混凝土肋式轉向裝置力學性能

楊 明，黃 僑，榮學亮

(1.東南大學 交通學院，210096 南京，bartty－ym@sina.com;2.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，150090 哈爾濱)

混凝土肋式轉向裝置力學性能

楊 明1，2，黃 僑1，2，榮學亮2

(1.東南大學 交通學院，210096 南京，bartty－ym@sina.com;2.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，150090 哈爾濱)

針對波紋鋼腹板體外預應力箱梁結構的力學和構造特點，采用有限元分析與實驗研究相結合的方法，研究用于波紋鋼腹板體外預應力箱梁的混凝土肋式轉向裝置的承載機理、受力特點、破壞形態、極限承載力等力學特性.采用非線性有限元方法對結構從加載開始直至破壞的受力全過程進行了模擬分析，并用實驗對有限元分析的結果進行驗證，二者吻合良好.結果表明:轉向裝置對混凝土翼緣板的局部影響集中在轉向裝置與混凝土翼板連接部分及附近區域內;轉向裝置破壞時，受拉區混凝土受拉開裂、環向鋼筋受拉屈服，而受壓區混凝土受壓劈裂破壞;轉向裝置受壓區混凝土的受力表現出明顯的偏心受壓構件的受力特點.研究結果可供工程設計人員在設計波紋鋼腹板體外預應力箱梁轉向裝置時參考.

波紋鋼腹板;體外預應力箱梁;混凝土肋式轉向裝置;力學性能

作為預應力混凝土箱梁的一種改進形式，波紋鋼腹板體外預應力箱梁采用了具有良好力學性能的波紋鋼板作為結構的腹板，解決了傳統預應力混凝土箱梁結構預應力管道布置繁瑣、施工復雜、管道灌漿質量不易保證、腹板裂縫難于控制、腹板開裂后預應力筋銹蝕嚴重影響橋梁結構的耐久性、混凝土腹板對結構收縮徐變的約束降低了預應力的效率等一系列難以解決的問題［1－2］.與傳統預應力混凝土箱梁相比，這種結構具有重量輕、預應力效率高、施工簡便、耐久性好、造型美觀等優點［3－4］.

在體外預應力結構中，體外預應力筋通過轉向裝置改變方向從而形成預應力折線配筋，體外預應力筋對梁體的作用也通過轉向裝置傳遞.可見，轉向裝置是體外預應力混凝土結構中最關鍵的構造之一.體外預應力的轉向裝置通常有橫隔板式、肋式和塊式3種，見圖1.在3種轉向裝置中，肋式轉向裝置的體積和重量介于橫隔板式和塊式之間，同時承載能力也介于二者之間.肋式轉向裝置通常由鋼管轉向器、環向鋼筋、周邊箍筋以及周圍混凝土構成.承載力主要通過轉向肋柱體受壓承擔，環向鋼筋和受拉區混凝土也可提供一部分的承載力.

圖1 體外預應力混凝土箱梁的轉向裝置形式

本文采用有限元模擬分析與實驗相結合的方法，研究了波紋鋼腹板體外預應力箱梁混凝土肋式轉向裝置的力學性能［2］，旨在為該類橋梁結構設計提供理論依據.

1 混凝土肋式轉向裝置有限元分析

1.1 有限元模型的建立

1.1.1 模型建立的原則和非線性問題的簡化

采用通用有限元軟件ABAQUS對混凝土肋式轉向裝置進行非線性有限元分析，研究內容主要為轉向裝置的力學性能和轉向裝置對箱梁翼緣板的局部影響.轉向裝置從承受轉向力開始直至破壞的過程是一個復雜的力學過程，包含了多種非線性力學模式.為減少計算成本，使模型計算更易于收斂，建模時根據研究的目的對模型進行了適當的簡化，忽略了對結構影響較小的部分非線性問題(如梁段模型中的混凝土材料非線性和波紋鋼板與混凝土翼緣板間的接觸非線性等).有限元分析過程中，分別建立了梁段模型和肋式轉向裝置局部模型.其中梁段模型主要研究轉向裝置對混凝土翼緣板的局部影響，而轉向裝置局部模型則主要研究轉向裝置從開始受力到破壞的全過程的力學行為.

