配置PBL剪力鍵鋼-UHPC組合橋面板縱向受拉性能的試驗及分析

彭忠禮,譚星宇,方 志

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

剪力連接件是保證鋼混組合結構中鋼與混凝土能有效共同工作的關鍵部件[1]，目前常用的剪力連接件有栓釘和PBL剪力鍵。PBL剪力鍵因具有承載力大、延性好、疲勞性能優良等優點[2-4]，目前在我國廈門馬新大橋、南京長江三橋、云南怒江二橋、石首長江公路大橋等的索塔鋼混結合段中被廣泛應用[5-8]。在組合橋面板中采用PBL剪力鍵目前的橋梁僅有廣東佛山東平大橋、合江長江一橋[9-10]，總體而言，PBL剪力鍵在鋼-混凝土組合橋面板中應用較少。

PBL剪力鍵的抗剪承載力影響因素和PBL剪力鍵的抗剪承載力計算公式國內外已有許多學者研究[11-12]，鄭雙杰等[13]通過抗拉拔試驗證明無論PBL剪力鍵開孔鋼板設置槽口與否，其結合面垂直方向均具有較高的承載性能；賀紹華等[14]通過推出試驗證明相比栓釘，PBL鍵具有更優異的縱向抗剪性能和延性；楊勇等[15-16]通過鋼板混凝土組合橋面板靜力和疲勞彎曲試驗研究了PBL剪力鍵對鋼-普通混凝土組合橋面板的影響，結果均表明采用PBL剪力鍵的組合橋面板有較好組合作用。但目前有關PBL剪力鍵對鋼-UHPC組合橋面板受力性能影響規律的研究尚未見報道。

本文提出圖1所示帶主、副槽口的PBL剪力鍵用于鋼-UHPC組合橋面板。連接件的開口主槽口便于橫向貫穿鋼筋的施工與孔內UHPC澆筑時的流通，副槽口便于面層橫向鋼筋的定位；組合橋面板的鋼筋網由底層的橫向貫穿鋼筋、中間層的縱向鋼筋與面層的橫向鋼筋等3層鋼筋組成。含孔內貫穿鋼筋在內的雙層橫向鋼筋與UHPC一道橫向抗彎，縱橋向布置的PBL開孔鋼板和中間層的縱向鋼筋一道承受UHPC層內的縱橋向拉應力。

圖1 帶PBL剪力鍵的鋼-UHPC組合橋面板

為明確配置PBL剪力鍵鋼-UHPC組合橋面板負彎矩的縱向受力性能，本文以剪力鍵類型為試驗參數(分別為栓釘和PBL剪力鍵)，設計并制作2塊鋼-UHPC組合橋面板局部足尺模型試件。由于文獻[17]指出雖然組合梁在縱橋向負彎矩作用下，頂部薄層UHPC處于拉彎狀態，但彎曲效應較小，接近于軸心受拉狀態，故對局部足尺模型試件進行軸拉試驗，以研究PBL剪力鍵對鋼-UHPC組合橋面板抗拉性能的影響，采用經試驗結果驗證后的有限元建模方法研究PBL鍵開孔板厚度、間距與配筋率對鋼-UHPC組合橋面板受力性能的影響，從而為工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

本文設計制作了2塊鋼-UHPC組合橋面板縱向受力的局部足尺模型，模型試件設計為中間窄兩頭寬的啞鈴型，局部足尺模型尺寸如圖2所示，啞鈴型中間部分為鋼-UHPC組合橋面板測試段，兩端作為千斤頂對頂的反力架，加載為自平衡體系。

圖2 試件尺寸構造(單位:mm)

試件UHPC的設計強度為150 MPa，鋼結構均采用Q345鋼材；UHPC層中的鋼筋均為HRB400，直徑均為12 mm，縱、橫向間距均為50 mm，試件測試段配筋如圖3所示。

(a)試件T-S-NJ測試段

試件編號和參數見表1。編號中T表示試件受拉，S和P分別表示栓釘和PBL剪力鍵。試件的UHPC層采用一次澆筑成型，試件澆筑完成即覆膜保濕養護24 h后拆模，再采用80 ℃～90 ℃蒸汽繼續養護72 h。

表1 試件參數表Table 1 Parameters of specimens試件編號剪力鍵類型濕接縫類型UHPC強度/MPaUHPC層厚/mm縱、橫向鋼筋橫向貫穿鋼筋T-S栓釘無縫整澆UHPC15080C12@50—T-PPBL無縫整澆UHPC15080C12@50C12@100

