新型预制拼装组合结构盖梁抗剪机理

摘要： 提出了一类新型预制拼装组合结构盖梁。为研究其受力机理，建立了非线性有限元模型，讨论了预制拼装组合结构盖梁破坏过程，分析了钢材强度、本构模型、腹板和顶板厚度对承载力的影响，通过理论计算对数值模拟进行了验证。研究结果表明：新型预制拼装组合盖梁先后出现混凝土开裂、腹板、顶板及加劲肋屈服、强化后达到极限承载力，表现为剪切破坏状态；试件加载中荷载-挠度曲线表现出明显的线性、塑性和加强阶段，结构屈服后有较好的延性，承载力保持逐步增长；试件腹板和混凝土承担70%~75%的极限承载力，腹板厚度和强度的增加可有效提高试件屈服荷载、极限承载力；试件屈服后，盖梁顶板和钢材强化提供部分承载力，不可忽略顶板及加劲肋、钢材强化对承载力的影响。

关键词： 预制拼装；组合结构；盖梁；抗剪机理；极限承载力

Abstract： This paper proposes a unique precast composite pier cap. The mechanical performance of the precast composite pier cap is studied using nonlinear finite element modelling，and the failure mechanism is discussed. The effect of steel plate strength，constitutive model，web and top plate thickness on capacity is investigated，and the numerical simulation analysis is validated by theoretical calculation. The results demonstrate that the concrete fractures first，and the ultimate condition is determined by the yield of the web，top plate，and stiffener，resulting in shear failure. The load-deflection curves exhibit three phases of behavior：linear，plastic，and hardening，and after structural yielding，the capacity grows gradually，indicating acceptable ductility. The specimen's web and concrete support 70%?75% of the final bearing capacity. Increases in web thickness and strength can significantly enhance the yield load and ultimate capacity of the specimens. Following specimen yielding，the top plate and hardening of steel material contribute a portion of the capacity，indicating that the impact of the top plate，stiffener，and hardening of steel material should be addressed.

Keywords： precast；composite structure；bent cap；shear mechanism；ultimate bearing capacity

盖梁是桥梁下部结构中传递荷载的重要构件，现浇混凝土盖梁建造需搭制支架，施工周期长、质量控制难、施工风险大且浪费成本，预制拼装混凝土盖梁有效克服了上述不足，成为当前桥梁下部结构建造的主要结构形式 ^[1] 。

整体预制拼装混凝土盖梁自重达数百吨 ^[2] ，运输不便、吊装困难，目前常用预制拼装盖梁为多节段、剪力键连接形式 ^[3-5] ，在盖梁纵向设置预应力钢束用以加强节段连接能力、防止长期使用中的混凝土开裂 ^[6] 。工程实践发现，盖梁混凝土内部设置预应力钢束，需进行预应力钢束张拉和砂浆灌注，工序烦琐、耗费工时。同时，预制拼装盖梁与墩柱连接是预制拼装的关键技术，常采用灌浆套筒、金属波纹管、预应力钢筋连接 ^[7-8] ，及榫嵌套和焊接的组合连接 ^[9] ，灌浆操作隐藏在连接器内部 ^[10] ，施工质量难以控制，连接质量检测较难实现。

为此，本文提出了一种可降低自重，提高施工、装配效率的新型预制拼装组合结构盖梁。为研究该盖梁的受力机理，建立了非线性有限元模型，讨论了盖梁破坏过程，分析了钢材强度、本构模型、腹板和顶板厚度对承载力的影响，为应用这类新型预制拼装组合结构盖梁提供依据。

1　新型组合结构盖梁构造

新型组合结构盖梁为工厂预制，现场注入混凝土，浇筑连接，构造如图1所示。盖梁悬臂段为钢-混凝土组合箱体结构，底板设置开孔板、穿孔钢筋与混凝土连接，顶板设置多道加劲肋；支座下方分别设置1道横隔板、2道横肋，提供支撑及盖梁横向刚度；柱顶盖梁采用带开孔板的箱体结构，与预制桥墩通过开孔板、连接钢筋、柱主筋-混凝土形成组合连接。

图1　新型组合结构盖梁构造

Fig.1　Structural details of novel composite pier cap

传统预制混凝土盖梁采用钢筋混凝土抵抗弯剪作用，为防止混凝土开裂，加强盖梁节段的连接常采用预应力钢筋纵向加固。新型组合结构盖梁采用钢-混凝土组合结构承受支座荷载，提出了新型盖梁-桥墩连接形式和施工方法，取消了预应力筋的使用。

组合结构盖梁构造特点在于：（1）盖梁与墩柱采用开孔板、主筋连接传力，并增加了连接钢筋提高抗弯剪强度；（2）盖梁悬臂段钢-混凝土组合结构提高底板压弯能力；（3）施工中，组合结构盖梁吊装至桥墩顶部进行简单定位后便可浇筑，减少了传统预制盖梁现场拼装操作，提高拼装效率和构件生产质量。同时，应用于相同工况时，新型组合结构盖梁质量轻，仅为传统预应力混凝土盖梁的1/4，每单位重量具有更大的承载力。

