波纹钢腹板组合箱梁桥PBL剪力连接件研究

周翔海，杜 娟

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074;2.宿迁学院 建筑工程系，江苏宿迁223800)

0 引言

波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁是国内外新兴的一种桥梁结构形式。波纹钢腹板是以波形钢板代替混凝土箱梁的腹板。它可以看成是由混凝土顶底板、体外预应力筋和波纹钢腹板三者构成的组合结构，是对传统的体外预应力混凝土箱梁的一种改进。它充分利用了波纹刚腹板抗剪能力强，混凝土抗压强度高的优点，结构受力合理，与普通钢筋混凝土箱梁相比具有更加明显的经济效益，符合桥梁结构轻型化的发展。是一种新型的钢一砼组合结构，由于其良好的受力性能在日本和欧美已得到了广泛应用。

1 波纹钢腹板箱梁PBL连接件特点

PBL连接件特别适合于波纹钢腹板箱梁一一将波纹钢腹板埋入混凝土翼缘板并打孔穿入钢筋形成连接件可无需额外焊接带状钢板。除了在波纹钢腹板箱梁结构中应用较多外，PBL连接件在钢筋混凝土组合梁、索体系桥梁桥塔、大跨度桥梁主梁钢一硅结合段等处都得到了应用。连续施焊的剪力连接钢板带的焊接施工很方便，与栓钉连接件等单体连接件相比，其焊接的可靠性要高得多。通过混凝土棒状桦的这种形式连接使得PBL连接件不存在其他连接件(如栓钉连接件和型钢连接件等)所存在的焊接疲劳问题，抗疲劳性能极好，基本不需要特别考虑连接件的疲劳问题。

2 PBL剪力连接件有限元分析

2.1 有限元模型

2.1.1 有限元模型的建立

PBL连接件推出实验模型包括四个组件:推出实验钢筋混凝土试块、PBL连接件穿孔钢板、加强钢筋和加载平板。模型全部组件采用国际单位制(m，Pa，N)按照实验中的真实尺寸建模，如图 1a，b。PBL连接件的基本模型为不含加强钢筋的PBL连接件推出实验模型，进行参数分析时将模型的对应部分进行适当编辑即可方便的得到所需模型。

2.1.2 模型组件单元选择、材料参数与网格划分

(1)模型单元选择

模型根据研究的内容和特点，分别为三维实体组件选择了C3D8R单元(两种连接件的混凝土组件、连接钢板和PBL连接件的加强钢筋)。

(2)网格划分

连接件模拟过程中，特别是接近破坏的时候，混凝土棒状桦及其周围混凝土的局部应力会达到或超过其极限值，这一过程中材料.会发生塑性变形、形成微裂缝。为了提高计算的收敛性，必需合理规划模型。经过细致规划的组件在网格划分时采用了结构化算法，划分出的六面体网格均质量良好(如图1)。混凝土推出试件的混凝土棒状桦与靠近棒状桦附近区域局部加大了网格密度，使得划分出的单元尺寸接近混凝土骨料粒径。其他应力较小的部分网格划分较粗。

(3)材料参数设置

在PBL连接件有限元模型中，考虑了混凝土与加强钢筋的材料非线性。连接件钢板则被视作理想弹性材料。在弯筋连接件模型中，考虑了混凝土与波形弯筋的材料非线性。焊接波形弯筋的钢翼缘板被视作理想弹性材料。混凝土的材料非线性模拟采用了损伤塑性模型，而钢筋的材料非线性模型采用了理想弹塑性模型。

图1 连接件的基本模型

2.1.3 荷载与边界条件

为了能够模拟连接件达到最大承载力后的卸载行为，实验荷载采用位移法施加同时配合Riles算法。在连接件钢板顶部设置一解析刚体组件模拟加载台，位移荷载定义在刚体组件的参考点上。在混凝土推出试件组件底部设置U2方向约束模拟实验中铺沙的加载台支撑面。在剪力件钢板的对称中心面上设置对称约束。

2.2 有限元模型计算结果及分析

PBL连接件有限元分析结果图2、图3给出了孔径为30mm的PBL连接件的一个混凝土棒状桦和穿入其中的加强钢筋在极限荷载时的应力应变情况。

图2 PBL连接件混凝土棒状桦和加强钢筋Mises应力云图

图3 混凝土棒状桦的塑性应变(PEEQ)

