剪力鍵對預制拼裝蓋梁受力特性的影響研究

黃本才， 黃宇辰， 張松

(中設設計集團股份有限公司，南京 江蘇 210014)

隨著中國經濟發展方式的轉變和“綠色建造”理念的倡導，預制拼裝橋梁在一些經濟發展較快的城市橋梁中正逐漸推廣應用。預制拼裝技術以施工便捷、質量穩定可靠、對交通及環境影響小等特點，已成為當今國內外橋梁施工的趨勢，而上部結構采用裝配式小箱梁的全預制拼裝橋梁，其關鍵是下部結構的節段拼裝技術。

目前，國內外針對墩柱節段拼裝的分析已相對成熟，但關于預制拼裝蓋梁技術的文獻研究較多偏向體量較小的蓋梁，主要適用于整體預制的形式，而城市高架橋梁的蓋梁尺寸較大，若采用整體預制方案，則預制成的蓋梁自重很大，對起重和運輸機械的要求較高，施工適應性差。因此，城市高架橋梁的大尺寸蓋梁宜采用分段預制拼裝的方案；目前中國國內對預制節段拼裝蓋梁的研究尚未形成系統，2017年，葛繼平從時效性、功能性、操作性三方面對中國現有蓋梁節段拼裝工藝進行了對比分析，并給出了各種工藝實際應用條件方面的建議，分析結果表明，橫橋向的分段拼裝方式是綜合評價較好的施工方案；沙麗新、李國平針對城市高架倒T形蓋梁，對比分析了橫向分段及豎向分層兩種預制方案的受力性能，但分析中采用了折減混凝土抗拉強度的方式模擬橫向接縫，未考慮剪力鍵，同時僅驗證了兩種方案的可行性，并未揭示各方案預制拼裝蓋梁的受力機理。不同于蓋梁的其他拼裝方案，采用橫向分段干接縫連接的分段蓋梁由于存在接觸面和剪力鍵，其受力情況復雜，具有高度非線性的力學行為。因此，明確剪力鍵對預制拼裝蓋梁受力特性的影響對設計中剪力鍵構造及位置的確定具有重要意義。

該文以城市高架橋梁倒T形預制拼裝蓋梁為對象，將蓋梁橫向分為懸臂段蓋梁與中段蓋梁，采用干接縫節段拼裝工藝，利用Abaqus平臺建立蓋梁分析模型，對設置剪力鍵及不設置剪力鍵兩種節段蓋梁方案進行彈塑性分析，探討剪力鍵設置與否、剪力鍵位置及尺寸等參數對蓋梁受力特性的影響，為預制拼裝蓋梁設計提供參考。

1 有限元計算模型建立

選取某橋面寬為26 m、汽車設計荷載為城-A級的主線高架橋梁倒T形預制拼裝蓋梁為實例，基于Abaqus建立有限元分析模型，蓋梁采用C40混凝土，相應截面尺寸、接縫構造及預應力布置如圖2所示，鋼束N1～N3均為15φs15.2型號。

另外，參考相關規范及文獻[4]、[5]的研究成果，并結合以往節段拼裝梁設計經驗，初步擬定將設置剪力鍵的模型，在接縫處截面翼緣從上至下布置4排高深比為3、尺寸為10 cm×10 cm的梯形剪力鍵(圖1)。有限元模型中混凝土采用損傷塑性模型，材料應力-塑性應變曲線如圖2所示，該模型采用各向同性彈性損傷結合各向同性拉伸、壓縮塑性理論來表征混凝土的非線性行為，對于其塑性參數，剪脹角取30°，曲線流動勢偏移量為0.1，雙軸抗壓與單軸抗壓極限強度比取1.16；預應力鋼束及普通鋼筋采用嵌入式鋼筋單元模擬，材料本構取雙折線模型，屈后剛度比為0.01，鋼束(鋼筋)單元劃分尺寸為混凝土單元的一半，預應力以降溫法施加，考慮實際預應力損失后降溫參數為560 ℃；接縫處采用基于有限滑移的“硬”接觸模型，切向摩擦系數取光滑混凝土接觸面之間的摩擦系數0.4；施工階段中上部單片箱梁恒載下支座反力取792 kN，使用階段中接縫最不利車輛布載位置為蓋梁懸臂段內側墊石處，模型材料強度均取標準值。

圖1 預制拼裝蓋梁構造尺寸及剪力鍵構造配筋圖(單位:cm)

圖2 混凝土材料應力-塑性應變曲線

2 剪力鍵對蓋梁受力特性的影響

2.1 剪力鍵對施工階段下蓋梁受力特性的影響

基于建立的干接縫預制拼裝蓋梁精細化有限元模型，將接觸面在翼緣處設置4排素混凝土梯形剪力鍵的模型設為工況Ⅰ；在翼緣處設置4排鋼筋混凝土梯形剪力鍵的模型設為工況Ⅱ；將接觸面不設置齒槽剪力鍵，僅靠預應力實現節段連接的模型設為工況Ⅲ，其中剪力鍵詳細大樣圖及配筋圖如圖1所示。圖3、4為3個工況下中段蓋梁的主應力(方向為拉正壓負)與接觸面法向應力云圖。

