任 鵬

(武漢理工大學 交通學院,湖北 武漢 430063)

0 引 言

現(xiàn)階段裝配式T梁在我國高速公路橋梁上應用十分廣泛，但是其施工中的縱向連接形式、拼接工藝與接縫處受力性能的研究卻沒得到很大的發(fā)展，導致使用階段的受力性能下降、結構穩(wěn)定性下降、連接處出現(xiàn)裂縫等問題。裝配式橋梁常用的新型縱向連接接縫形式除了常見的豎直接縫，還有斜接縫、L形或階梯形接縫、齒塊形接縫。

針對研究對象，首先分別對不同連接形式的橋梁利用ANSYS有限元軟件建模，分析結構關鍵部位的應力和撓度，研究結構縱向連接形式變化對結構力學性能的影響，通過比較得到各種連接形式的優(yōu)缺點，并從中選出較優(yōu)結構。本文研究對于裝配式T梁的設計與施工具有較好的參考價值。

1 裝配式T梁縱向連接模型

1.1 縱向連接形式介紹

根據(jù)已有裝配式橋梁縱向連接施工的采用情況以及現(xiàn)有規(guī)范、研究文獻，預制梁連接形式的常用和新型構造形式主要有以下幾種：豎直接縫、斜接縫、L形或階梯形接縫、齒塊形接縫，如圖1所示。

圖1 縱向連接接縫示意圖

豎直接縫：此為裝配式橋梁縱向連接最為常用的形式。連接處截面的剪應力主要由濕接縫承擔，由于相鄰預制梁截面的豎向變形與微小位移，連接處易出現(xiàn)較大的剪應力，這是此種接縫形式受到破壞的主要形式之一。

斜接縫：斜接縫的形式為傾斜狀平面，由于傾斜面的存在，剪應力將由預制混凝土T梁與濕接縫共同承擔。本文選擇10°的傾斜面進行研究。

L形或階梯形接縫：此接縫形式是在豎直接縫的基礎上增加階梯面，由于接縫的形式并不是完全豎直，剪應力由連接處相鄰混凝土共同承擔。本文選擇寬度為200 mm的二次階梯面進行研究。

齒塊形接縫：由于剪力鍵的存在，抵抗豎向變形的能力提高，且相鄰兩混凝土節(jié)段接觸面積大大增加，故其抗剪切變形能力較強。本文選擇齒鍵深度為75 mm的形式進行研究。

1.2 工程概況

以十堰經鎮(zhèn)坪至巫溪高速公路鮑峽至溢水段的40 m裝配式T梁橋為工程背景，此橋梁上部結構為變截面T梁，橫向布置5片T梁，截面尺寸如圖2所示。具體工程參數(shù)如下：

圖2 橋梁斷面圖(單位：mm)

混凝土：預制主梁及橫隔梁、濕接縫、封錨端、墩頂現(xiàn)澆段和橋面現(xiàn)澆混凝土均都采用C50型號混凝土，重力密度γ=26.0 kN/m3，彈性模量EC=3.45×104MPa。

瀝青混凝土：橋面鋪裝采用瀝青混凝土，重力密度γ=24.0 kN/m3。

預應力鋼筋：預應力鋼筋采用抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa、公稱直徑d=15.2 mm的低松弛高強度鋼絞線，彈性模量EP=1.95×105MPa，松弛系數(shù)ξ=0.3。

1.3 ANSYS有限元模型

本文將分別建立在裝配式T梁通過縱橫連接與施加二期恒載完全成橋狀態(tài)下的豎直接縫、斜接縫、L形或階梯形接縫、齒塊型接縫縱向連接形式的橋梁模型，對不同連接形式的受力性能做出對比分析。此ANSYS有限元建模重點為混凝土建模、預應力鋼筋建模與縱向連接的處理。

