淮南孔李淮河大橋波形鋼組合橋面板推出試驗研究

葉 琨

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

橋面板是公路橋梁橋面系的主要組成部分，直接承受和傳遞車輛荷載[1]。由于受到行車荷載的反復作用以及長期暴露在自然環境中，因此橋面板是橋梁結構中最易損毀的部件之一[2]。傳統的橋面板結構有兩種：鋼筋混凝土橋面板和鋼橋面板。在汽車荷載的長期作用下特別是重載甚至超載的情況下，鋼筋混凝土橋面板的抗剪能力不足，橋面板損傷嚴重，設計使用壽命明顯縮短。鋼橋面板承載力高，施工方便，但因鋼材的疲勞特性，在加勁肋處和焊縫處產生疲勞裂縫，也會使橋面板的耐久性和適用性受到很大影響[3]。

鋼-混凝土組合橋面板是在鋼橋面板和混凝土橋面板基礎上發展起來的一種組合橋面板[4]。其同鋼橋面板相比可以減少用鋼量從而降低造價和增強耐久性，而同混凝土橋面板相比可以減小結構尺寸、減輕橋梁自重、增長橋梁跨徑，且方便施工。目前鋼-混凝土組合橋面板大致有兩種：底部鋼板為平板和底部鋼板為壓型鋼板的鋼混組合橋面板。壓型鋼板通過平板鋼板壓成波折形狀，兩個腹板能提供較大的抗剪承載力，從而獲得更好的抗剪能力和更好的抗彎能力[5,6]。陳世鳴[7]指出，用壓型鋼板代替平底鋼板不僅能獲得更好的抗剪和抗彎能力，而且造型更加輕盈、美觀。2012年，許佳其對一組波形鋼-混凝土組合橋面板進行了探討性試驗，研究了組合板在兩點對稱加載時的受力情況。2015年，同濟大學蘇慶田等設計了一類波形鋼-混凝土組合板，通過足尺試驗將其受力性能與常規混凝土板和正交異性鋼橋面做了一系列比較[8,9]。

本文以2014年安徽省交通規劃設計研究院設計的淮南孔李淮河大橋右汊航道橋為背景，如圖1所示。該橋為三跨鋼箱梁下承式連續系桿拱橋，跨徑布置為(110+180+110) m，以大橋新型的波形鋼-混凝土組合橋面板結構為研究對象，按照實際工程情況，通過有限元模型分析和推出試驗，對這種新型波形鋼-混凝土組合橋面板的受力性能進行了研究。

圖1 安徽省淮南孔李淮河大橋

1 推出試驗概況

根據實際施工圖紙，本文設計了推出試驗的模型并加工了相應試驗方案的試件。試件高800 mm，寬750 mm，混凝土板厚200 mm，鋼板采用8 mm厚Q235qD鋼板。波折板構造如圖2所示，混凝土強度為實測強度，栓釘采用Φ16×180 mm,H型鋼采用200 mm×200 mm普通H型鋼。栓釘焊接采用穿透栓釘焊。本文推出試驗采用足尺試驗，特別地采用直徑180 mm的栓釘，而不是國內外推出試驗采用的直徑90 mm或100 mm的栓釘。

圖2 波形板構造示意圖

加載之前先測試混凝土立方體試塊的強度。推出試驗布置情況如圖3所示，具體試驗程序如下:

圖3 推出試驗布置圖

(1)試件的就位，在推出試件兩邊的混凝土塊下面墊一層細砂，以確保試件在加載過程中，混凝土塊的下端不會出現局部混凝土被壓壞，也能夠墊平試件。

(2)將試件與加載裝置嚴格對中，以確保加載的過程中不產生偏心力。

(3)安裝儀器與其他裝置。

(4)采用分級加載的加載模式。首先對試件進行3次預加載，檢查儀器運行是否正常，同時根據2個百分表的讀值變化來調整試件的平衡和對中情況。待預加載符合設計要求后，才正式加載。

