波形钢腹板PC组合箱梁剪力连接件力学性能研究

严 涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

如今，波形钢腹板箱梁桥已经得到了广泛的应用，这种组合梁的受力性能不仅与使用的材料性能有关系，并且同剪力连接件的材料及构造形似有很大的关系。

本文首先介绍了两种不同类型的剪力连接件，对于依托的工程进行局部的实体模型建立，对比了两种剪力连接件对于组合梁力学性能方面的影响。

1 常用剪力连接件

通常情况下，剪力连接件大致分为三种不同的类型，一种是翼缘型，一种是嵌入型，最后一种是复合型(即上述两种类型的结合)。随着波形钢腹板PC组合箱梁在实际中的广泛应用，目前，在实际工程中主要采用S-PBL+栓钉形式和Twin-PBL形式。

2 剪力连接件建模

2.1 建模单元及材料

2.1.1 建模单元

受限于整桥实体建模计算量的巨大，本文仅对剪力连接件的关键部位进行实体建模，在建模的过程中，采用单元库中的SOLID65和SOLID45分别进行混凝土和钢筋的模拟。

2.1.2 网格划分

一般情况下，在钢板的开孔处及混凝土榫柱附近会出现应力集中的情况，所以应当重点关注上述位置的网格划分，可以使用自由的网格进行一定的加密，而对于其余的部分可以使用映射网格进行较粗的划分。

2.2 边界条件和接触分析

在本文中，混凝土榫柱与开孔钢板和贯通钢筋两种接触位置都采用了刚体-柔体接触单元进行接触的模拟。

3 静载推出试验有限元分析

3.1 荷载-滑移曲线分析

通过荷载-滑移曲线能够得到抗剪刚度、承载力和延性系数等剪力连接件参数，对于上述参数进行研究便可以得出PBL连接件的承载与破坏的机理。

3.1.1 线性阶段

分别选取了S4和T4两种模型在4个孔洞关键位置的荷载-滑移曲线，其孔洞的编号顺序：由小到大表示加载钢板到构件的底部位置。当S-PBL连接件和Twin-PBL连接件所施加的荷载分别低于900 kN和1 200 kN时，两种不同的连接件的滑移量是0.16 mm和0.19 mm，由此可见，两者产生的滑移量均是比较小的，混凝土在这个阶段不会发生破坏。

3.1.2 弹性阶段

连接件依靠混凝土榫柱和贯通钢筋进行剪力的抵抗。在施加荷载的过程中，由于荷载由小变大，贯通钢筋的抗剪能力要比榫柱大的多，因此榫柱会首先进入塑性的状态。在此种情况下，贯通钢筋仍处于弹性的阶段。此阶段仍然是线性阶段。

3.1.3 塑性阶段

随着施加荷载的进一步的增大，剪力连接件中的钢筋进入了塑形的状态，在这个阶段混凝土榫柱已经完全破坏。荷载-滑移曲线已经表现出了明显的非线性的特征，在相同的条件下，S-PBL+栓钉连接件的抗剪能力要弱于Twin-PBL连接件。

3.2 应力分析

对于S5模型与T5模型施加一样的荷载作用，对比分析其应力的分配情况。

3.2.1 整体钢构件应力

对于两种不同的连接件在整体上的应力分布，进行对比分析可以得出，Twin-PBL连接件的受力更加的均匀，在钢板的开孔处出现了较大的应力集中，仅仅在底部处的栓钉表现出应力的增大。

3.2.2 开孔钢板应力

分析两种开孔钢板的应力云图可以得出：S-PBL+栓钉连接件钢板在其开孔、顶部及底部位置出现了明显的应力集中，有些位置已经进入了屈服状态；而Twin-PBL连接件的应力分布比较均匀，仅在个别的位置出现了应力集中的现象。因此Twin-PBL连接件的受力状态要明显的好于S-PBL+栓钉连接件。

4 剪力连接件力学性能分析

4.1 依托工程概况

本文依托工程背景的跨径是(88+156+88)m。采用的截面形式是单箱单室，使用直腹板。

4.2 局部模型的建立

4.2.1 有限元模型

因为模型的网格划分较多，采用整体建模的话会有巨大数量的单元，一次计算过程会耗费大量的时间，选取波形钢腹板PC组合梁的16 m等高节段进行有限元的实体建模，由此发现一些具有规律的结论。模型使用悬臂的方式进行荷载的加载，即节段的一侧采用平截面假定，另外一侧采用梁端固结(图1、图2)。

图1 节段有限元模型

(a)S-PBL连接件

(b) Twin-PBL连接件图2 两种连接件模型

对于模型的单元划分使用了自由网格划分的方式，在钢板的孔洞位置及栓钉位置都使用了加密的网格划分，由此确保模型的计算精度。S-PBL+栓钉连接件模型共有847 851个单元，101 670个节点；Twin-PBL连接件模型共有288 651个单元，75 785个节点。

4.2.2 计算荷载

通过Midas Civil所建立的全桥的单梁模型进行梁端荷载分析结果的读取。通过Midas FEA所建立的节段的实体模型进行梁端荷载、移动荷载及恒载的读取。依据规范对于梁端的荷载进行一定的组合，其荷载的组合系数如下表1。

对于表1中的不同工况分别进行计算，得出在工况7的荷载作用下，组合梁的节段实体模型会出现最不利的应力。最不利的工况下，最大弯矩为47 800 kN·m，最大剪力为-3 172 kN，轴力为97 400 kN(表2)。

表1 荷载组合

对于移动荷载与二期恒载的加载，可以将其直接作用于箱梁的顶面位置。移动荷载的纵向加载位置可以依据整桥的计算模型得出的内力包络图进行确定。

表2 不同工况对应梁端荷载

4.2.3 局部模型受力分析

由图3可以看出，虽然钢腹板使用两种不同类型的连接件，但是其Mises应力云图所呈现出的规律是基本相似的。在钢腹板与底板接触的位置位置出现了最大的应力，因为在此部位采用的是埋入式的连接形式，混凝土的齿块对于钢腹板具有一定的嵌固作用，使得此部位的应力比较大。在整体上来看，其是向着梁端逐渐变小的。

(a)S-PBL连接件

(b) Twin-PBL连接件图3 波形钢腹板Mises应力云图

在施工阶段，悬臂梁在底板和顶板位置分别存在受压和受拉的情况。由图4看出，采用两种不同的剪力连接件，在底板的根部部位均出现了最大的压应力，数值分别是22 MPa和25 MPa。在梁端处，其应力均处在12 MPa左右，数值比较小，并且均在规范要求的范围之内。

(a)S-PBL连接件

(b) Twin-PBL连接件图4 底板主压应力云图

由图5、图6得出，在两种不同的模型中顶板束的预应力值是基本相同的，其是由于在局部模型中轴向力要远远的大于预应力钢束上的轴线力，并且在贯通钢筋的位置，其应力也相差很小。

(a) Twin-PBL连接件

(b) Twin-PBL连接件图5 预应力钢束应力云图

(a) Twin-PBL连接件

(b) Twin-PBL连接件图6 贯通钢筋应力云图

5 小结

(1)PBL剪力连接件在进入极限状态以后，贯通钢筋发挥了较大的承载作用，而PBL剪力连接件在弹性状态，榫柱发挥了较大的承载作用。

(2)使用多排和多列剪力连接件的时候，其承载能力不是线性叠加，并不是所有的剪力键均发挥了作用，采用3～5排剪力键为宜。