使用SOLID 95單元模擬橋梁的混凝土結構，此單元節(jié)點有X、Y、Z三個方向的平移自由度，并且SOLID 95單元可以充分適應混凝土結構的小變形、截面應力計算與剛度的要求。橋梁的混凝土結構有限元模型如圖3所示。

圖3 混凝土實體模型

為了保證計算結果的準確性，本模型嚴格要求預應力對于混凝土連接接縫的受力性能的影響，因此通過LINK 8單元建立鋼筋線形，采用“實體力筋法”模擬預應力鋼筋在混凝土結構中的作用。預應力鋼筋建模的實常數(shù)(其張拉應力為1 395 MPa)見表1。

表1 預應力鋼筋實常數(shù)

為了使縱向連接的濕接縫的受力性能區(qū)分于預制混凝土T梁，對接縫的相鄰混凝土采用約束方程法進行剛性連接，使相鄰的預制T梁在濕接縫截面自由度相同并且相鄰節(jié)點通過剛性連接，即受到的變形與應力相同，以此分析不同接縫形式下的接縫處力學性能。

2 縱向連接形式受力性能對比分析

2.1 有限元計算結果對比分析內容

本文進行了4種預制T梁的縱向連接形式的分析，為了使結果具有對比性與準確性，通過使用相同的建模方法，建立一個無連接接縫整體式T梁有限元模型來提供對照應力數(shù)據(jù)，使其數(shù)據(jù)作為類比項，其他接縫數(shù)據(jù)作為對比項，以此得到直觀可靠的力學數(shù)據(jù)分析結果。

通過對實際工程與有限元模型的對比分析，不同縱向連接形式的對比分析內容應為以下幾點：

(1) 裝配式T梁整體豎向變形分析；

(2) 連接接縫截面上下緣縱向正應力分析；

(3) 跨中截面上下緣縱向正應力分析；

(4) 連接接縫截面腹板剪應力分析。

2.2 受力性能對比計算分析

2.2.1 豎向變形分析

由不同連接形式的T梁豎向變形云圖(圖4)可知，其最大撓度值均發(fā)生在跨中附近位置，距離跨中截面偏向T梁端部1 m處。此成橋階段邊界條件下的T梁豎向變形值見表2。

圖4 豎向變形云圖

表2 各種連接形式下豎向變形值

此成橋階段的上拱值是為了使用階段而存在的。一般來說，上拱值越大，預應力混凝土T梁的壓應力儲備越大，對于之后使用階段的橋梁受力性能也會有一定的加強；但是，過大的上拱值，有可能在連接處或支座處產生過大的拉應力。因此橋梁變形需同時配合應力數(shù)據(jù)進行比較。

2.2.2 連接接縫位置縱向正應力分析

研究預應力混凝土T梁在不同連接接縫形式下的受力性能，連接處的應力特征為非常關鍵的參考依據(jù)。本文對連接處的上、下緣縱向正應力分別做出計算分析，通過查看不同接縫形式的模型的應力云圖(圖5)可知，不同連接接縫形式在連接處的應力分布與大小差別較大，是非常值得研究與對比分析的。

圖5 連接處縱向應力云圖

通過對裝配式T梁的連接處上緣與下緣的縱向正應力分析，其上緣為壓應力，下緣為拉應力。表3給出了各種連接形式的應力數(shù)據(jù)。

表3 連接接縫位置上下緣縱向正應力(單位：MPa)

為了更加形象地對比上述4種連接形式的上下緣縱向正應力的大小情況，將整體式作為類比項，其余幾種連接形式做對比分析，如果如圖6、圖7所示。

圖6 上緣縱向壓應力對比圖

圖7 下緣縱向拉應力對比圖

對于上緣縱向壓應力，斜接縫連接形式相對于其他連接形式，縱向壓應力減小幅度最大，其他連接形式，除了齒塊形接縫連接形式差別比較大之外，其余連接形式差別較小。 對于下緣縱向拉應力，斜接縫的下緣縱向拉應力最小，應力值較其他連接形式低了大約有9%；其他連接形式與整體式相比，都有2%到5%的減小幅度。

