铰缝钢筋构造的改进与完善研究

陆文超 张俊海

(1．济南市市政工程设计研究院 (集团)有限责任公司合肥设计院，合肥230000;2．工程兵学院，江苏徐州221004)

在目前的小跨径桥梁中，装配式空心板简支梁由于施工的快速便捷以及低廉的造价而受到了广泛地使用。装配式桥梁，每根空心板梁通过现浇的企口式的铰缝实现横向装配，从而使空心板共同承受荷载作用［1］。为了达到共同受力的目的，铰缝的构造就显得尤为重要。目前投入使用的空心板梁中，由于企口铰缝的破坏而导致单板受力从而引发空心板桥破坏的比例占了很大一部分［2］。为了提高铰缝的强度和传递荷载的能力，通常采用深铰缝的铰缝形式。除了采用深铰缝之外，在铰缝中加入构造钢筋也是一种比较好的提高铰缝强度的形式。通常的铰缝构造钢筋的形式如图1所示，主要的构造钢筋由三种形式组成:第一是在铰缝底部添加的构造钢筋;第二是在空心板顶部伸出并在桥面铺装层内弯折的构造钢筋;第三是在铰缝内放置的交叉钢筋。本文通过探讨新的构造钢筋形式，以期找到能够进一步提高铰缝抗剪能力和荷载传递能力的钢筋布置形式。

图1 常见铰缝构造图

1 新型铰缝构造钢筋布置形式

新型的铰缝构造布置形式，在保留原有铰缝构造钢筋的基础上，再增加了位于铰缝上部的构造钢筋，新增的钢筋的布置图如图2a～2c所示。铰缝上部的构造钢筋分别向两侧倾斜布置，提高铰缝的抗剪能力，同时提高铰缝沿高度方向的整体性。

图2 铰缝钢筋布置图

2 新旧铰缝构造钢筋布置形式的有限元分析比较

为了比较采用新旧构造钢筋布置形式的铰缝的受力性能的差别，本文采用abaqus进行有限元的分析，通过有限元模拟来进行新旧钢筋布置形式的抗剪能力的比较。

通过参考已有的铰缝抗剪能力的实验［3］，确定建立推出铰缝试件的模型来进行铰缝抗剪性能的模拟。由于铺装层内钢筋和交叉钢筋对铰缝抗剪的影响较小，因此在建模时忽略，只考虑新增加的铰缝上部构造钢筋和铰缝下部的构造钢筋。有限元数值模拟共分为三种情形，模拟三种推出试件的模型:第一种铰缝与空心板之间无连接钢筋，位A组;第二种铰缝与空心板之间按照现有空心板通用图纸进行设计，即具有铰缝下部的连接钢筋，为B组;第三种，铰缝同时具有下部和上部的构造钢筋，铰缝上部构造钢筋与水平夹角为45°，为C组。本次模拟的主要目的不在于求出各个情况下确切的铰缝抗剪能力值，而在于通过在相同的材料、边界等条件下对三种不同设计的铰缝与空心板的界面抗剪能力进行比较，从而得出比较优秀的设计。有限元模拟建立1/2对称模型进行模拟，模拟一组铰缝钢筋的情况。三种推出试件的有限元模型如图3～图5所示。

图3 模型整体图

图4 B组连接钢筋布置图

在abaqus中C50混凝土采用C3D8R单元进行模拟，本构关系选择弹塑性模型进行计算，不考虑混凝土的塑性损伤。受压时假定f＜0.7fc时混凝土处于弹性阶段，弹性模量取相应点上的割线斜率，即E=2.86e5 Mpa。R235连接钢筋采用beam单元进行模拟。钢筋的本构模型采用较为常用的理想弹塑性模型进行模拟。钢筋通过embedded关系嵌入混凝土中，钢筋的x、y、z方向的平动自由度被混凝土限制，即不考虑钢筋与混凝土之间的相对滑移。由于本次有限元模拟的目的主要在于考虑铰逢与空心板界面上的抗剪能力，因此采用分离式模型是可靠的。铰逢与左右块体的接触关系通过abaqus中Interaction模块的接触进行模拟，由于铰逢与左右块体的粘接关系涉及新老混凝土粘接关系，牵涉到黏聚力的问题，应由试验或经验确定，目前并没有完善的理论计算公式［4］。本次数值分析目的并不在于确定新型铰逢的确切的抗剪能力值，而是在于通过定性的模拟来对新型铰逢与现有铰逢的抗剪能力进行比较。因此在本次模拟时，只考虑混凝土之间的摩擦，忽略混凝土之间的黏聚力。本次模型采用位移加载。在进行网格划分时，将关注的铰缝与左右块体的接触面周围进行细分，采用密网格。而对左右块体本身进行粗划分，使用较粗的网格，以此到达加快计算速度的目的，模型具体网格划分如图8所示

