鐘錳軍，黃程亮，左海平，賴世錦

（1.柳州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545616；2.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

鋼-混組合梁因其能充分發(fā)揮混凝土抗壓性能以及鋼材抗拉強(qiáng)度高、塑性好的優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而傳統(tǒng)的鋼-混組合梁的負(fù)彎矩區(qū)混凝土易開(kāi)裂等缺陷一直困擾該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。針對(duì)此問(wèn)題，有學(xué)者通過(guò)在負(fù)彎矩區(qū)施加預(yù)應(yīng)力筋等方法來(lái)改善混凝土的抗裂性能和提高組合梁的剛度，但同時(shí)也容易導(dǎo)致鋼梁發(fā)生屈曲等問(wèn)題[2]。

因此，學(xué)者們開(kāi)始尋找新型材料來(lái)替代普通的混凝土。超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）由于其內(nèi)部鋼纖維的橋聯(lián)作用，能夠有效抑制裂縫的發(fā)展[3]，具有更高的抗拉強(qiáng)度和韌性，能從材料屬性解決負(fù)彎矩區(qū)混凝土易開(kāi)裂的問(wèn)題，在橋梁工程領(lǐng)域越來(lái)越受到青睞。學(xué)者們對(duì)正交異性鋼橋面與UHPC 組合橋面結(jié)構(gòu)、PK 截面與UHPC 的結(jié)合、鋼-UHPC輕型組合梁等方向進(jìn)行研究，結(jié)果表明，UHPC 替代普通混凝土可以很好地控制負(fù)彎矩區(qū)的開(kāi)裂[4]。目前的研究中對(duì)于鋼-UHPC 組合梁的負(fù)彎矩區(qū)的受力情況及參數(shù)分析涉及較少，有必要進(jìn)一步研究?；诖?，本研究基于有限元模擬方法，探究了鋼-UHPC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)在UHPC 材料、配筋率和型鋼強(qiáng)度等因素下的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文對(duì)Bo Xu 等[5]開(kāi)展的鋼-UHPC 組合梁（工況UH PC-2）試件進(jìn)行有限元分析。試件設(shè)計(jì)相關(guān)信息如圖1所示[6]。鋼梁采用工字鋼，翼緣寬度為125mm，厚度為9mm；腹板高度為107mm，厚度為6.5mm，在支撐和荷載加載處設(shè)置8mm 厚的加勁肋。鋼梁長(zhǎng)度為2000mm，計(jì)算跨度為1800mm。栓釘?shù)闹睆胶透叨确謩e為16mm 和70mm，間距為100mm，分兩列布置。UHPC 橋面板的截面尺寸為300×90mm，長(zhǎng)度為1900mm。UHPC 橋面板縱向鋼筋由4 根直徑為8mm 的HRB400 級(jí)鋼筋制成，箍筋采用直徑為8mm 的HRB400 級(jí)鋼筋，間距為100mm。加載圖如圖2 所示[7]。

圖1 試件橫剖面（單位：mm）

圖2 試件加載圖（單位：mm）

1.2 材料性能

試驗(yàn)測(cè)得UHPC 立方體抗壓強(qiáng)度為123MPa，HRB400級(jí)鋼筋的材料力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示[8]。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS 有限元軟件建立了鋼-UHPC 組合梁的有限元模型，模型如圖3 所示。采用T3D2 單元對(duì)鋼筋進(jìn)行建模，采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體實(shí)體單元對(duì)橋面板、鋼梁和栓釘進(jìn)行建模。所有鋼筋及栓釘嵌入在UHPC 橋面板內(nèi)，抗剪栓釘采用“TIE”命令與鋼梁進(jìn)行綁定。模型中鋼梁和UHPC橋面板采用20mm網(wǎng)格，栓釘采用5mm網(wǎng)格。

參考以下UHPC 拉伸[9]及壓縮本構(gòu)方程[10]，分別如公式（1）和公式（2），本文采用CDP（塑性損傷）模型來(lái)模擬鋼-UHPC 組合梁的力學(xué)行為。

采用理想彈塑性的本構(gòu)模擬HRB400 級(jí)鋼筋及工字鋼梁的力學(xué)行為。

3 有限元模型驗(yàn)證

通過(guò)有限元分析，提取鋼-UHPC 組合梁的荷載-跨中撓度曲線，并與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示。分析圖4 可發(fā)現(xiàn)，有限元模擬的組合梁剛度略大于試驗(yàn)結(jié)果；有限元模擬屈服荷載值為159kN，試驗(yàn)屈服荷載值為149kN，有限元模擬結(jié)果略高于試驗(yàn)值，這可能是由于在進(jìn)行有限元分析時(shí)未考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移，但總體上模擬的載荷-位移曲線仍然與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相吻合的，驗(yàn)證了本文所建立的有限元模型可以較好地分析鋼-UHPC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)受力性能。

圖4 有限元分析與試驗(yàn)荷載撓度曲線對(duì)比

4 鋼-UHPC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能影響因素分析

本文基于有限元分析來(lái)研究不同橋面板縱向鋼筋配筋率以及工字鋼梁強(qiáng)度等主要因素對(duì)鋼-UHPC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能的影響。

4.1 橋面板縱向鋼筋配筋率

通過(guò)有限元分析了配筋率，分別為0.74%、1.24%、1.74%、2.24%條件下鋼-UHPC組合梁負(fù)彎矩區(qū)彎曲性能，其荷載-跨中撓度曲線如圖5 所示。由圖5 可得，組合梁的承載能力隨著配筋率的增大而增大，配筋率從0.74%提高到1.24%時(shí)，增幅比較明顯，之后隨著配筋率的增大承載能力的增幅減小。因此，建議在工程設(shè)計(jì)中滿足配筋率要求即可。

圖5 配筋率影響下的荷載-撓度曲線

4.2 工字鋼梁強(qiáng)度

以文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)組合梁為基準(zhǔn)，只改變鋼梁的強(qiáng)度，分別取250MPa、290MPa、330MPa 和370MPa 的鋼梁強(qiáng)度來(lái)研究該組合梁負(fù)彎矩區(qū)力學(xué)性能。通過(guò)有限元分析其荷載-跨中撓度曲線如圖6 所示。由圖6 可知，鋼-UHPC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力隨著鋼梁的承載能力增大而增大，可見(jiàn)鋼梁強(qiáng)度對(duì)組合梁的彎曲性能影響較大。

圖6 工鋼梁強(qiáng)度影響下的荷載-撓度曲線

5 結(jié)論

本文通過(guò)有限元模擬分析了鋼-UHPC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的受力性能，同時(shí)分析了不同HHPC 強(qiáng)度、配筋率及鋼梁強(qiáng)度等因素對(duì)組合梁受力性能的影響，得到以下結(jié)論：

1.通過(guò)有限元模擬的荷載-撓度曲線及破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

2.組合梁的承載能力隨著配筋率的增大而增大，但配筋率增大到一定程度后組合梁的承載能力提高不明顯。

3.隨著鋼梁強(qiáng)度的增大，鋼-UHPC 組合梁負(fù)彎矩區(qū)的承載力提升較為明顯。