(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

現(xiàn)階段瀝青混凝土和改性瀝青SMA等柔性材料為我國常用的鋼橋橋面鋪裝材料，車輛荷載作用下，鋼橋橋面剛度不足，變形較大，瀝青等鋪裝材料較難適應(yīng)鋼橋面板變形，以至于鋼橋鋪裝難免出現(xiàn)車轍、開裂等病害。為解決柔性鋼橋鋪裝剛度不足之缺陷，國內(nèi)外學(xué)者考慮采用組合橋面板來提高橋面結(jié)構(gòu)剛度，以達(dá)到降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值的目的。鑒于常規(guī)組合橋面板中采用的混凝土，往往需要較大的厚度方能達(dá)到預(yù)期剛度，這也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重增加，鋼橋質(zhì)輕跨越能力大的優(yōu)勢亦大為折減[1]。鑒于此，為減輕結(jié)構(gòu)層自重，部分研究工作者一直在探索其他高性能材料替代普通混凝土作為組合橋面板的結(jié)構(gòu)層，比如鋼纖維混凝土、輕集料高強混凝土和超高性能混凝土[2-4]等材料，其中，依據(jù)最大密實度理論制備的超高性能混凝土 (Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC) ，以其抗壓強度極高、抗拉強度高、孔隙率極低等優(yōu)點成為學(xué)者們研究組合橋面板的優(yōu)選結(jié)構(gòu)層材料。然而，采用何種連接件使得較薄的UHPC層與鋼橋面板有效地組合且共同工作，將成為組合鋼橋面板成功推廣應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。

1 組合橋面板新型結(jié)構(gòu)

鋼-UHPC組合橋面板抗剪連接件不僅用于承受鋼橋面板與混凝土板之間的剪力，還需抵抗鋼橋面板與UHPC板之間的拉拔力，使鋼板與UHPC板緊密結(jié)合起來，兩者協(xié)同工作。由于超高性能混凝土優(yōu)越的性能一般做得比較薄，厚度一般為4～6 cm，去掉保護(hù)層后極短的栓釘較難提供足夠的拉拔力，從而會降低該組合橋面板的使用效率和耐久性。歐洲規(guī)范[5]對栓釘連接件有徑高比不得大于0.25的要求，可見，栓釘連接件難以滿足鋼橋面板與超薄UHPC板的連接。現(xiàn)有鋼-UHPC組合板的研究文獻(xiàn)多關(guān)注栓釘?shù)目辜粜阅躘6]，還有不少學(xué)者嘗試研究組合橋面結(jié)構(gòu)中平鋼板連接件[7]以及鋼筋連接件[8]等新型連接。

本文提出一種既能夠布置在超薄UHPC板中，同時也能夠提高拉拔力的鋼管抗剪連接件，新型鋼-UHPC組合橋面結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1所示。鋼管外壁與鋼橋面板采用喇叭形焊縫焊接，橋面構(gòu)造工作機理為利用鋼管連接件及管內(nèi)超高性能混凝土所起的銷栓作用在界面提拱有效的抗剪力和抗拉拔力。鋼管連接件作為組合橋面板中的剪力鍵，對其抗剪性能的研究是首要問題。為此，本文對新型連接件進(jìn)行推出試驗并建立對應(yīng)的數(shù)值模型，探索鋼管連接件在鋼-UHPC組合橋面板中的抗剪受力性能。

圖1 新型組合橋面板Figure 1 Structure of the new composite deck

2 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 試件設(shè)計

在鋼-UHPC組合橋面板中鋼管連接件內(nèi)由UHPC填充，推出試驗試件共分1組3個，試件編號為T-i(i=1，2，3)。試件的設(shè)計參照Euro code 4的規(guī)定，同時結(jié)合橋面板情況作適當(dāng)調(diào)整，試件中不考慮UHPC層內(nèi)鋼筋網(wǎng)的布置，以盡可能減少其他因素對試驗研究結(jié)果的影響，尺寸如圖 2所示，試件基本參數(shù)則如表1所示。

