近年来, 波形钢腹板组合结构桥梁以其自重轻、预应力效率高、耐久性好、造型美观等特点在我国得到广泛应用^[1,2,3,4]。由于波形钢腹板代替混凝土腹板时, 波形钢腹板组合箱梁受力性能与常规箱梁存在差异^[5,6], 国内外学者已对波形钢腹板组合箱梁的力学性能进行了大量的试验和理论研究。在已有研究的基础上, 该类桥梁在国内外应用广泛。为实现桥梁施工速度快、质量易控制、环保性好、成本低的现代化建设要求, 节段预制拼装施工工艺的诞生无疑是桥梁“工厂化、大型化、机械化、标准化”施工的重要里程碑。采用预制拼装工艺的波形钢腹板组合箱梁, 目前仅有日本于2000年建成的锅田高架桥^[7]。尽管国内外针对波形钢腹板梁桥及预制拼装混凝土梁桥的抗弯、抗剪、抗扭等力学性能展开了多方面研究, 但对节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁的研究较少。考虑波形钢腹板的受力特点, 接缝的存在对其抗弯性能的影响还需进一步验证。本文通过模型试验和有限元分析方法, 研究节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁的抗弯性能。

试验模型以我国公路桥梁三车道常用的单箱单室等截面波形钢腹板预应力混凝土梁桥为原型进行1∶10的缩尺比例设计。试验设计了2种5m长的波形钢腹板组合简支梁试验模型:无节段的整体式组合箱梁 (以下简称为“整体梁”, 记为Z-01) 和节段预制拼装组合箱梁 (以下简称为“节段梁”, 记为J-01) 。其中, 整体梁在波形钢腹板安装后, 顶底板混凝土一次浇筑成型;节段梁共有7个预制节段, 采用长线匹配法预制成型。

试验梁纵向采用两点对称加载, 加载间距为1.2m, 横向通过分配梁调整, 其立面布置及纵向加载如图1a所示, 标准断面及横向加载如图1b所示。试验梁采用体内体外混合配束的布置形式, 体内预应力在顶底板呈直线布置, 体外预应力经中间2道转向块, 在立面呈双折线布置, 所有预应力均锚固于端横梁上。预应力筋采用单根ϕ^s15.2mm钢绞线, 标准抗拉强度为1 860MPa, 弹性模量为1.95×10⁵MPa, 所有预应力均采用单端张拉。试验梁波形钢腹板采用Q235钢, 钢板厚2.5mm, 弯折角度37°, 波形钢腹板几何尺寸如图1c所示。顶底板采用C50混凝土。波形钢腹板与混凝土顶底板采用埋入式连接构造形式, 波形钢腹板之间采用焊缝连接形式。

Z-01试验梁加载至140kN时, 底板出现裂纹, 加载至255kN时, 跨中底板混凝土崩落, 破坏形式如图2a所示。整个加载过程中呈现典型的弯曲裂缝, 裂缝主要分布在纯弯段, 细而密;与混凝土梁不同, 波形钢腹板组合梁底板在加载后期出现由交界处开始发展的自上而下竖向裂缝, 导致最终破坏形式为底板混凝土局部崩落, 裂缝形态如图3a所示。

J-01试验梁在加载至100kN时, 底板出现竖向裂缝;加载至187kN时, 底板靠近接缝处混凝土局部崩裂, 破坏形式如图2b所示。整个加载过程中裂缝数量较少, 集中出现于加载点到接缝间;裂缝最初自下而上发展, 后向两端发展, 上方沿钢混交界线快速向跨中方向发展, 下方与混凝土接缝贯通, 出现底板局部崩裂的最终破坏形式, 裂缝形态如图3b所示。

