钢板组合梁构件退化对结构敏感性分析

李阿坦,赵先民,杨 洋,付书林

(1.安徽交控道路养护有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽省七星工程测试有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年来,安徽省积极响应国家与行业的发展规划,在高速公路建设中陆续推广应用组合梁桥结构。钢板组合梁已应用于济祁高速、北沿江高速、池祁高速、合枞高速以及芜黄高速公路等工程。随着在役钢板组合梁桥在安徽省高速公路中逐渐增加,钢板组合梁桥的长期性能、构件退化规律对结构影响等一些关键问题亟待解决。

相关学者对钢板组合梁结构的参数敏感性展开了一定的研究。邢云等[1]采用敏感性分析方法对非对称组合梁斜拉桥在转体施工过程中的关键参数进行了分析研究,研究表明:斜拉索的初始张拉力对主梁内力和位移均有很大影响。张俊民等[2]采用可靠度方法对钢-混组合梁桥抗弯承载力的敏感因素进行了分析,研究表明:腹板高度、桥面板宽度和底板厚度对可靠度影响最为显著。石雪飞等[3]通过有限元法对双工字钢组合梁桥钢梁的设计参数进行了敏感性分析,并根据用钢最小原则确定了钢梁的合理梁高。现有组合梁结构参数敏感性分析的研究大多集中在设计及施工过程中,对于组合梁结构在后期运营管理中各项参数退化敏感性的研究相对缺乏。

基于安徽省双主梁钢板组合梁建设后管养需求,依托现有钢板组合梁桥实际工程,针对钢板组合梁构件退化参数对结构性能影响进行敏感性分析,明确影响钢板组合梁整体性能的构件退化主要因素及影响规律。

1 钢板组合梁退化规律及因素分析

钢板组合梁是由钢板梁、混凝土板、剪力连接件组成的新型结构,其构件性能退化也与混凝土结构的退化、钢结构的退化有关联。

1.1 钢板组合梁构件一般退化规律

(1)混凝土桥面板的退化规律

混凝土桥面板的退化主要表现为混凝土的开裂剥落、钢筋锈蚀,车辆荷载引起的构件疲劳损伤[4]。混凝土碳化、氯离子侵蚀是引起混凝土劣化的主要原因,并将进一步引起钢筋锈蚀以及钢筋与混凝土粘结性能的退化。

(2)钢梁的退化规律

钢梁退化一般表现为表面防护层的逐渐消失并引起的钢结构锈蚀,均匀锈蚀深度与时间大致呈幂函数分布关系[5],见公式(1)

C=AtB

(1)

式中:C为锈蚀深度,μm;t为结构在役时间;A、B为相关系数。

相关研究表明,钢梁锈蚀主要发生在腹板下缘Ha范围内和下翼缘上表面,而近端部腹板全断面在Lb范围内锈蚀也较为严重[6]。

(3)剪力键的退化规律

钢板组合梁剪力键的锈蚀主要表现为剪力键截面的局部点蚀,随时间变化将引起抗剪承载力的逐渐降低[7],剪力键锈蚀后模型见图1。

图1 剪力键截面锈蚀简图

栓钉锈蚀后的抗剪承载能力Pd为公式(2)

Pd(ρ)=m(ρ)×ρd(0)

(2)

式中:m(ρ)为承载能力折减系数;ρ为剪力键截面锈蚀率。

1.2 敏感性因素分析

基于桥梁检测结果对在役钢板组合梁易损构件进行评估,以便更好完成桥梁后续养管工作。钢板组合梁上部结构中, 主要易损构件包括: 预制桥面板、混凝土湿接缝、剪力键、钢主梁、钢横梁等。分别对上述构件不同退化情况的敏感性展开分析,主要分析项目如下。