1.2 加載方式和測點布置

2個試件的加載方式相同，橫向對稱布置2臺350 t電動同步液壓千斤頂，采用對頂方式施加軸向荷載并由壓力傳感器監測荷載大小，如圖4所示。

圖4 加載布置

試驗過程中測量UHPC表面、側面的應變和裂縫寬度、鋼板底面和側面的應變與測試標距內的伸長量。在試件UHPC表面設置基距為600 mm的引伸儀，測量標距范圍內試件的伸長量，測點布置如圖5所示。電阻應變片和位移計的數據用DH3816N靜態應力應變測試分析系統采集。

圖5 應變片和引伸儀布置(單位:mm)

試驗采用分級加載。試件屈服前，采用力控制加載，每級荷載增量約為50 kN；試件屈服后，采用位移控制加載，每級位移增量根據試件裂縫發展情況取值0.2～0.5 mm，直至板內鋼筋拉斷、試件破壞。

1.3 材料性能

試驗采用的UHPC為商品預混料，其組分質量配合比如下：水泥1.0，硅灰0.32，石英粉0.30，石英砂1.43，減水劑0.05，水膠比0.13。采用鍍銅平直型高強鋼纖維，直徑為0.2 mm、長為13 mm，抗拉強度為2 600 MPa，體積摻量為3.0%。

UHPC澆筑時現場制作6個邊長為100 mm的立方體試塊、12個100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試塊、6個100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊與12個軸拉材性試塊并與試件同條件養護。按標準試驗方法[18]測得的UHPC基本力學性能如下：立方體抗壓強度175 MPa，軸心抗壓強度152 MPa，抗折強度30.08 MPa，軸拉強度12.27 MPa，受壓彈性模量55.7 GPa。試驗所用直徑12 mm HRB400鋼筋的屈服強度和極限強度分別為492 MPa和687 MPa。

2 驗結果和分析

2.1 裂縫發展和破壞形態

栓釘試件T-S和試件T-P首條裂縫隨機出現在測試標距范圍內；繼續加載，UHPC層頂面和側面陸續出現新裂縫，裂縫間距減小，之后部分裂縫連通形成貫通裂縫，并伴隨產生次生裂縫。最終部分貫通裂縫形成主裂縫，組合板中的縱向鋼筋、鋼板屈服，試件破壞，試件鋼、UHPC層之間均無明顯的滑移。

圍繞“四個最嚴”抓監管，筑牢食品藥品監管的安全網。全市食品藥品監管系統逐級落實屬地監管責任，以食品藥品生產企業、批發市場、集貿市場、城鄉結合部和校園周邊為重點區域，全面加大食品藥品生產經營各環節的監管力度，切實規范生產經營秩序。2013年以來，全市共組織開展各類專項整治、專項行動139次，查處食品藥品違法違規案件1929件，收繳罰沒款共計922.33萬元；12331投訴舉報平臺累計受理舉報投訴843起，監測網絡輿情52起，反饋率、滿意率均達到100%。

卸載后試件的裂縫分布如圖6所示。栓釘試件T-S與試件T-P因其初始缺陷隨機分布，故主裂縫位置具有不確定性。相同荷載作用下和卸載后，栓釘試件的最大裂縫寬度較PBL試件稍寬(栓釘試件和PBL試件的最大裂縫寬度分別為1.3 mm和1.1 mm)，源于配置PBL剪力鍵試件的鋼-UHPC間具有更強的組合作用，且連續的PBL剪力鍵相當于縱向鋼筋參與受拉。

圖6 測試段裂縫分布(單位:mm)

2.2 開裂荷載和極限荷載

各試件的開裂荷載和極限荷載如表4所示。這里定義：UHPC基體開裂時的荷載為初裂荷載；受拉過程中試件經歷的最大荷載為極限荷載，相應的引伸儀基距內的伸長量為極限位移；最大裂縫寬度0.05 mm時的荷載為名義開裂荷載。文獻[19]指出UHPC仍保持良好耐久性的臨界裂縫寬度約為0.05 mm，故選用0.05 mm的裂縫寬度作為臨界裂縫寬度，對應的荷載為名義開裂荷載。由表4可知：①初裂荷載。PBL試件的初裂荷載分別較栓釘試件高3.6%，源于UHPC層內縱向連續PBL的參與作用，使得換算截面面積增大、組合作用加強；②名義開裂荷載。PBL試件裂縫寬度0.05 mm時對應的名義開裂荷載分別較栓釘無縫試件高3.3%，源于UHPC層內縱向連續PBL的參與作用；③極限荷載。試件的極限荷載取決于縱向鋼筋、鋼板的用量和強度。因此，栓釘試件和PBL時間的極限荷載各自相近，PBL試件由于縱向連續PBL的參與作用，其極限荷載較栓釘試件高2.6%。