采用大型有限元软件ANSYS对试验模型进行计算分析, 其中混凝土采用solid65实体单元, 波形钢腹板采用shell63壳单元, 预应力钢筋采用link8三维杆单元^[8]。波形钢腹板与混凝土顶底板采用共节点刚接处理。接缝处的内力传递采用面-面接触单元, 接缝的一个表面被当作目标面, 采用targe170单元模拟, 接缝的另一个表面被当作接触面, 采用conta174单元模拟^[8]。参阅文献[9,10,11,12]并通过与试验结果对比不断试算, 修正接触面间的摩擦系数为0.8, 法向接触刚度因子1.0, 剪切刚度因子0.1, 最大渗透范围0.1, 目标单元和接触单元设置相同的实常数号。混凝土采用混凝土塑性损伤模型, 钢筋采用二折线模型。根据对称性原理, 取1/2整体模型进行模拟。模型共5 941个结点, 3 441个单元。其中solid65实体单元2 266个, shell63壳单元976个, link8杆单元43个, 此外节段梁模型 (J-01) 还包含78个targe170单元和78个conta174单元。左侧底板约束x, y, z 3个方向平动自由度及右侧底板约束z方向平动自由度模拟试验梁边界条件。有限元模型按试验梁的实际尺寸建立, 并采用与试验相同的加载方式。试验梁有限元模型如图4所示。

2片试验梁跨中截面的荷载-挠度曲线如图5所示。由图5可以看出, 整体梁的受力和变形大致分为3个阶段:无裂缝阶段、开裂阶段和塑性阶段。无裂缝阶段, 整体梁Z-01荷载与挠度基本呈线性关系;开裂阶段, 由于混凝土开裂, 整体梁Z-01的抗弯刚度明显下降, 开裂荷载为140kN, 对应跨中挠度为3.7mm;塑性阶段, 随着荷载的增加, 整体梁Z-01底板普通钢筋被拉断, 结构抗弯刚度大幅度减小, 跨中挠度增加幅度提高, 直至荷载加至255kN时, 底板混凝土崩落。

节段梁J-01受力和变形趋势与整体梁Z-01基本一致。在无裂缝阶段, 节段梁各截面呈现良好的完整性, 其初始刚度保持不变;开裂阶段, 由于底板普通钢筋在接缝处断开, 当荷载加载至116kN时, 裂缝开始出现在跨中附近接缝处, 此时对应的跨中挠度为3.8mm;塑性阶段, 节段梁J-01的混凝土底板接缝从跨中至支点依次张开, 荷载挠度曲线斜率明显降低, 说明其抗弯刚度下降相对较快, 脆性破坏程度高, 当荷载加载至187kN时, 底板混凝土崩落。

同时, 由图5可以看出, 有限元模型可以较准确地反映试验梁的力学性能。有限元分析结果和试验结果都显示, 在初始阶段, 两者直线段斜率即初始刚度相差不大, 随着荷载的增加, 节段梁跨中挠度增加较快;相对于整体梁, 节段梁抗弯刚度较小;节段梁开裂荷载小于整体梁。当底板开裂后, 整体梁刚度有所降低, 而节段梁在接缝处顶底板普通钢筋断开, 其刚度降低更迅速, 极限承载力仅为整体梁的79%。

分析可知, 节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁的抗弯承载力主要由顶底板混凝土承担, 本文将试验和有限元分析得到的混凝土顶底板应变随荷载的变化规律进行对比, 如图6所示。由图6可知, 在各级荷载作用下, 跨中截面混凝土顶板和底板纵向正应变分布呈现规律性变化。底板混凝土开裂前, 整体梁Z-01和节段梁J-01顶底板混凝土纵向应变相差不大, 应变增加平缓;随着荷载增加, 底板混凝土开裂, 节段梁与整体梁混凝土压应变迅速增大;对于节段梁, 随着接缝张开, 加载至极限状态时, 波形钢腹板逐渐被拉平, 其抗弯贡献逐渐增加, 应予以重视。

