李澤濤， 王 騫， 冀雅婉， 王曉夢， 郭佳茵

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院， 河北 保定 071001；2. 大連理工大學(xué) 橋梁研究所， 遼寧 大連 116024)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的大幅提高，全國路橋建設(shè)事業(yè)突飛猛進(jìn)，各地區(qū)的橋梁通行能力不斷完善。但是早期建成的橋梁采用的標(biāo)準(zhǔn)低，日漸無法滿足交通容量的要求，阻礙了道路的通暢。如果采用合適的方法加寬舊橋，則既可以提高橋梁的通行能力，又能節(jié)約大量的建設(shè)資金。國內(nèi)外的橋梁拓寬方法包括：復(fù)橋加寬法[1]、邊梁加寬法[2,3]、懸臂挑梁加寬法[4,5]、間插橋墩加寬法[6]、斜撐桿加寬法[7～9]、鋼-混凝土組合梁加寬法[10]，以及鋼懸臂加寬法[11]。

鋼懸臂加寬法又稱為正交異性鋼懸臂板加寬法，由大連理工大學(xué)橋隧研發(fā)基地提出和研發(fā)。它的原理是沿著混凝土箱梁的順橋向，每隔一段距離即在其兩側(cè)設(shè)置鋼懸臂，然后通過后澆的混凝土隔板、張拉的橫向預(yù)應(yīng)力筋及預(yù)埋的錨固栓釘，使得新舊結(jié)構(gòu)組成整體而共同受力，最后在鋼懸臂上鋪設(shè)正交異性板以實現(xiàn)橋面的拓寬。鋼懸臂加寬法不用新建橋墩，只需加固原有橋墩，同時為了提高橋梁的承載力還需張拉縱向預(yù)應(yīng)力筋，其拓寬形式如圖1所示。該方法有拆除量少、施工周期短、交通干擾小、橋下空間通透、結(jié)構(gòu)造型美觀等諸多優(yōu)點，可謂專門適用于城市混凝土箱梁橋的拓寬[12～14]。大連市東北路立交橋采用該方法拓寬后的效果如圖2所示。

圖1 鋼懸臂拓寬法示意

圖2 東北路立交橋拓寬效果

該新型鋼-混凝土橫向組合結(jié)構(gòu)可能同時出現(xiàn)接觸面張開過大、混凝土開裂或壓碎、預(yù)應(yīng)力筋斷裂、栓釘拉斷等現(xiàn)象，且失效過程中各因素相互影響。前人已完成的工作包括鋼懸臂的受力特征[15,16]、鋼-混凝土接觸面力學(xué)特性[17,18]等，但是此新型鋼-混凝土橫向組合結(jié)構(gòu)的破壞失效形式尚不明確?；炷梁鬂哺舭遄鳛閭髁^渡構(gòu)件，起到有機(jī)連接新舊結(jié)構(gòu)、有效傳遞內(nèi)力的作用，但是其極限承載能力尚未明確。本文通過鋼懸臂拓寬模型的破壞試驗，并建立非線性有限元模型，將二者的結(jié)果進(jìn)行對比，研究鋼-混凝土橫向組合結(jié)構(gòu)的破壞失效形式和極限承載能力，從而為鋼懸臂加寬法的優(yōu)化提供試驗依據(jù)和理論支持。

1 靜力加載破壞試驗

1.1 鋼懸臂拓寬模型概述

關(guān)于試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計，考慮到梁端荷載需要人工用千斤頂來施加，試驗?zāi)Ｐ筒灰瞬捎幂^大尺寸，否則人工用千斤頂施加的荷載不足以使構(gòu)件破壞。同時箱梁橋加寬后在橫橋向是對稱的，所以可只取結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行研究。因此試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計主要根據(jù)實驗室的加載條件，同時參考東北路立交橋的加寬形式來確定，如圖3所示，從左到右依次為鋼懸臂、混凝土后澆隔板、混凝土底座及剪力墻。其中鋼懸臂由頂板、腹板、底板、加勁隔板、錨板、墊板、加勁肋板組成。制作模型時，先將各塊鋼板焊接成鋼懸臂，同時還要在鋼懸臂的墊板相應(yīng)位置設(shè)置預(yù)埋的錨固栓釘，然后澆筑后澆隔板和混凝土底座，養(yǎng)護(hù)到規(guī)定強(qiáng)度后張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，通過預(yù)應(yīng)力筋及錨固栓釘使鋼懸臂梁與后澆隔板形成整體，最后用鋼螺桿將整個試驗?zāi)Ｐ凸潭ǖ綄嶒炇业募袅ι稀?/p>