1.1.2 梁段模型

梁段模型主要用以研究轉向裝置對梁段的局部影響.由于在體外預應力筋加載過程中上下鋼筋混凝土翼板基本處于彈性受力階段，因此在模型分析中忽略了混凝土材料的非線性影響.梁段模型中，最主要的組件是帶肋式轉向裝置的梁段，除此之外梁段模型中還包括了提供轉向力的體外預應力筋、轉向裝置中的轉向器、普通鋼筋、環向鋼筋、波紋鋼腹板以及模擬支座的支撐等組件.全部組件采用國際單位制(m、Pa、N)按照實驗中的真實尺寸建模，主要組件和裝配后模型見圖2.

圖2 梁段模型

由于二階單元不適于帶有接觸非線性和材料非線性問題的模擬［5］，梁段模型中實體組件(混凝土梁段、轉向裝置、轉向器和體外預應力筋)選擇了C3D8R這種減縮積分的一階六面體單元.C3D8R單元在彎曲荷載作用時不會發生剪切自鎖，對于彈塑性問題又不會產生體積自鎖，適合于本模型［6－7］.為殼組件(波紋鋼腹板)選擇了減縮積分的4節點殼單元S4R、為線組件(普通鋼筋和環向連接鋼筋)選擇了2節點三維桁架單元T3D2.對于采用C3D8R單元的三維實體組件，通過合理規劃模型，在網格劃分時使用結構化網格劃分技術，劃分出的網格質量良好.在轉向裝置附近的區域將網格適當加密.

1.1.3 轉向裝置局部模型

轉向裝置局部模型中僅包含:與轉向裝置直接相連的小段梁體、轉向裝置和轉向器，見圖3.轉向裝置局部模型中主要考慮的非線性問題是混凝土與鋼筋的材料非線性，單元和材料本構選擇應滿足彈塑性分析要求.根據這一原則，為混凝土與鋼管的三維實體組件選擇了C3D8R單元，為鋼筋選擇了理想彈塑性本構，為混凝土材料選擇了塑性損傷模型的混凝土本構.需要說明的是，塑性損傷模型通過定義反映混凝土受拉開裂及受壓破碎的損傷因子，改變損傷后混凝土的彈性模量，并以此模擬混凝土受力破壞過程中逐漸失去承載力的力學行為.采用塑性損傷模型的構件，通過拉伸塑性應變模擬裂縫的產生和程度.由于在進行彈塑性分析時，較密的網格有利于計算的收斂.因此，在轉向裝置局部模型中，加大了網格密度，使得劃分出的單元尺寸接近混凝土骨料粒徑.

圖3 轉向裝置局部模型

1.2 梁段模型的計算結果和分析

1.2.1 梁段模型的計算結果

圖4為梁段模型計算得到的實驗梁在實驗荷載作用下的等效應力(Mises應力)云圖.在圖中可以看出轉向裝置對結構的局部影響主要集中在梁體與轉向塊連接的部分及附近的一小塊區域.該區域在縱向和橫向的大小約為轉向裝置自身尺寸的2倍.鋼筋混凝土翼板受到轉向裝置局部影響區域的等效應力值在1～5 MPa之間，離開這一范圍應力迅速減小.受環向鋼筋粘結力作用影響，最大應力位于上翼板下緣環向鋼筋與翼板相連處，最大值為5.98 MPa.

圖4 梁段模型Mises應力云圖

1.2.2 接觸非線性對結構的影響

梁段模型模擬了體外預應力筋與轉向器的接觸作用，根據計算結果擬合得到了體外預應力鋼筋與轉向器接觸面間的接觸壓應力分布曲線(式(1))，見圖5.在轉向裝置局部模型中采用該曲線定義體外預應力筋的接觸壓應力荷載分布曲線.分析表明，接觸壓應力是不均勻的.通過計算發現，在梁段模型中是否考慮接觸非線性的影響對翼緣板應力的計算結果影響很小(差別不到1%).但在轉向裝置局部計算時如果忽略了接觸非線性(將體外預應力筋與轉向器間接觸壓力按均勻壓力處理)，對轉向裝置的應力分布以及環向鋼筋應力都會有較大影響.如圖5所示，除轉向器兩端出口處較小以外，接觸壓應力的變化基本呈現隨轉向器偏轉角度的增加而增加的趨勢.