新型组合结构盖梁为预制构件，盖梁-桥墩连接节点为现浇形式，预制及安装过程（图2）包括：① 焊接盖梁钢板；② 浇筑混凝土：盖梁悬臂段底板采用钢-混凝土组合结构形式，工厂预制盖梁时对底部（红线区域）进行浇筑；③ 封闭盖梁：浇筑内部混凝土后封闭盖梁两端人形通道孔，完成盖梁工厂预制过程；④ 预制、安装墩柱；⑤ 现场吊装盖梁：盖梁由上而下吊装至墩顶，定位后进行简单固定；⑥ 现场注入混凝土：从盖梁顶部浇筑孔注入混凝土，完成浇筑；⑦ 养护、封口：养护混凝土后，用钢板封住浇筑孔，完成盖梁的安装过程。

图2 盖梁预制和安装

Fig.2　Fabrication and erection of composite pier cap

2　有限元模型

2.1　试件尺寸及参数

图3给出了试件半结构尺寸，盖梁长度、高度分别为7,300mm、1,400mm，腹板间距为1,520mm，顶板厚度t _f =14mm、腹板厚度t _w =40mm。柱顶位置和悬臂段的底板厚度分别为25mm、16mm。开孔板宽度为200mm、厚度为16mm，开孔直径为60mm，纵向加劲肋宽度为160mm、厚度为16mm。支座下方横隔板、横肋厚度为22mm，间距为200mm。柱主筋、连接钢筋、穿孔钢筋直径分别为40mm、32mm、16mm。盖梁单侧设置2个支座，长宽均为600mm，支座中心纵、横向距离盖梁中心分别为2,079mm、390mm。

图3　试件半结构尺寸 （单位：mm）

Fig.3　Dimension of the half structure （Unit：mm）

试件参数考虑了三种腹板厚度、四种顶板厚度、五种钢材强度及两类钢材本构，模型参数如表1所示。其中，为钢材屈服强度 ^[11] ，M1、M2分别为两类钢材本构模型。

2.2　有限元建模

考虑到试件的对称性，采用大型通用有限元软件建立了半结构模型 ^[12] ，悬臂段和墩柱混凝土、钢板、主筋、穿孔钢筋均采用实体单元C3D8R，柱顶混凝土采用实体单元C3D10M，其余钢筋为线单元T3D2，模型单元总数约为42万个，单元划分如图4所示。试件施加y向位移模拟荷载施加过程，最大控制位移为200mm。

模型对称边界为y-z平面，该平面中x向位移自由度和y-z向转角自由度均为0，柱底边界条件为全约束。模型中不同Part间多数采用面面接触，接触面切向行为中摩擦方向各向同性、摩擦系数为0.5 ^[13-14] ，接触面法向采用硬接触，模拟Part接触间不穿透并可分离的法向状态，约束施加方式为默认形式。接触面包括柱顶钢筋-混凝土、钢板-钢板、开孔板与混凝土、支座与盖梁。为提高计算效率，悬臂端钢筋与混凝土为嵌入关系。

图4　单元划分

Fig.4　Mesh of elements

2.3　材料本构

混凝土等级取C50，单轴受压应力-应变曲线分为3个阶段：

（1）　弹性阶段（0 ≤ ε _c ≤ 0.4f _c /E _cm ）

混凝土受拉本构在开裂前假定为线性，采用与受压状态相同的弹性模量表征应力-应变关系，其中：f _t 为混凝土抗拉强度，取f _t =4MPa；ε _ck 为混凝土开裂应变。混凝土受压、受拉本构曲线如图5a）所示，其中γ=0.85、β=50 ^[16] 。钢材本构采用简化三折线模型M1和不考虑加强段的二折线模型M2，如图5b）所示。其中：f _u 为极限强度；ε _y 为屈服应变；30ε _ys 为极限强度对应的应变值。钢筋等级为HRB400，采用M1本构模型，屈服强度取400MPa；钢板根据表1选择相应的强度等级及本构模型。

图5　材料应力-应变曲线

Fig.5　Stress-strain curves of materials

3　数值模拟结果及分析

3.1　破坏过程

浇筑完成后的试件模型破坏过程基本一致，以典型模型S18为例进行分析。图6给出了模型承载力-挠度（F-Δ）曲线。随着Δ增大，F表现出三阶段变化过程：（1）线性段：F-Δ线性变化，混凝土开裂，腹板最终屈服；（2）塑性段：顶板及其加劲肋逐渐屈服，承载力缓慢增加；（3）加强段：钢材进入强化段，较小承载力增加产生大变形。