圖2 鋼管連接件試件構(gòu)造Figure 2 Construction of steel tube connector

表1 試件參數(shù)Table1 Specimenparameters試件編號鋼管型號(外徑×壁厚)?焊縫長度/mmUHPC板厚/mm鋼纖維摻量T-i(i=1,2,3)40×480603%注:?外徑、壁厚單位均為mm。

2.2 試件制作

2.2.1鋼管連接件的焊接

鋼管連接件與工字鋼翼板之間的焊接屬于一種不常見的焊接形式，在2003年，加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA，W59)首次將圓弧形構(gòu)件側(cè)面與鋼板表面的焊接定義為單邊喇叭形焊縫[9]，同時結(jié)合我國《冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB50018-2002)第6.1.2條規(guī)定，本文鋼管連接件的焊接亦屬于單邊喇叭形焊縫，具體要求參照其規(guī)定執(zhí)行。

2.2.2制作UHPC試件

在澆筑UHPC之前，對所有與UHPC接觸的界面均涂抹油脂，以免各接觸界面間摩擦對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。試件中UHPC采用文獻(xiàn)[10]的配合比，攪拌工序采用文獻(xiàn)[11]給出的后摻法拌制順序。

2.3 加載方案及測點布置

試件組3個試件編號分別為T-i(i=1，2，3)，T-1和T-2采用單調(diào)加載，T-3采用往返加載[12]，加載設(shè)備如圖3所示。因UHPC制作時需高溫蒸養(yǎng)，試驗期間對應(yīng)變的監(jiān)測無法通過黏貼應(yīng)變片實現(xiàn)，在試驗驗證了對應(yīng)的數(shù)值模型后的前提下，文中連接件的應(yīng)變通過后續(xù)數(shù)值模型獲取并進(jìn)行分析。

圖3 加載推出試驗Figure 3 Push-out test

3 數(shù)值模型

3.1 數(shù)值單元及接觸模擬

根據(jù)結(jié)構(gòu)自身對稱性，為節(jié)約計算的空間成本，通過ABAQUS簡化模擬1/2對稱模型。所有單元采用一種對非線性問題的位移計算較為精確的實體單元C3D8R，模型中具體網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 整個模型的網(wǎng)格劃分Figure 4 Meshing of the model

連接件與型鋼板之間的焊接通過 “綁定tie”模擬，依據(jù)試件制作情況，兩個接觸的主面與從面之間均涂抹油脂型鋼翼緣板與UHPC之間切向采用“無摩擦”類型，但是連接件內(nèi)外壁與UHPC之間的切向接觸通過與試驗結(jié)果的擬合試算，采用庫倫摩擦(coulomb friction)且摩擦系數(shù)取一個較小值0.05時與試驗結(jié)果吻合度較高，究其原因應(yīng)是連接件內(nèi)外壁與UHPC之間接觸面復(fù)雜，涂抹油脂無法完全消除兩者間的摩阻。

3.2 材料的本構(gòu)關(guān)系

型鋼和鋼管連接件本構(gòu)曲線采用雙折線線性強化彈塑性模型[13]，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如下式：

σ=Esεs(εs≤εy)

(1)

σ=fy+0.01Es(εs-εy) (εs>εy)

(2)

式中:Es表示初始彈性模量;εs為曲線對應(yīng)的應(yīng)變值;fy為鋼材的屈服強度;εy為屈服強度對應(yīng)的應(yīng)變，連接件的本構(gòu)關(guān)系如圖5(a)所示。

UHPC屬于一種新型的混凝土材料，其本構(gòu)關(guān)系采用普通混凝土損傷塑性模型，結(jié)合相關(guān)的研究基礎(chǔ)[14]，得到UHPC的非線性本構(gòu)關(guān)系如圖5(b)所示曲線。

圖5 材料的本構(gòu)關(guān)系Figure 5 Constitutive relation of materials

4 結(jié)果分析

4.1 荷載-位移曲線

推出試驗以及對應(yīng)數(shù)值模型的抗剪荷載-位移曲線繪制如圖6所示，由圖中曲線可知：加載過程中，曲線經(jīng)過一段較短的線彈性段，很快進(jìn)入較長的非線性上升段，試件出現(xiàn)塑性變形，位移值增長變快，鋼管在下緣焊縫附近的材料逐漸進(jìn)入屈服，直至達(dá)到峰值后，曲線低頭，試件進(jìn)入破壞階段。