圖3 加寬模型/mm

后澆隔板采用C50混凝土，錨固栓釘采用直徑10 mm的8.8級高強(qiáng)螺栓，預(yù)應(yīng)力筋采用直徑12.7 mm的1860鋼絞線，鋼懸臂采用Q345鋼材。

1.2 試驗準(zhǔn)備與步驟

試驗時用反力架與千斤頂作為主要加載裝置。反力架是由兩根立柱和一根橫梁組成的門式結(jié)構(gòu)，兩根立柱需用地腳螺栓固定，并在橫梁的下側(cè)設(shè)置千斤頂，加載裝置和傳感器布置如圖4，5所示。其中傳感器⊕，○，?分別用來測量壓力、位移和應(yīng)變，各傳感器的設(shè)置如表1所示。

本試驗包括兩個荷載工況：工況一為預(yù)應(yīng)力單獨作用；工況二為預(yù)應(yīng)力和梁端荷載共同作用。靜力加載破壞試驗的步驟：(1)張拉預(yù)應(yīng)力并灌漿養(yǎng)護(hù)3 d后，把構(gòu)件固定到剪力墻上；(2)安裝反力架，并將各傳感器安裝到拓寬模型的相應(yīng)位置；(3)將傳感器與采集儀、筆記本電腦連接，初步采集數(shù)據(jù)并清零，確認(rèn)各儀器接觸良好；(4)在梁端用千斤頂進(jìn)行加載，每増加5kN采集一次數(shù)據(jù)。在加載過程中觀察結(jié)構(gòu)的變形和構(gòu)件的破壞情況，并用攝像機(jī)記錄結(jié)構(gòu)的破壞全過程；(5)一直加載到結(jié)構(gòu)因發(fā)生破壞而無法繼續(xù)承載。

圖4 加載裝置

圖5 傳感器布置

表1 傳感器的設(shè)置

1.3 試驗現(xiàn)象與結(jié)果

預(yù)應(yīng)力單獨作用時，混凝土和鋼材各處的應(yīng)力均未超過材料的容許應(yīng)力設(shè)計值；懸臂梁端部撓度及界面相對位移都很小。預(yù)應(yīng)力和梁端荷載共同作用時，隨著梁端荷載的增大，混凝土逐漸開裂，如圖6所示。當(dāng)梁端荷載達(dá)到160 kN時出現(xiàn)“裂縫1”；當(dāng)梁端荷載達(dá)到170 kN時出現(xiàn)“裂縫2”，并不斷向下擴(kuò)展延伸。兩條裂縫的出現(xiàn)主要是由于混凝土后澆隔板同時承受了很大的彎矩和剪力，處于彎剪復(fù)合受力狀態(tài)。隨著梁端荷載的不斷增加，梁端撓度和接觸面相對位移也隨之加大，如圖7所示。當(dāng)懸臂梁端部荷載達(dá)到265 kN后無法繼續(xù)增加，即極限承載力為265 kN；此時梁端撓度和接觸面上緣相對位移分別為37.4，16.1 mm，且二者均可繼續(xù)增大。

圖6 裂紋位置

圖7 接觸面上緣的分離

當(dāng)懸臂梁端部荷載達(dá)到極限值265 kN時，預(yù)應(yīng)力鋼筋尚未屈服，其應(yīng)力為1190 MPa；混凝土后澆隔板接觸面下緣的最大壓應(yīng)力高達(dá)45.6 MPa，故該處混凝土開裂較明顯；鋼底板最大壓應(yīng)力為487 MPa，也尚未屈服。因此，后澆隔板在彎剪共同作用下的開裂導(dǎo)致加寬模型達(dá)到承載極限狀態(tài)。