由圖3可知：在施工階段下，蓋梁設置剪力鍵會改變接縫區域的受力狀態；在無剪力鍵時，接縫處較大的主拉應力主要集中在翼緣頂與肋板的轉角處，最大主拉應力為1.09 MPa，而設置剪力鍵后，接縫處較大的主拉應力主要在剪力鍵根部，最大主應力約為1.44 MPa。即剪力鍵的設置增大了接縫區域的最大主應力并改變了應力分布，主要是因為接縫截面的預應力主要作用在肋板處，此時在翼緣處設置剪力鍵會導致肋板與翼緣連接處的截面削弱、接縫截面整體性變差，從而使肋板與翼緣連接處的剪力鍵根部產生較大應力集中(圖4)；需要指出的是在施工階段下，設置剪力鍵對蓋梁除接縫區域外其他區域受力影響不大。

圖3 施工階段接縫處主應力云圖(單位:MPa)

另外如圖3所示，工況Ⅰ與工況Ⅱ在施工階段下接縫區域應力狀態基本一致，且其接觸面法向應力也相等，表明在剪力鍵中配置鋼筋對接縫區域彈性狀態下的受力基本沒有影響。

2.2 剪力鍵對使用階段下蓋梁極限狀態的影響

針對前述3個工況，根據接縫最不利車輛布載位置在兩個墊石上逐步施加相同的均布荷載，直至結構的塑性應變因達到極限值而發生破壞，分析剪力鍵對使用階段下預制拼裝蓋梁極限狀態的影響。分析得到：工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的極限荷載合力分別為8 342、8 481、8 577 kN，3個工況下模型能承受的極限荷載在總體上相差不大，在剪力鍵中增配鋼筋后會使極限承載力提高約2%。圖5為3個工況下蓋梁達到極限狀態時結構的塑性應變分布云圖。

由圖5可見：設置剪力鍵會較大程度改變中段蓋梁極限狀態的受力情況，而懸臂段蓋梁的應力狀態基本不變，說明剪力鍵會改變接縫處的傳力路徑。當蓋梁未設置剪力鍵時，隨著外荷載的增大，接縫處截面產生較大負彎矩，此時大部分截面壓應力從翼緣的平接觸面傳遞給中段蓋梁，使中段蓋梁承受很大偏壓彎矩，導致墩頂處蓋梁截面上緣嚴重開裂。而當設置剪力鍵后，由于剪力鍵的位移限制效應，較大部分截面壓應力從翼緣第1排剪力鍵傳遞給中段蓋梁，偏心效應較小，墩頂處蓋梁截面上緣的開裂程度也較??；另外，此時剪力鍵的根部與邊角處成為接縫連接處的位移限制區域，伴隨外荷載的增大，會產生應力集中效應而出現較大塑性應變，由此可見工況Ⅰ、Ⅱ在極限狀態下的最大塑性應變值較工況Ⅲ有很大程度提高。

圖5 極限狀態下的塑性應變云圖

此外，對比工況Ⅰ、Ⅱ可發現：在剪力鍵中配置普通鋼筋雖然不會改變蓋梁塑性應變的分布狀態，但會較大程度地降低剪力鍵的塑性應變峰值；同時查詢3個工況下蓋梁的位移結果可知，未設置齒槽剪力鍵的蓋梁懸臂段接縫截面Z向位移要比設置了剪力鍵的蓋梁增大約17%，表明設置剪力鍵會減小接觸面產生的滑移。

綜上所述，預制拼裝蓋梁在接縫處設置剪力鍵會改變施工階段下接縫處的應力分布，增大接縫處主應力值；同時，剪力鍵的位移限制效應會改變接縫處的傳力路徑，使蓋梁極限狀態發生變化，并減小接縫截面的豎向滑移，在剪力鍵中配置普通鋼筋能較大程度地降低剪力鍵破壞時的塑性應變峰值；另外，剪力鍵的根部與邊角處易產生應力集中而發生破壞，在設計時應給予重視。

3 預制拼裝蓋梁受力特性參數研究

3.1 剪力鍵高深比的影響

相關研究表明，梯形剪力鍵的高深比對剪力鍵的受力狀態影響很大，是剪力鍵的關鍵參數之一；當高深比較大時，剪力鍵一般發生局部壓壞，而當高深比較小時，剪力鍵一般發生剪切破壞；當剪力鍵達到一定深度時，其抗壓能力大于抗剪能力，繼續提高鍵深對承載能力影響不大。為研究剪力鍵高深比對預制拼裝蓋梁受力特性的影響，保持工況Ⅱ模型其他參數不變，通過調整鍵深改變剪力鍵高深比，對蓋梁結構進行受力特性分析，各高深比下蓋梁施工階段接縫處的最大主應力如圖6所示，另外表1給出了各高深比下蓋梁結構使用階段的破壞狀態差異。

圖6 高深比對施工階段接縫處最大主應力的影響

由圖6可知：剪力鍵高深比與蓋梁施工階段接縫區域最大主應力呈雙線性變化關系，隨著高深比的提高，接縫區域的最大主應力逐漸增大，而出現最大主應力的位置基本無變化。其中，當高深比從3增大到5時，最大主應力增幅較大，隨后增幅變小。