图5 网格划分图

在本模型中，对铰缝的抗剪强度进行简化计算，取P/A作为抗剪能力值，其中P为破坏荷载，A为铰缝与一侧混凝土块的结合面面积。因此试件破坏时施加在一侧块体上的荷载越大，则表明界面上的抗剪强度越大，因此使用荷载——位移曲线来对三个方案进行对比。A、B、C三组的荷载——位移曲线如图6(横坐标为位移mm，纵坐标为荷载N)。其中荷载为施加在右边块上的荷载，而位移为右边块的竖向位移。且由于一侧边块固结，且铰缝竖向位移很小，右边块的竖向位移与铰缝和右边块的相对滑移接近，因此将上图的竖向位移值近似的看作是铰缝与右侧边块的相对滑移值。

图6 荷载——位移曲线图

由上图可见，三组试件的抗剪强度A组＜B组＜C组。B组和C组模型的曲线都位于A组的上方，即B组和C组模型的滑移值随剪应力增长的速度比素混凝土模型慢。这说明铰缝内抗剪钢筋对抗剪试件的力学行为有显著的影响，提高了铰缝的抗剪能力的，同时也提高了铰缝的刚度。并且通过上图还能看出采用新的方案 (C组)，即增加铰缝上部的钢筋比采用现有方案 (B组)配置钢筋能够大大的加强铰缝与空心板界面上的抗剪能力。这说明了新的钢筋方案对于提高铰缝的抗剪能力有很大的帮助。

3 新型钢筋构造的初步参数分析

由上一节的有限元模拟可知，在铰缝上部配置钢筋的确能提高铰缝的抗剪强度。因此接下来对上部配置的钢筋的参数进行初步的设计分析。初步考虑可能影响铰缝抗剪能力的因素有上部连接钢筋的倾斜角度，连接钢筋距离顶部的距离等。因此仍然采用上一部分的有限元模型，变化上部钢筋与水平面的倾斜角度以及上部钢筋距离顶部的距离，对比分析不同条件下的铰缝抗剪能力。关于倾斜角度的参数分析共7个模型，关于距离顶部距离的参数分析共有三个模型，有限元模型的编号见表1和表2。

表1 验证倾斜角度模型编号表

表2 验证距离顶部距离模型编号表

仍旧采用荷载——位移曲线来描述铰缝的抗剪能力，有限元分析的结果见图7和图8。其中倾斜角度为60°时，第一次迭代不收敛，因此未得到最后结果。通过参数分析可以看到，随着倾斜角度的增大，铰缝破坏时的滑移值几乎没有变化，同时铰缝的抗剪能力大致呈先增大，后减小的趋势。当倾斜角度为75°时，铰缝的抗剪能力最大。同样随着距离顶部距离的变化，铰缝破坏时的滑移值也几乎没有变化，而且当距离顶部为200 mm时，铰缝的抗剪强度最大。

通过上述初步的有限元分析，初步判断当倾斜角度为75°，且距离顶部为200 mm时，新型的铰缝构造钢筋布置方案能获得最大的抗剪能力。

图7 不同倾斜角度的荷载——位移曲线图

图8 不同距离顶部距离的荷载——位移曲线图

4 结语及展望

通过对新旧的铰缝钢筋配置方案进行有限元模拟，证实了在铰缝中配置构造钢筋能够提高铰缝的抗剪强度，且新的铰缝钢筋配置方案比以往的方案提高的抗剪强度更多。

通过有限元模拟，对新的铰缝钢筋配置方案中的倾斜角度和距离顶部距离这两个参数进行了初步的设计，并且初步判断了最佳的倾斜角度为75°，最佳的距离顶部距离为200 mm。

在之后的研究中，依据有限元的分析结果，设计实验方案，进行铰缝推出试件的实验，通过实验得到更加精确的结果，从而为新型的铰缝钢筋布置提供更加有效的依据，并得出铰缝抗剪强度的简化计算公式。

［1］卫军，李沛，徐岳，等．空心板铰缝协同工作性能影响因素分析［J］．中国公路学报，2011(2):45－47．

［2］魏洋，胡胜飞，吴刚，等．压浆修复桥梁铰缝技术模型试验与分析［J］．世界桥梁，2014(6):82－83．

［3］张婷．混凝土空心板铰缝病害及防治措施研究［D］．南京:东南大学，2011．

［4］刘沛林．装配式钢筋混凝土简支板梁桥铰缝受力性能研究［D］．北京:清华大学，2010．