圖6 T組試件荷載-位移曲線Figure 6 Load-slip curves of specimens

典型推出試驗荷載-位移曲線如圖7所示。圖中Vu和Su分別代表極限承載力以及其對應(yīng)的位移量；Vy和Sy分別為屈服承載力及其對應(yīng)的位移量；彈性抗剪剛度K取1/3極限承載力的割線斜率[12]；由此得出T組試件荷載-位移曲線的參數(shù)結(jié)果見表2。

圖7 典型試驗荷載-位移曲線Figure 7 Representative load-slip curves

表2 試驗結(jié)果Table2 TestresultsofSpecimens試件編號Vu/kNVy/kNK/(kN·mm-1)T-1223819143043TT-2210917902637T-3227220252610

4.2 破壞形態(tài)

鋼管連接件抗剪破壞可分3個階段：彈性階段，如圖8(a)所示，相對位移較小，鋼管與超高性能混凝土形成組合連接件，共同抵抗剪力的作用。非彈性階段，如圖8(b)所示，鋼管根部下方混凝土產(chǎn)生塑性變形，局部開裂，鋼管根部逐步屈服，相對位移值隨荷載增加顯著增加，承載力達(dá)到最大值。破壞階段，如圖8(c)所示，鋼管下方混凝土較大面積被壓碎，鋼管下緣焊縫根部全截面屈服斷裂，最終鋼管內(nèi)與管外混凝土產(chǎn)生剪切斷裂，鋼管攜管內(nèi)混凝土被拔出，破壞界面如圖9照片所示。

圖8 連接件工作階段Figure 8 Work phases of connector

圖9 連接件破壞形態(tài)Figure 9 Failure modes of connector

圖10顯示在極限承載力時，數(shù)值模型中活性粉末混凝土層的等效塑性應(yīng)變值PEEQ，ABAQUS在認(rèn)為等效塑性應(yīng)變值PEEQ>0時，表示材料已經(jīng)達(dá)到屈服[15]?？梢?，連接件根部下方的UHPC是材料屈服的集中區(qū)域，這是因為，組合結(jié)構(gòu)界面之間的剪力主要是由連接件的根部在承擔(dān)，根部下方的混凝土在荷載作用下，產(chǎn)生較高的應(yīng)力以及局部變形，從而滿足連接件一定的變形以迎合推出產(chǎn)生的相對位移。結(jié)合圖10(b)連接件的Mises應(yīng)力云圖，鋼管連接件邊緣與混凝土形成一個剪切面，該剪切面塑性等效應(yīng)變最大，下排連接件對應(yīng)附近的值較上排連接件大，這與試驗破壞形態(tài)較為吻合。

對鋼管應(yīng)力進(jìn)一步分析得出，鋼管應(yīng)力沿管長度方向呈中間小兩頭大的馬鞍形分布，離焊縫較遠(yuǎn)的連接件尾部，連接件長度方向兩頭已受拉屈服，說明該連接件豎向推出時，除了根部主要承擔(dān)豎向剪切力外，尾部也在承受著水平方向的拉拔力，這側(cè)向印證了鋼管連接件對組合橋面抗拉拔力的提升作用。

(a)UHPC層等效塑性應(yīng)變(PEEQ)

(b)連接件(Mises)應(yīng)力云圖圖10 有限元模型應(yīng)力應(yīng)變分布Figure 10 Stress and strain distribution of FEM

4.3 鋼管連接件工作機理

鋼管連接件的工作機理是荷載從工字鋼翼緣傳至鋼管，鋼管在UHPC層中被約束，鋼管和管內(nèi)UHPC共同抗剪，鋼管連接件利用管內(nèi)UHPC的銷栓作用在界面提拱有效的抗剪力和抗拉撥力。

