面混凝土橋面板應力隨剪力鍵剛度的增加先增大后減小。

由表3～表4可得，對鋼梁而言，鋼梁下邊緣應力比上邊緣大，剛好符合鋼梁受彎的特點。建橋10 a后混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，第二跨跨中截面鋼梁應力隨剪力鍵剛度的增加而減小。

3 結(jié) 語

(1)鋼混組合梁橋撓度隨時間非線性增加，初期變化較快，后期變化較慢。在一定范圍內(nèi)，隨著剪力鍵抗剪剛度增大，第一跨跨中、第二跨跨中截面撓度皆有明顯增加。

(2)鋼混組合梁橋應力分兩個部分進行分析，對混凝土橋面板而言，混凝土橋面板上邊緣應力比下邊緣大。建橋10 a后混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，在一定范圍內(nèi)，第二跨跨中截面混凝土橋面板應力隨剪力鍵剛度的增加先增大后減小；對鋼梁而言，鋼梁下邊緣應力比上邊緣大，建橋10 a后混凝土收縮徐變得到充分發(fā)展，在一定范圍內(nèi)，第二跨跨中截面混凝土橋面板應力隨剪力鍵剛度的增加先增大后減小。

(3)剪力鍵抗剪剛度對鋼混組合梁橋收縮徐變的影響很大，體現(xiàn)在對梁橋撓度和應力的影響上，尤其在梁橋跨中截面處，在設計和施工過程中應得到充分重視。