(1)钢主梁:锈蚀面积、锈蚀深度。

(2)钢横梁:锈蚀面积、锈蚀深度。

(3)预制桥面板:开裂后退化程度。

(4)混凝土湿接缝:开裂后退化程度。

(5)剪力键:锈蚀程度。

2 敏感性分析模型

2.1 有限元模型

利用ANSYS建立钢板组合梁有限元模型。

有限元模型中,钢梁、混凝土桥面板分别采用壳单元SHELL 63、实体单元SOLID 45;钢梁与混凝土桥面板间剪力键采用弹簧单元COMBIN 14。钢材为Q345,弹性模量2.1×105MPa,密度7 850 kg/m3,泊松比0.3;混凝土为C55,弹性模量3.55×105MPa,密度2 600 kg/m3,泊松比0.2。

敏感性分析过程中,仅考虑钢板组合梁结构自重对结构受力的影响,通过比较钢梁变形等关键参数以区分各敏感因素的影响程度。

2.2 不同退化情况的模拟

(1)钢梁退化的模拟

在钢梁退化敏感性分析过程中,通过改变钢梁壳单元的类型及对应实常数的方式,模拟不同钢梁锈蚀面积;通过改变钢梁锈蚀区域壳单元厚度的方式,模拟钢梁锈蚀后剩余截面积。

此外,模型中认为混凝土桥面板与钢梁之间不存在粘结滑移,模型中弹簧单元的刚度取为无限大,以保证对应位置处模拟桥面板与钢梁间的刚性连接。

(2)桥面板退化的模拟

相关研究表明,在弹性范围内混凝土抗压强度越大其弹性模量越大,钢筋混凝土结构存在退化后其抗压能力降低[8]。因此,通过改变混凝土材料弹性模量的方式模拟混凝土桥面板的不同退化程度。

(3)剪力键退化的模拟

在剪力键受损的情况下,混凝土桥面板与钢梁之间可能存在一定粘结滑移[9]。因此,通过降低弹簧单元刚度的方式,使桥面板与钢梁在受力变形后出现相对微小的变形差。

3 敏感性计算结果与分析

分别对钢梁、桥面板、剪力键在不同退化程度的情况下,对钢板组合梁在各类退化状况的敏感性进行分析。对于钢板组合梁桥上部结构,钢主梁为主要受力构件,故以其变形为主要分析指标。

3.1 钢梁退化敏感性分析

分别对钢主梁、钢横梁在不同程度退化情况下的敏感性进行分析。

(1)钢主梁

分别在钢主梁表面0.5 mm锈蚀深度、0%～40%不同锈蚀面积情况下,以及钢主梁表面10%锈蚀面积、0～2.5 mm不同锈蚀深度情况下,对比钢板组合梁桥受力性能的影响见图2。

图2 钢主梁不同退化程度下受力特性变化

由图2可知,随着钢主梁锈蚀面积的增大,钢主梁最大变形出现了一定程度增加,大致呈现对数增长趋势;其中,在0%～10%锈蚀面积内,钢主梁锈蚀面积的增大对钢主梁受力情况的影响最为明显。

而随着钢主梁锈蚀深度的增大,钢主梁最大变形变化也出现了较为明显的增加,大致呈线性增长趋势,且相较于钢主梁锈蚀面积对其的影响程度更大。

(2)钢横梁

分别在钢横梁表面0.5 mm锈蚀深度、0%～40%不同锈蚀面积情况下,以及钢横梁表面10%锈蚀面积、0～2.5 mm不同锈蚀深度情况下,对比钢板组合梁桥受力性能的影响,见图3。

图3 钢横梁不同退化程度下受力特性变化

由图3可知,随着钢横梁锈蚀面积的增大,钢主梁最大变形出现了较小程度的减小并趋于稳定;而随着钢横梁锈蚀深度的增大,钢主梁最大变形出现了较小程度的减小。

这主要是由于钢横梁的锈蚀引起主梁间横向联系减弱引起的,在仅考虑自重的情况下单侧钢主梁受另一侧钢主梁传力效应减小;但在考虑其他荷载因素影响后,由于横向传力能力的减弱,钢横梁锈蚀面积、锈蚀深度的增长可能对钢主梁受力产生不利影响。