2 破壞試驗的數(shù)值模擬

2.1 有限元模型概述

根據(jù)破壞試驗中的各個參數(shù)，用Abaqus建立非線性有限元模型，如圖8所示，左側(cè)為鋼懸臂，右側(cè)為后澆隔板，中間紅線為預(yù)應(yīng)力筋，上下兩根紅線為錨固栓釘。最終通過比較仿真與試驗結(jié)果，驗證非線性有限元模型的有效性，為后續(xù)的相關(guān)研究提供有效的數(shù)值模型。

圖8 有限元模型

2.1.1材料屬性與單元類型

各部件的材料屬性與單元類型如表2所示。

表2 各部件的材料屬性與單元類型

其中，后澆隔板混凝土損傷塑性本構(gòu)模型采用的計算參數(shù)：剪脹角取30°，流動勢偏移量取0.1，雙軸受壓與單軸受壓的極限強(qiáng)度比取1.16，不變量應(yīng)力比取0.67，粘滯系數(shù)取0.005，并按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[19]確定混凝土單軸受壓或受拉時應(yīng)力、應(yīng)變、損傷因子三者的關(guān)系。錨固栓釘?shù)那?qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為640，800 MPa，極限延伸率為6%[20]。預(yù)應(yīng)力鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為1750，1950 MPa，極限伸長率為5.2%[21]。鋼懸臂的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為429，589 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.101[22]。

2.1.2邊界條件及相互作用

有限元模型中未建立混凝土底座，而是直接在后澆隔板的右端面定義固支邊界，以模擬混凝土底座對后澆隔板的固結(jié)作用。在模型的對稱面定義對稱邊界，因為該有限元模型是以鋼懸臂梁腹板的中面為對稱面，因此只須建立鋼懸臂拓寬模型的一半，從而達(dá)到減少單元數(shù)量、加快運(yùn)算速度的效果。在預(yù)應(yīng)力筋的右端點定義鉸支邊界，用來模擬混凝土底座對其施加的端部錨固作用。

各塊鋼板的連接處、預(yù)應(yīng)力筋左端點與鋼錨板的連接處、錨固栓釘與鋼墊板的連接處均施加tie(綁定)約束，以模擬各部分之間的固結(jié)作用；錨固栓釘與混凝土后澆隔板之間建立embed(嵌入)約束，以傳遞混凝土與錨固栓釘之間的相互作用；鋼懸臂和后澆隔板的接觸面施加法向的“硬接觸”及切向的“摩擦”，以模擬二者在接觸面產(chǎn)生的法向擠壓或分離和切向的摩擦作用。其中“硬接觸”是指鋼懸臂與后澆隔板之間不發(fā)生穿透現(xiàn)象，且接觸面能傳遞的壓力大小不受限制，接觸壓力為零或負(fù)值時兩個接觸面分離；摩擦系數(shù)取0.35。

2.1.3分析步的設(shè)置

在有限元模型中設(shè)置兩個分析步：(1)通過降低預(yù)應(yīng)力鋼筋的溫度施加預(yù)壓力；(2)以位移的形式在梁端施加豎向均布荷載，即在鋼懸臂端部施加大小為150 mm的強(qiáng)制位移，以得到模型受力的應(yīng)變軟化階段。兩個分析步選擇的分析類型均為“靜力通用分析”。

2.2 試驗與仿真結(jié)果的對比分析

2.2.1承載力與位移

試驗及仿真得到的“荷載-撓度曲線”如圖9所示，二者的極限荷載分別為265，268 kN，對應(yīng)的梁端撓度分別為37.4，30.3 mm。數(shù)值模型達(dá)到極限荷載時，上側(cè)錨固栓釘已達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞，且后澆隔板下緣出現(xiàn)嚴(yán)重的壓縮損傷，如圖10所示。在壓縮損傷云圖中用DAMAGEC表征混凝土的受壓損傷情況，DAMAGEC=0表示混凝土無壓縮損傷，DAMAGEC=1表示混凝土被完全壓壞。由于后澆隔板下緣的DAMAGEC最大值約為0.8，因此該部位混凝土存在嚴(yán)重的壓縮損傷。試驗及仿真得到的“荷載-相對位移曲線”如圖11所示，二者的荷載極限值分別為265，268 kN，對應(yīng)的接觸面上緣相對位移分別為16.1，14.2 mm。