2.2.3 腹板最大剪應力分析

接縫處由于新舊混凝土受力性能的不同，而連接處還要承擔永久支座、負彎矩預應力鋼筋與橋面鋪裝等二期恒載帶來的外加荷載作用，因此連接處腹板的剪應力也為關鍵應力之一。表4給出了各個連接形式的腹板剪應力最大值。

表4 腹板最大剪應力(單位：MPa)

為了更加形象的對比上述4種連接形式的剪應力的大小情況，將整體式作為類比項，同其余幾種做對比，結果如圖8所示。

圖8 腹板最大剪應力對比圖

根據(jù)以上的剪應力變化與對比，斜接縫的腹板最大剪應力低了8%左右；齒塊形接縫的腹板最大剪應力高了2%左右。

2.2.4 跨中截面縱向正應力分析

不同縱向連接形式的跨中截面縱向正應力的變化對于橋梁整體受力性能的影響，可作為次要因素分析。表5給出了各連接形式下的跨中截面應力。

表5 跨中截面上下緣縱向正應力(單位：MPa)

上述圖表的數(shù)據(jù)分析表明，不同的接縫連接形式對于預應力混凝土跨中的上、下緣縱向正應力都存在一定的影響，但通過對比4種主要連接形式可知，其不同的連接接縫形式對于上、下緣的縱向正應力影響較小，但與整體式模型一定的差別。

2.3 對比分析結論

通過對連接處應力的分析得知，4種連接形式的應力變化規(guī)律相同，都為斜接縫應力較小，齒塊形接縫應力次之，其余差別不大。對應力云圖與變形云圖的分析得知，出現(xiàn)此原因主要有以下幾點：

(1) 斜接縫的獨特傾斜面有利于變形的釋放，其傾斜的截面使得濕接縫截面長度增加，相鄰混凝土的變形影響對其將會減小一些。

(2)斜接縫的應力通過靠重力相互擠壓的混凝土承擔一部分，濕接縫承受的應力較小，因此，無論是第一種邊界條件還是成橋之后，其連接處應力相比其他形式都較小。

(3) 齒塊形接縫由于齒鍵的作用，使得相鄰混凝土的連接更加緊密，其抵抗變形的能力也會有所提高；但是其上緣與下緣位置的部分接縫為豎直形式，因此其上下緣的受力性能較斜接縫要低一些。

(4) 階梯形接縫是通過階梯面來抵抗變形，與齒鍵的作用類似，但是因為形齒鍵的密集性，齒塊形接縫受力性能要優(yōu)于階梯形接縫。

綜上所述，結合施工難易等實際情況，本文認為斜接縫連接形式為改善裝配式T梁連接細部結構受力性能較優(yōu)的縱向連接形式。

3 結束語

本文對高速公路裝配式T梁的縱向連接形式與影響因素做出了計算分析研究，從而對實際裝配式T梁的縱向連接提出了一定的施工技術依據(jù)。本文主要使用ANSYS有限元分析軟件對40 m跨徑的裝配式T梁做出了有限元模擬分析，對不同濕接縫的縱向連接形式做出了對比計算分析，得到了以下成果：

(1) 改變連接形式，連接結構細部的關鍵應力(拉應力)都有至少2.5%的減小，說明不同的連接形式對于改善連接處的受力性能都具有一定的優(yōu)勢。

(2)斜接縫連接形式在各種細部分析中占據(jù)主要優(yōu)勢，相比于其他連接形式，拉應力與剪應力都同比減小了7%～8%；所以綜合考慮，斜接縫為此裝配式T梁的縱向連接形式的較優(yōu)選擇。

(3) 根據(jù)有限元模型結果分析了不同連接形式力學性能的表現(xiàn)原因，為設計施工提供了參考依據(jù)。