圖5 轉向裝置局部模型的壓應力分布曲線

式中:q(z)為接觸壓應力沿梁長方向的不均勻系數;z為以轉向器與轉向塊一端連接處為零點，沿梁長方向的坐標.

1.3 轉向裝置局部模型的計算結果和分析

轉向裝置局部模型模擬了轉向裝置從加載開始到破壞(540 kN)的全過程.從豎直方向應力云圖(圖6)上可以明顯發現，肋式轉向裝置分為受拉(轉向器以上區域)和受壓(轉向器以下區域)2種受力區域.在張拉力達到極限荷載時的轉向裝置塑性應變云圖上可以發現，轉向器以下的受壓混凝土已經產生了明顯的塑性變形，而受拉區混凝土則全截面形成明顯的受拉區域，裂縫明顯開展并貫通整個轉向裝置，見圖7.

圖6 轉向裝置豎向應力云圖

圖7 轉向裝置塑性應變云圖

2 混凝土肋式轉向裝置的實驗研究

2.1 實驗設計和加載方案

2.1.1 實驗梁段設計

實驗梁段計算長度L=2 m，實驗梁段尺寸及配筋見圖8.頂底板縱向鋼筋采用直徑為φ12的HRB335鋼筋.箍筋及環向鋼筋采用直徑為φ8的R235鋼筋.標準件實驗測定實驗梁段的混凝土強度為35.1 MPa.波紋鋼腹板采用厚度為6 mm的A3鋼板壓制而成.波紋鋼板通過帶圓孔鋼板與混凝土頂、底板連接，圓孔直徑為3 cm.為方便平衡轉向力的豎向分力，實驗中將實驗梁段倒置并在兩端簡支，見圖9.為方便描述，將朝上的鋼筋混凝土翼緣板稱為頂板(上翼板).

圖8 主梁配筋圖(cm)

2.1.2 轉向裝置構造和應變傳感器布置

實驗梁CEC－3采用混凝土肋式轉向裝置，其構造見圖10.轉向器(圓鋼管)通過2排環向鋼筋與翼板縱向鋼筋相連.在環向鋼筋表面設置了鋼筋應變片，在頂板上表面設置了混凝土應變片.應變片布置和編號見圖11.

2.1.3 加載方案

實驗采用4根φJ15.2鋼絞線為實驗梁段提供預應力.鋼絞線的張拉角度為14°.鋼絞線一端用地錨錨固，另一端穿過反力墻，用千斤頂張拉(如圖12).實驗采用分級加載，在反力墻與張拉千斤頂之間設置壓力傳感器控制張拉力，張拉加載時每50 kN為一級.在每級加載到指定張拉力后維持荷載5 min，以保證試件各部分均勻受力，盡量消除突加荷載對實驗的影響.持續加載直至轉向裝置破壞結束.

圖10 混凝土肋式轉向裝置構造

圖11 實驗梁CEC－3頂板表面應變片布置(cm)

圖12 實驗加載示意(cm)

2.2 實驗結果及分析

肋式轉向裝置在張拉力作用下，環向鋼筋及周圍混凝土受拉，轉向器下側混凝土區域受壓，兩部分共同協作.在環向鋼筋荷載應變關系圖中可以看到(圖13)，環向鋼筋應變在400 kN之前基本呈線性規律增長;實驗荷載達到400 kN后逐漸呈現非線性受力特點，由于下部的混凝土部分發生開裂，對于轉向器的約束降低，環向鋼筋承受荷載增加，較大的拉拔力使得環向鋼筋應變迅速增加;達到540 kN左右時，轉向器下混凝土劈裂，環向鋼筋屈服，轉向裝置破壞.肋式轉向裝置破壞后，轉向裝置表面可見明顯的劈裂縫，部分混凝土也已脫落(圖14).在整個實驗過程中，混凝土翼板的應變較小，保持在彈性受力狀態(圖15).

