基于三维实体仿真的节段预制箱梁胶接拼装过程受力分析

燕超

（金台铁路有限责任公司，浙江 台州 318000）

近年来，国内公路交通行业采用节段预制胶接拼装技术修建了大量城市轨道交通桥梁，如杭州湾嘉绍大桥、南京长江第四大桥和广州地铁4 号线等，积累了丰富的设计和施工经验，但在铁路行业，胶接拼装方法应用研究相对不足[1-2]。目前在节段预制胶接拼装相关研究中多采用试验方法[3]，虽得到了一定的结论，但试验成本较高。本文结合实际铁路工程项目，基于ABAQUS 建立节段预制箱梁的三维实体模型，分析其在胶接拼装过程中的力学性能。

1 工程概况

台金高速公路铁路曲线梁桥箱梁采用单箱、单室等高度预应力混凝土简支箱梁，采用C60 混凝土，56 m预应力混凝土简支箱梁全长58.2 m，每跨13 个节段，12 个胶接缝，预制节段长度分为4.8 m、4.5 m 和3 m三种，梁高4.5 m，梁顶宽7 m，梁底宽3.6 m，梁顶横向设2%的排水坡，24 孔箱梁共有308 个节段，梁段最大质量约110 t，箱梁断面如图1 所示。

图1 节段箱梁断面图（单位：mm）

节段箱梁采用胶接拼装法施工，即在施工中相邻节段梁体之间不预留间隙，拼装时在相应的匹配表面涂抹一定厚度的环氧树脂胶，通过胶的粘接作用将节段预制梁体连接在一起，在初步拼装完成后最终调整线形。

2 三维实体仿真模型

2.1 混凝土本构模型

ABAQUS 中提供了3 种常用的混凝土本构模型：塑性损伤模型（CDP 模型）、弥散裂缝模型（CSC 模型）和脆性破裂模型（CBC 模型）[4]。为研究节段预制箱梁拼装过程中的受力行为，混凝土本构关系采用塑性损伤模型。

混凝土单轴受压、受拉应力-应变关系参考《混凝土结构设计规范》给出的分项表达式为：

混凝土单轴受拉应力-应变曲线分项表达式为：

为提高数值计算的收敛性能，实际模型中取单轴压缩弹性阶段终止于0.75fe，单轴拉伸弹性阶段则取至ft。单轴压缩状态下弹塑性段以及下降段、单轴拉伸状态下下降段仍按实际曲线取值。

2.2 有限元模型的建立

混凝土CDP 模型数据基于《混凝土结构设计规范》[5]计算C60 混凝土的塑性损伤模型参数。Q345 钢筋采用双折线模型。

根据试验梁的的实际尺寸，建立实体单元有限元分析模型。模型中混凝土单元类型采用C3D4（4 节点四面体线性单元），钢筋单元采用桁架单元T3D2，钢筋采用ABAQUS 中的嵌入约束，模拟钢筋和混凝土相互作用。混凝土及钢筋的实体模型如图2 和图3 所示。

图2 混凝土网格划分

图3 荷载及边界条件

本次模拟中，有3 片4.8 m 节段梁，每个节段间用环氧树脂胶粘结。结构胶在试验过程有如下特点及作用：接缝截面结构胶的厚度一般只有1～3 mm，相对于试验梁总长度其厚度可以忽略；另外，文献[6]也指出，接缝处若设置结构胶单元，模型在受力过程中结构胶单元的应力和应变均远未达其破坏值，同时结构胶单元的相对位移也可忽略不计，经对比，建立胶接层模型与不考虑胶接层模型计算相对误差在0.79%～8.59%之间，并且相对误差较大值仅发生在低应力状态。基于以上原因，模型中忽略了结构胶单元，将节段与节段间的接缝面用ABAQUS 中的绑定约束tie 来模拟。

边界和荷载的模拟建立3个4.8 m节段的胶结拼装有限元模型，边界条件设为两端简支，限制扭转，对中间梁端的四分线处施加40 mm 位移荷载，如图4 和图5 所示。

图4 箱梁节段间的tie 连接

图5 箱梁节段的加载边界和荷载的模拟

3 计算分析结果

梁段主拉应力及钢筋限元分析结果如图6 所示。由图6 可知，极限荷载作用下，箱梁节段主拉应力最大值均位于接缝底部，大小为2.89 MPa。接缝截面底部纵向钢筋不连续，对混凝土约束较为薄弱。

图6 梁体混凝土和钢筋有限元结果

混凝土斜向主拉应力也比较大，最大值出现在接缝附近。混凝土受拉塑性损伤最先出现在梁底，斜裂缝处，胶结缝处也出现了一定的受拉塑性损伤。钢筋跨中底部、斜裂缝、胶结逢底部钢筋也进入了塑性，呈现的塑性损伤情况与混凝土一致。

当荷载达到1 400 kN 的时候，荷载开始出现下降，表明梁段所能承受的最大荷载。当荷载达到1 200 kN时，梁底接缝附近的混凝土已经达到最大拉应力开裂，荷载还能继续加大到接近1 400 kN，而后出现下降段。提取接缝附近的单元应力，如图7 所示。分析可得出，接缝附近主拉应力最大，往两侧减小，因为荷载施加在跨中，因而靠近跨中侧主拉应力较大，下降较慢。

图7 接缝附近主拉应力变化

4 结论

本文基于ABAQUS 建立节段预制箱梁的三维实体模型，对其在胶接拼装过程中的受力进行分析，得到如下结论：①极限荷载作用下，节段箱梁混凝土受拉塑性损伤最先出现在梁底，斜裂缝处、胶结缝处也出现了一定的受拉塑性损伤。跨中底部、斜裂缝、胶结逢底部钢筋也进入塑性，呈现的塑性损伤分布与混凝土基本一致。②极限荷载作用下，胶接缝附近主拉应力最大，往两侧逐渐减小，靠近跨中侧主拉应力较大，下降较慢，施工中应重点关注节段箱梁的薄弱部位。