整体梁Z-01和节段梁J-01体内束 (B1, T1) 、体外束 (TW1, TW2) 的预应力增量随荷载的变化曲线如图7所示。由图7可知, 在弹性阶段, 体内、体外束应力增量无明显变化;当加载至120kN时, 顶板束承担少量压应变, 因此顶板束应力增量变化平缓;加载至屈服阶段预应力增量迅速增大, 这是因为底板混凝土开裂后, 底板拉应力主要由预应力束提供。由于体外束对称布置, 所以两侧体外束预应力增量无明显差异。在极限阶段, 底板束预应力增量大于体外束, 整体梁底板束预应力增量达200MPa, 体外束预应力增量达100MPa;而节段梁底板预应力增量225MPa, 相比整体梁增加12.5%, 体外束预应力增量近170MPa, 相比整体梁增加70%。

从图8可以看出, 体外束试验值和FEM值吻合较好。随着荷载的增大, 节段梁底板束和体外束预应力增量远大于整体梁, 这是由于在底板开裂后, 节段梁底板普通钢筋被拉断, 拉应力全部由预应力束承担, 而整体梁中普通钢筋可提供部分拉应力, 因而对此类桥梁设计时, 可增加体外束的比例。

在理论计算方面, 关于波形钢腹板PC箱梁的正截面承载力计算^[9,10,11], 有以下基本假定:①钢腹板与上、下混凝土翼缘板共同工作, 不发生相对滑移或剪切连接破坏;②符合平截面假定;③混凝土顶、底板承受弯矩和轴力, 波形钢腹板承受剪力;④不考虑混凝土的抗拉强度;⑤忽略体外预应力钢筋的有效高度变化;⑥体外预应力钢筋的极限应力按照σ_pu=σ_pe+100, 此时, 极限应力设计值σ_pu尚应符合σ_pu≤f_py。本文根据JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的规定对试验梁进行正截面抗弯承载力计算, 并将计算结果、试验结果与有限元分析结果如表1所示。

从表1可以看出, 节段梁极限承载力明显低于整体梁, 节段梁极限承载力比值为整体梁的80%左右。对于整体梁, 按照现有规范计算, 其承载力相对保守;而对于节段梁, 按照现有规范计算, 其承载力有所折减。

现有计算公式针对波形钢腹板组合箱梁的抗弯承载力计算尚未考虑腹板的贡献。通过试验可知, 在弹性阶段, 无论是节段梁还是整体梁, 其腹板均不参与抗弯, 随着荷载增加, 波形钢腹板PC箱梁底板逐渐开裂, 底板钢筋屈服, 其波形钢腹板也在不同程度上参与抗弯。本文将试验梁极限阶段波形钢腹板参与抗弯的结果如表2所示。由表2可知, 极限阶段, 整体梁波形钢腹板承担总弯矩的18.4%, 而节段梁波形钢腹板参与抗弯程度更高, 近为总弯矩的20%。因此, 在对节段梁抗弯承载力计算时, 可考虑波形钢腹板20%的抗弯贡献。

本文通过对波形钢腹板组合箱梁的整体梁和节段梁进行试验和有限元计算分析, 得到以下结论。

1) 接缝的存在对组合梁的抗弯承载力有一定影响。在弹性阶段, 节段梁与整体梁抗弯刚度并无明显差别;开裂阶段, 节段梁抗弯刚度下降迅速, 其脆性破坏程度高;而整体梁呈现较好的抗弯性能。由于接缝的存在, 节段梁承载力相对整体梁有一定折减, 折减系数为0.8～0.9。

2) 极限状态下, 随着接缝的张开, 节段梁波形钢腹板褶皱逐渐被拉平, 波形钢腹板抗弯贡献明显增加, 故节段梁进行抗弯承载力计算时, 应考虑波形钢腹板参与抗弯。

3) 节段梁和整体梁在底板开裂后, 顶底板混凝土正应变迅速增加, 节段梁相对整体梁增幅更大。

4) 节段梁底板预应力增量较整体梁增加12.5%, 体外预应力增量较整体梁增加70%。因此, 在对节段梁进行设计时, 可适当增加体外束的比例。底板开裂前, 节段梁与整体梁相比, 其体内、体外束预应力增量无明显差别;开裂后, 节段梁底板束和体外束预应力增量远大于整体梁。