3.2 桥面板退化敏感性分析

对比分析预制混凝土桥面板、混凝土湿接缝在不同程度退化情况下对钢板组合梁受力性能的影响,见图4。

图4 桥面板不同退化程度下受力特性变化

由图4可知,随着预制桥面板、湿接缝混凝土强度退化程度的增大,钢主梁最大变形均出现明显增加,且有呈现指数增长的趋势。但湿接缝混凝土不同退化程度情况下增长幅值相较于预制桥面板不同退化程度引起的增长幅值相对较小,即可认为桥面板湿接缝的退化较预制混凝土桥面板退化的影响更为明显。

其主要是由于预制桥面板内剪力钉的存在,预制混凝土桥面板仍与钢主梁协同受力,预制混凝土桥面板的应力受到的影响较小;随着桥面板湿接缝退化程度的增加,湿接缝区域混凝土应力极小,并直接导致钢主梁变形的进一步增长。

3.3 剪力键退化敏感性分析

分别在预制混凝土桥面板、混凝土湿接缝内剪力键在不同程度退化情况下,对比钢板组合梁桥受力性能的影响见图5。

图5 剪力键不同退化程度下受力特性变化

由图5可知,随着剪力键退化程度的增加,钢主梁最大变形均出现了明显增加,但预制混凝土桥面板区域内剪力键退化的影响程度略低于湿接缝区域内剪力键退化的影响程度。

其主要是因为在预制混凝土桥面板内剪力键受损出现滑移的情况下,湿接缝混凝土由于区域面积较小仍对预制桥面板起到一定的限位作用,使得预制混凝土桥面板仍能在一定程度上继续受力,因此预制桥混凝土面板内剪力键对钢板组合梁受力的影响相对较小。但当湿接缝混凝土内剪力键受损出现滑移时,其失去了对预制桥面板的限位作用,使得预制混凝土桥面板成为主要受力单元,并加剧钢主梁变形的增加。

3.4 构件退化参数敏感性比较

对钢主梁不同锈蚀程度、钢横梁不同锈蚀程度、预制桥面板及湿接缝、剪力键不同退化程度对结构影响的敏感性分析结果,如表1所示。

表1 钢板组合梁退化敏感性比较

由表1可知,影响钢板组合梁结构性能最强烈的因素为预制桥混凝土面板强度退化,其将使钢板组合梁整体刚度降低,直接导致钢主梁受力更为不利。

其次,钢主梁作为钢板组合梁的主要受力构件,其锈蚀程度对桥梁结构的受力有直接影响;但钢梁的锈蚀往往伴随着锈蚀深度与锈蚀面积的同时发生,因此,相同锈蚀面积情况下钢梁锈蚀深度的增加对钢板组合梁受力的影响相较于相同锈蚀深度下钢梁锈蚀深度随钢板组合梁受力的影响更为不利。

其余参数的变化,如钢横梁锈蚀程度、剪力键退化程度、单排基础沉降,对钢板组合梁结构受力的影响程度将大幅降低。由于钢横梁的主要作用是用于提高桥梁结构的横向受力,在桥面板技术状况良好的情况下将分担一部分横梁的受力。因此,钢横梁在一定范围内的锈蚀将不会引起钢板组合梁受力性能的巨大变化。而钢板组合梁的剪力键一般采用密集排布的形式,在不发生普遍完全锈蚀失效的情况下,仍能将协调钢主梁与桥面板的受力。

4 结 语

(1)影响钢板组合梁结构性能最强烈的因素为预制桥混凝土面板强度的退化,其次为钢主梁锈蚀深度的影响。

(2)其余参数的变化,如钢主梁锈蚀面积、钢横梁锈蚀程度、混凝土湿接缝退化,是影响钢板组合梁受力性能的次要参数。