混凝土棒状桦在剪力作用下的受力类似于两端固结并承受不均匀压力的圆形截面深梁。圆心平面以上混凝土的应力状态为三向受压。圆心平面以下混凝土的应力状态为两向受拉一向受压，但应力水平远小于承受接触压力的圆心平面以上部分混凝土的应力。混凝土棒状桦最先在合理剪切面上靠近圆心平面偏下的位置处产生塑性变形。随着荷载的增加，合理剪切面上的混凝土塑性应变也随之增加并扩展到整个合理剪切面上。当合理剪切面上塑性应变平均达到约0.002左右时，有限元分析由于不收敛而终止。

2.3 PBL连接件连接件实验分析

2.3.1 实验准备

实验采用了剪力连接件实验中常用的推出实验方法对PBL和弯筋两种连接件进行了测试。其中PBL连接件按照钢板穿孔直径的不同分为3组，每组4个(2个穿钢筋试件以及2个不穿钢筋的对比试件)，共12个。波形弯筋连接件试件1组共2个。试件的设计参考了已有研究的经验，主要目的是研究连接件在剪切荷载作用下的破坏形态、抗剪承载力、滑移量等力学性能。

2.3.2 实验方案

实验前在加载台上先均匀的铺一层细沙以消除摩擦力的影响，之后分别将连接件试件、传力钢板、压力传感器等依次安置好。实验时推出荷载逐级施加，每级荷载约为50kN，加载速率约为10kN/min。每级加载达到预定荷载时，保持该荷载5分钟，使变形充分。实验数据采集除自动采集装置外还配合了手工记录，以确保采集每级荷载下的实验数据。反复加载直到试件破坏，即加载装置自动回油卸载，该试件实验结束。

2.3.3 PBL连接件实验结果及分析

PBL连接件推出实验现象及分析有无加强钢筋的连接件的典型荷载与滑移曲线图见图4。实验中，所有的PBL连接件试件无论是否带有加强钢筋，都表现出了良好的抗剪承载力。

图4 连接件推出实验典型荷载一滑移曲线

(1)带加强钢筋的PBL连接件 全部6个带加强钢筋的PBL连接件在达到预设的加载位移前(连接件钢板带前端与混凝土接触)均保持了60～80%最大抗剪承载力。可见带加强钢筋的PBL连接件具有良好的延性。

在加载过程中，试件沿连接件钢板带出现裂缝。裂缝随推出荷载增加逐渐加宽，破坏时最宽者可达5mm。实验中部分试件在滑移量超过30mm左右时，抗剪承载力数值突然增加，这是由于连接件钢板带抵住试件预留加载长度顶端混凝土所致，而并非连接件抗剪能力增加了。

(2)无加强钢筋的PBL连接件

无加强钢筋的PBL连接件在达到最大抗剪承载力前的力学行为与带加强钢筋的PBL连接件基本相同，但其后的力学行为相差较大。达到最大抗剪承载力后，无加强钢筋的PBL连接件的抗剪承载力迅速降低至40%左右。由于无加强钢筋，混凝土棒状桦开裂且混凝土与钢板间原生胶结作用失去后，仅混凝土与钢板间的摩擦作用可为连接件提供一部分较小的抗剪承载力。但由于开裂后的混凝土棒状桦会与周围混凝土沿开裂面形成新的摩擦面，且开裂面上混凝土骨料间摩擦力较大，因此无加强钢筋的PBL连接件仍可保持一部分抗剪承载力。

3 结论

通过有限元分析与实验研究的方法，分析了PBL连接件的受力过程和破坏形态，确定了构造合理的PBL剪力连接件的破坏形态，研究过程中考虑了混凝土的材料非线性，获得了所研究剪力连接件从开始受力到破坏阶段应力的发展过程、荷载滑移曲线、极限承载力，揭示了其破坏机理和破坏形态。将实验实测数据与有限元分析结果进行了比较，吻合较好，验证了有限元分析结果的正确性。在设计波纹钢腹板箱梁时，应对其剪力连接件引起足够重视，根据我国规范的要求仍需进一步研究，为国内的设计单位提供完整、实用的设计方法。

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