圖13 混凝土肋式轉向裝置環向鋼筋應變

圖14 轉向裝置破壞后照片

圖15 跨中混凝土頂板上緣應變

3 有限元分析與實驗研究的對比

將實驗中采集到的環向鋼筋應變記錄轉化為應力與對應的轉向裝置局部模型分析結果進行對比(圖16).有限元分析與實驗結果都顯示，在實驗荷載小于400 kN時，轉向力主要由轉向肋承受，環向鋼筋應力相對較小.而當實驗荷載超過400 kN后，受壓混凝土的應力達到其抗壓強度極限值.受壓較大的環向鋼筋在這一階段應力迅速增加并進入屈服階段.在肋式轉向裝置達到極限荷載時，轉向裝置由于受壓混凝土劈裂而失去承載力.

圖16 實測環向鋼筋應力與FEA結果比較

4 結論

1)采用梁段模型和轉向裝置局部模型分別模擬分析轉向裝置對梁體的局部影響和轉向裝置受力至破壞的全過程是可行的.這種分析方法避免了在一個模型中并存多種非線性問題帶來的計算量大、收斂性差等問題.

2)轉向裝置對結構的局部影響主要集中在梁體與轉向塊連接的部分及附近大小約為轉向裝置自身尺寸2倍的區域內.

3)混凝土肋式轉向裝置破壞時，受拉區混凝土受拉開裂、環向鋼筋受拉屈服，受壓區混凝土受壓劈裂破壞.

4)肋式轉向裝置受壓區混凝土的受力表現出偏心受壓構件的受力特點，轉向角度較大側的混凝土受壓較大.

［1］楊明，孫筠，張樹仁，等.波紋鋼腹板體外預應力箱梁橋的發展與展望［J］.公路交通科技，2006，23(12):72－75.

［2］楊明.波紋鋼腹板箱梁橋轉向裝置和剪力連接件理論與實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2008.

［3］SAYED-AHMED E Y.Behaviour of steel and(or)composite girders with corrugated steel webs［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，2001，28(4):656－672.

［4］METWALLY A E，LOOV R E.Corrugated steel webs for prestressed concrete girders［J］.Materials and Structures，2003，36:127 －134.

［5］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解［M］.北京:機械工業出版社，2006:64.

［6］莊茁.ABAQUS有限元軟件6.4版入門指南［M］.北京:清華大學出版社，2004:65，215.

［7］曹金風，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答［M］.北京:機械工業出版社，2009:277.

Mechanical characters of concrete rib deviator

YANG Ming1，2，HUANG Qiao1，2，RONG Xue-liang2

(1.School of Transportation，Southeast University，210096 Nanjing，China，bartty－ym@sina.com;2.School of Transportation Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

According to the mechanical and structural characters of externally prestressed box girder with corrugated webs，the mechanical performance，such as load bearing mechanism，mechanical characters，damage form and ultimate load capacity of concrete rib deviator used in externally prestressed box girder with corrugated webs is studied using FEA(Finite Element Analysis)and experimental methods.The experimental and FEA results fit each other well.The research indicates that the local influence in concrete flange caused by deviator concentrates in the joints of deviator and concrete flange and the nearby location.When the deviator damages，the tensional concrete cracks and the round reinforcements yield and compressional concrete splits.The compressional concrete shows obvious characteristics of eccentric compression member.The conclusion of this paper may be helpful for designers in designing deviators of externally prestressed box girder with corrugated webs.

corrugated webs;externally prestressed box girder;concrete rib deviator;mechanical characters

U441

A

0367－6234(2011)10－0119－05

2010－05－09.

國家自然科學基金資助項目(51078078);交通部西部科技項目(200538181215).

楊 明(1980—)，男，博士，講師;

黃 僑(1958—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 趙麗瑩)