5 抗剪性能參數(shù)分析

從荷載-位移曲線和破壞形態(tài)可知，數(shù)值模型與試驗?zāi)Ｐ偷臄M合度較高，基于該數(shù)值模型，針對鋼管壁厚，UHPC的軸心抗壓強度和鋼管鋼材的強度3個參數(shù)對連接件抗剪性能的影響進(jìn)行分析。

本文中，不改變鋼管外徑的情況下，壁厚參數(shù)選取2、3、4、5、6 mm的5個參數(shù)值。從圖11(a)中可看出，承載力隨壁厚成線形關(guān)系增大，從圖11(b)注意到，壁厚從2 mm到3 mm剛度提升明顯，可知鋼管壁厚取該值時，鋼管與管內(nèi)UHPC共同作用較協(xié)調(diào)，管內(nèi)的UHPC抗剪作用的貢獻(xiàn)開始得到體現(xiàn)，隨后壁厚每增加1 mm，剛度提升120～130 kN/mm。不過值得補充的是，當(dāng)鋼管厚度取2 mm時，破壞模式有所不同，此時P-S曲線的短暫的彈性上升后迅速屈服，屬于工程設(shè)計中應(yīng)避免出現(xiàn)的脆性破壞，出現(xiàn)此破壞模式的原因是壁厚較薄導(dǎo)致管內(nèi)UHPC并沒來得及發(fā)揮其作用，鋼管即迅速被剪切屈服。

圖11 鋼管壁厚對抗剪性能的影響 Figure 11 Effect of steel tube’s thickness to shear performance

圖12顯示，其他參數(shù)不變的情況下，抗剪承載力和抗剪剛度隨連接件鋼材屈服強度提高近似呈線性增長。

圖12 連接件屈服強度對抗剪性能的影響Figure 12 Effect of connector strength to shear performance

圖13顯示，每個壁厚對應(yīng)的一個UHPC軸心抗壓強度的合理取值，UHPC軸心抗壓強度在達(dá)到合理值前，承載力和剛度隨UHPC軸心抗壓強度呈線性增長，超過合理值后曲線出現(xiàn)低頭趨勢，抗剪性能增幅明顯變緩。當(dāng)鋼管外徑為40 mm時，壁厚從3、4、5、6 mm變化取值，對應(yīng)的UHPC抗壓強度合理建議值分別為100、120、140、160 MPa。

圖13 UHPC強度對抗剪性能的影響Figure 13 Effect of axial compressive strength of UHPC to shear performance

6 結(jié)語

a.鋼管連接件組合橋面板推出試件的破壞機理:鋼管根部下方UHPC首先產(chǎn)生塑性變形，局部開裂，鋼管根部逐步屈服。隨著相對位移值增加，鋼管下方混凝土較大面積被壓碎，鋼管焊縫根部全截面屈服斷裂，最終鋼管內(nèi)與管外混凝土產(chǎn)生剪切斷裂，鋼管攜管內(nèi)混凝土被拔出。

b.鋼管連接件在加載全過程屬下緣焊縫附近應(yīng)力最為集中，試驗亦證明此處為最先受到剪切斷裂。

c.應(yīng)力分析得出鋼管應(yīng)力沿管長度方向呈中間小兩頭大的馬鞍形分布。連接件尾部拉應(yīng)力較大，側(cè)向驗證了新型連接件的抗拉拔力效應(yīng)。

d.參數(shù)分析得出其他參數(shù)不變的情況下，抗剪性能隨連接件鋼管壁厚和鋼材強度均呈線性增長。

e.鋼管連接件尺寸設(shè)計時，為避免出現(xiàn)組合橋面板連接件的脆性破壞，鋼管壁厚值不應(yīng)選取過小。

f.不同的連接件壁厚有相應(yīng)的UHPC軸心抗壓強度的合理取值，超過此合理值，軸心抗壓強度增大對應(yīng)的承載力和抗剪剛度增幅不再明顯。鋼管外徑為40 mm，壁厚從3、4、5、6 mm變化取值，對應(yīng)的UHPC抗壓強度合理值分別為100、120、140、160 MPa。