图7对应图6模型发生腹板、顶板及其加劲肋屈服等3个关键状态的应力分布。图7a）给出了模型Mises应力云图，腹板屈服时，顶板边缘应力较大；F=0.77F _max 时，顶板贯通屈服，同时横隔板发生屈曲；F=0.89F _max 时，顶板加劲肋屈服，F _max 为峰值荷载，即极限承载力。模型腹板、顶板分别承担70%、20%的承载力。图7b）给出了模型腹板压应力矢量图，腹板压应力方向始终由支座指向悬臂端，呈45°角。腹板屈服前，压应力分布均匀；腹板屈服后，支座下部腹板压应力和受压范围增大，说明横隔板和横肋有效提高腹板抗剪强度，受压柱腹板屈服后，剪力传递至支座底部腹板。

图6　模型S18 F-Δ曲线

Fig.6　F-Δ curve of model S18

图7　模型应力（单位：MPa）

Fig.7　Stress of the models （Unit：MPa）

3.2　钢材强化对承载力影响

钢材采用三折线本构，以线性加强段代替钢材的颈缩强化过程，由破坏过程分析可知承载力加强可能由钢材强化引起。为此，分析了钢材本构加强段对结构抗剪承载力产生的影响，对比采用Q460钢材、三种腹板厚度模型，分别考虑M1、M2本构，计算结果如图8所示。

组合结构盖梁发生腹板、顶板及加劲肋屈服，采用M1本构的模型在顶板及加劲肋屈服后钢材进入加强段，承载力继续提高，采用M2本构的模型出现承载力稳定或降低趋势。位移越大，钢材加强段对承载力产生的影响越大。由此说明，顶板及加劲肋屈服后组合结构盖梁承载力增加由钢材加强段贡献。

图8　钢材本构加强段对承载力影响

Fig.8　Influence on bearing capacity of steel constitutive strengthening section

3.3　材料强度对承载力影响

图9为五种钢材屈服强度下承载力与挠度关系，其中模型腹板和顶板厚度分别为40mm、14mm，屈服点对应腹板发生屈服状态。可以看出，极限承载力、腹板屈服荷载随着材料屈服强度提高而增大；不同材料屈服强度下，承载力曲线初始刚度基本一致。

图9　不同钢材屈服强度下F-关系

Fig.9　F- relationship with different steel yield strength

图10给出了顶板厚度为14mm时，不同腹板厚度模型极限承载力和屈服承载力F _y 随材料强度的变化，承载力与材料屈服强度基本呈线性增长关系。

图10　承载力随材料强度的变化

Fig.10　Bearing capacity varying with material strength

3.4　腹板厚度对承载力影响

图11为不同腹板厚度下承载力与挠度关系，ΔF ₁ 、ΔF ₂ 分别为腹板和顶板承担的承载力。可以看出：（1）腹板厚度越大，ΔF ₁ 、ΔF ₂ 增量越大，即线性阶段腹板为主要受力构件，塑性阶段腹板材料强化提供受力；（2）模型初始刚度随腹板厚度增加，明显提高。

图11　不同腹板厚度下F-Δ关系

Fig.11　F-Δ relationship with different web thickness

3.5　顶板厚度对承载力影响

图12为不同顶板厚度下承载力与挠度关系，可以看出：（1）顶板厚度对腹板屈服荷载影响较小；（2）顶板厚度增加，ΔF ₂ 增量越大；（3）顶板厚度对初始刚度有一定影响，但小于腹板厚度影响。

图12 不同顶板厚度下F-Δ关系

Fig.12　F-Δ relationship with different top plate thickness

4　理论对比验证

由上述分析可知，试件主要出现抗剪破坏，塑性破坏前抗剪承载力由钢腹板和混凝土承担。为验证数值模拟计算的合理性，对比了试件承载力理论计算和有限元结果。

钢-混凝土组合结构抗剪考虑腹板和混凝土作用，腹板抗剪强度为 ^[17] ：

图13　有限元模拟和理论计算抗剪承载力比值对比

Fig.13　Comparison of shear capacity ratio between FEA and theoretical calculation

5　结  论

本文提出了一种新型预制拼装组合结构盖梁，基于27个有限元模型分析了腹板和底板厚度、钢材强度、钢材本构模型等因素对承载力的影响，并通过理论方法对数值模拟分析进行了验证。可以得出以下主要结论：

（1）新型预制拼装组合盖梁为钢-混凝土组合结构，悬臂段混凝土能有效提高抗压弯能力，盖梁与桥墩采用开孔板、钢筋连接传力，现场拼装操作简单，具有自重轻、拼装效率和构件质量高等特点。

（2）新型预制拼装组合结构盖梁破坏过程，先后出现混凝土开裂、腹板、顶板及加劲肋屈服、强化后达到极限承载力，表现为剪切破坏状态。

（3）试件加载中表现出明显的线性、塑性和加强段，结构屈服后仍具有较好的延性，承载力保持逐步增长。

（4）屈服前，腹板和混凝土承担主要承载力，约为70%~75%；屈服后，顶板及其加劲肋承担约20%，表明提高腹板厚度和强度是提高承载力的有效方法。盖梁顶板钢材强化后可进一步提供10%的承载力，不可忽略钢材强化对承载力的影响。

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