圖9 荷載-撓度曲線

圖10 混凝土后澆隔板下緣的壓縮損傷云圖

圖11 荷載-相對位移曲線

對比試驗及仿真結(jié)果可知，二者的極限荷載基本相等，說明該數(shù)值模型能有效預(yù)測新型鋼-混凝土橫向組合結(jié)構(gòu)的極限承載力。但是試驗得到的梁端撓度約是數(shù)值模擬結(jié)果的1.2倍，試驗得到的接觸面上緣相對位移約是數(shù)值模擬結(jié)果的1.1倍，即試驗?zāi)Ｐ团c數(shù)值模型相比變形更大、剛度更小，因此用該數(shù)值模型預(yù)測鋼-混凝土橫向組合結(jié)構(gòu)的變形存在一定的偏差。

該偏差主要是由于在靜力加載破壞試驗中鋼束產(chǎn)生了預(yù)應(yīng)力損失，使得試驗?zāi)Ｐ捅葦?shù)值模型中的鋼束應(yīng)力小，因此導(dǎo)致試驗?zāi)Ｐ团c數(shù)值模型相比剛度更小。其次，數(shù)值模型中的邊界條件是理想化的，這也造成試驗?zāi)Ｐ捅葦?shù)值模型的剛度小。此外，由于混凝土材料的離散性，其強(qiáng)度與變形能力在一定范圍內(nèi)波動，因此混凝土損傷塑性本構(gòu)模型中剪脹角、粘滯系數(shù)、應(yīng)力-非彈性應(yīng)變關(guān)系曲線、損傷因子-非彈性應(yīng)變關(guān)系曲線等參數(shù)的選取對結(jié)果影響顯著，這也使得數(shù)值模型與試驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。

2.2.2預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力

試驗及仿真得到的荷載-鋼束應(yīng)力曲線如圖12所示，二者的荷載極限值分別為265，268 kN，對應(yīng)的鋼束應(yīng)力分別為1190，1296 MPa。對比可知，二者的極限荷載基本相等，但試驗得到的鋼束應(yīng)力比數(shù)值模擬結(jié)果小了106 MPa，后者約是前者的1.1倍。這主要是由于鋼束的應(yīng)力松弛、混凝土的收縮徐變等原因造成了預(yù)應(yīng)力損失，而在數(shù)值模型中并沒有考慮鋼束和混凝土的時間依存特性，故使得數(shù)值模型中的預(yù)應(yīng)力偏大，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)值模型的剛度偏大。因此，后續(xù)的研究應(yīng)重點解決如何準(zhǔn)確模擬鋼束的應(yīng)力。

圖12 荷載-鋼束應(yīng)力曲線

3 結(jié) 語

本文通過模型破壞試驗，明確了鋼-混凝土橫向組合結(jié)構(gòu)的破壞失效形式：在外荷載作用下，結(jié)構(gòu)同時承受彎矩和剪力。加載后，彎矩主要通過鋼-混凝土界面應(yīng)力來平衡；隨著外荷載的增大，接觸面上緣張開，頂部栓釘及鋼束受拉，接觸面下緣混凝土受壓；剪力一開始由界面摩擦平衡，之后由栓釘抗剪平衡。最終后澆隔板在彎剪作用下的開裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)達(dá)到承載極限狀態(tài)。因此，后澆隔板對該組合結(jié)構(gòu)的極限承載能力起決定性作用，如何對后澆隔板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是未來的研究方向之一。

本文所采用的數(shù)值模型可以有效預(yù)測結(jié)構(gòu)的極限承載力，但對其變形的預(yù)測有一定的偏差。如何準(zhǔn)確模擬預(yù)應(yīng)力，從而使數(shù)值模型準(zhǔn)確反映出結(jié)構(gòu)的變形和剛度，也是未來的研究方向之一。