(5)勻速緩慢加載，每級加載20 kN，百分表在加載到位并保持2 min后讀數，每一試件測試的總時間都在半小時以上。

(6)邊加載邊記錄數據，同時觀察混凝土的裂縫發展情況及試件的破壞特征。

(7)當加載到極限荷載的90%左右的時候，每級的荷載調整到10 kN。

(8)考慮到百分表的安全，在荷載接近試件的極限荷載時，拆除百分表，然后繼續加載至試件破壞，記錄最后的破壞荷載值。

2 有限元模型的建立

為了從有限元分析中得到較為準確的結果，剪切連接的所有部件都必須進行適當的建模處理。本文采用通用有限元程序ABAQUS對推出試件進行了模擬。混凝土板、鋼梁、鋼筋和剪切螺栓是影響剪切連接性能的主要因素。部件之間的相互作用也非常重要，同時考慮了幾何非線性和材料非線性。推出試件的幾何形狀是通過假定沿鋼梁腹板的半對稱來建立的，如圖4所示。采用三維八節點單元(C3D8R) 對栓釘、混凝土板、異形鋼板和鋼梁進行建模，采用桁架單元對焊接鋼絲網進行建模。為了減少分析時間，將粗線條應用為一個整體。在混凝土與栓釘接觸面附近區域應用細網絡，從而得到了較為精確的結果。

圖4 推出試驗半對稱模型

采用塑性損傷模型模擬混凝土，對于混凝土的骨架曲線，采用丁發興等提出的不同強度等級混凝土單軸受壓及受拉應力-應變關系全曲線統一計算式計算得到。鋼板和鋼筋均采用理想的彈塑性本構模型。鋼梁、鋼筋網采用線彈性處理，鋼板、栓釘作為彈塑性材料。混凝土強度和栓釘抗拉極限承載力均由試驗獲得。

鋼板被綁在剪切螺栓的底部。采用接觸對算法對鋼板面與混凝土板之間的表面接觸，以及螺栓與周圍混凝土之間的表面接觸進行了定義。由于鋼板和剪切螺栓的剛度較高，以其為主面,而混凝土表面被假定為從屬面。

采用有限滑移法進行表面接觸。這兩個接觸面之間的相互作用是由表面的正切行為決定的。假定默認的正常行為包括“硬”接觸壓力-超閉關系。這種正常的行為保證了從表面到主表面的最小穿透。采用罰式摩擦公式，假定鋼板與混凝土板之間的摩擦系數為0.45。

假定鋼橋面與H型鋼之間的缺省無摩擦和“硬”接觸相互作用分別為切向和正常行為。采用相同的“接觸對”方法，將H型鋼的頂部定義為主表面，鋼板的底部為從表面。在內置約束條件下，將鋼絲網嵌入混凝土板內。

約束混凝土板底面所有節點Y方向位移；根據對稱性約束栓釘單元節點的X、Z方向位移，只允許Y方向位移。在梁的加載面上施加了0.25 mm/s的位移。

試驗所得結果見表1。將有限元模型計算結果與試驗數據進行對比,結果表明經過修正后的有限元模型與試驗結果吻合程度較高。與此同時,將波形鋼焊接推出試驗結果與另外兩種剪力連接件形式的試驗結果進行對比，結果顯示螺栓連接會降低組合構件的整體性，也會降低組合結構的極限承載力。波形鋼焊接連接與標準推出試驗的對比結果顯示，波形鋼板的加入會影響前期混凝土對栓釘的包裹性，導致前期滑移稍大，但結構最終的延性與承載力有了很大的提高。

表1 推出試驗結果

3 結 論

本文運用有限元軟件ABAQUS建立了安徽省淮南孔李淮河大橋波形鋼-混凝土組合橋面板的推出試驗三維精細有限元模型，通過數值模擬和實驗室推出試驗對這一新型橋面板結構的受力性能進行了分析，得出以下結論:

(1) 對比結果顯示，螺栓連接會降低橋面板組合構件的整體性，也會降低橋面板組合結構的極限承載力。對比波形鋼焊接連接與標準推出試驗結果顯示，波形鋼板的加入會影響前期混凝土對栓釘的包裹性，導致前期滑移稍大，但結構最終的延性與承載力有了很大的提高。

(2) 波形鋼-混凝土組合橋面板中波形鋼板及混凝土底面應變沿橋橫向分布波動較大，波峰位置應變較小，波谷位置應變較大，且兩者應變分布基本相同。