另外，由表1可得：剪力鍵高深比為3～4時，蓋梁接縫區域的破壞主要集中在翼緣頂與肋板轉角處及第1排剪力鍵根部；而當剪力鍵高深比大于4時，蓋梁接縫區域的第2～4排剪力鍵也開始出現開裂破壞，這主要是因為當高深比較大時，第1排剪力鍵容易發生局部受壓而較快開裂，位移協調后使其余剪力鍵開始均勻受力并發生開裂。隨著高深比的提高，接縫截面的豎向位移逐漸增大，接縫區域的最大塑形拉應變先逐漸增大，當高深比大于5時轉而減??；高深比對蓋梁能承受最不利布置的極限荷載影響較小。

表1 各高深比下蓋梁極限狀態

因此，為防止施工階段下接縫區域主應力超限，且考慮到剪力鍵在高深比較大時易出現局部壓壞對結構不利，在實際工程設計中，剪力鍵應取較小高深比，對于該文案例，剪力鍵的高深比應該控制為3～4。

3.2 剪力鍵數量的影響

當接縫設置多排剪力鍵時，各排剪力鍵受力并不均勻，協同受力的過程也隨剪力鍵數量及外荷載的改變而變化，因此，剪力鍵的數量并非越多越好，如何確定恰當的剪力鍵數量對工程設計具有重要意義。為分析剪力鍵數量對預制拼裝蓋梁受力特性的影響，保持工況Ⅱ模型其他參數不變，通過調整蓋梁翼緣處的剪力鍵數量，對蓋梁結構進行受力特性分析，不同剪力鍵數量下蓋梁施工階段接縫處的最大主應力如圖7所示[其中4排剪力鍵工況如圖3(b)]，另外圖8給出了不同剪力鍵數量下蓋梁結構使用階段的破壞狀態[其中4排剪力鍵工況如圖5(b)]。

圖7 不同剪力鍵數量下蓋梁施工階段接縫處的最大主應力(單位：MPa)

由圖3(b)與圖7可知：在施工階段下，剪力鍵數量越多，剪力鍵根部的最大主應力越大；當在翼緣設置4排剪力鍵時，剪力鍵根部的最大主應力為1.43 MPa，隨著剪力鍵數量的降低，剪力鍵根部的最大主應力也逐漸降低至0.88 MPa；同時，分析發現，當取消第1排剪力鍵后，接縫區域翼緣頂與肋板轉角處的最大主應力從0.89 MPa增加至1.22 MPa。

另外，由圖5(b)與圖8可得：當設置的剪力鍵數量大于2排時，其極限荷載基本一致，接縫區域破壞狀態均為翼緣頂與肋板轉角處、翼緣最上排剪力鍵根部及墩頂肋板截面上緣的開裂破壞；當僅設1排剪力鍵時，其極限荷載較設置多排剪力鍵的工況要降低約16.6%，接縫區域僅翼緣頂與肋板轉角處與剪力鍵根部發生破壞。這表明，僅設置1排剪力鍵會使塑性應變主要集中在單排剪力鍵根部且無其他剪力鍵分擔，較大程度地降低了蓋梁接縫承受荷載的能力。在設計中應避免僅設單排剪力鍵，同時考慮剪力鍵數量對蓋梁應力的影響來確定恰當的剪力鍵數量；對于該文算例，剪力鍵設為2排較為合適。

圖8 不同剪力鍵數量的接縫極限狀態塑性應變

4 結論

針對城市高架橋倒T形預制拼裝蓋梁，基于剪力鍵設置與否及剪力鍵配筋與否分別建立了3個蓋梁有限元仿真模型，探討了剪力鍵對預制拼裝蓋梁受力特性的影響，并進行了參數研究。結果表明：

(1) 設置剪力鍵會增大接縫區域的最大主應力；

同時會改變蓋梁受最不利車輛荷載布置時的極限承載狀態，使剪力鍵根部與邊角處率先發生破壞，并減小接縫截面的豎向相對滑移；另外，在剪力鍵中配置普通鋼筋能較大程度地降低剪力鍵破壞時的塑性應變峰值。在設計時應重視剪力鍵根部與邊角處的應力集中效應，合理布置剪力鍵以獲得恰當的傳力路徑。

(2) 隨著剪力鍵高深比的增大，施工階段下蓋梁接縫區域的最大主應力逐漸增大；極限狀態下最大塑性拉應變有先增大后減小的趨勢，接縫截面的豎向相對滑移也隨之增大。剪力鍵高深比對蓋梁能承受最不利布置的極限荷載影響較小，在設計中應避免剪力鍵高深比過大對結構產生的不利影響。

(3) 隨著剪力鍵布置數量的增加，施工階段下剪力鍵根部的最大主應力增大；另外，當剪力鍵僅設置1排時，會增加接縫區域的應力集中效應，降低預制拼裝蓋梁能承受的極限荷載。設計時，應在滿足剪力鍵不少于2排的前提下，進行參數敏感性分析，合理確定剪力鍵數量。