表2 試驗結果Table 2 Experimental results試件名稱初裂荷載/kN0.05 mm縫寬對應荷載/kN極限荷載/kNT-S1 0911 8724 195T-P1 1301 9344 306

2.3 名義拉應力-應變曲線

UHPC層的名義拉應力采用組合板的換算截面進行計算，如式(1)和式(2)所示：

(1)

A0=nbhs+bhc+nAs

(2)

式中：σc為UHPC的名義拉應力；P為試件承受的荷載；A0為組合截面換算為UHPC層的換算截面面積；b為組合板的寬度；hs為鋼板厚度；hc為UHPC層厚度；As為縱向受拉鋼筋的截面面積；n為鋼材和UHPC的彈性模量比，n=Es/Ec，Es為鋼材的彈性模量，取為200 GPa，Ec為UHPC的彈性模量，取實測值55.7 GPa。

各試件受力全過程的名義拉應力-應變曲線如圖7所示。這里的應變取測量標距范圍內兩個引伸儀所測試件伸長量的平均值與引伸儀基距之比。由圖7可見，名義拉應力-應變曲線均可分為3個階段：①彈性階段。試件從加載到UHPC層初始開裂前，應力與應變基本呈線性關系；②開裂后階段。UHPC開裂后，截面剛度降低，但隨荷載的進一步增大，試件的裂后剛度并沒有明顯進一步降低，源于跨裂縫處的鋼纖維仍能承受拉力，試件仍有較好的受力性能；③屈服階段。當縱向鋼筋和鋼板達到屈服強度后，裂縫寬度開展較快，應力-應變曲線有明顯的屈服平臺，直至試件破壞。

圖7 鋼-UHPC組合板名義拉應力-應變曲線

定義名義拉應力-應變曲線中試件初裂點與裂縫寬度為0.05 mm對應點之間的割線剛度Ks為試件開裂后的剛度，如式(3)所示：

(3)

式中：σcr、εcr分別為UHPC的初裂強度和相應的應變；σa、εa分別為裂縫寬度為0.05 mm時UHPC的名義抗拉強度和相應的應變。

由式(1)、式(2)和式(3)計算的UHPC初裂強度、裂縫寬度為0.05 mm時的名義抗拉強度和開裂后剛度如表3所示?？梢姡篜BL試件的初裂強度和名義抗拉強度分別較栓釘試件高3.6%和3.3%，兩類試件的名義抗拉強度均較初裂強度提高約71%。

表3 試件UHPC層的抗拉強度Table 3 Tensile strength of UHPC layer試件名稱UHPC初裂強度σcr/MPaUHPC名義抗拉強度σa/MPa開裂后剛度Ks/GPaT-S13.7223.5422.49T-P14.2124.3234.34

3 有限元分析

3.1 有限元模型的建立和單元選取

由于試件測試段和荷載具有雙軸對稱性，故本文有限元模型采用ABAQUS軟件只建立試件測試段1/4進行數值分析。在測試段對稱面上施加對稱面約束。同時開孔鋼板副槽口主要便于面層橫向鋼筋的定位，并進一步提高連接件的抗剪承載力，但試驗結果表明在軸拉荷載下試件的鋼、UHPC層之間相對滑移很小，故在建模時開孔鋼板作適當的簡化，不考慮副槽口的作用。

有限元模型由底部鋼板、開孔鋼板、橫向貫穿鋼筋、UHPC層、縱橫向鋼筋網5部分組成。UHPC層、底部鋼板、開孔鋼板和橫向貫穿鋼筋采用C3D8R單元，該單元是8節點3D六面體線性減縮積分單元?？v向鋼筋和表層橫向鋼筋采用T3D2桁架單元模擬，該單元為3D兩節點單元。有限元模型如圖8所示，模型網格尺寸不超過5 mm，UHPC榫外徑網格細化為3.5 mm，內徑網格細化為1.2 mm；通過模型試算結果可知，本文所選用的網格尺寸能夠保證有限元模型即能具有一定的計算精度，且能保證結果收斂。

圖8 有限元模型

3.2 材料本構

3.2.1UHPC材料參數

UHPC的本構模型采用ABAQUS軟件中的混凝土塑性損傷模型(Concrete Damaged Plasticity，CDP)來模擬，混凝土塑性損傷模型的相關參數取KMIECIK等[20]在ABAQUS塑性損傷模型中的推薦值如下：剪切膨脹角36°，偏心率0.1，雙軸與單軸抗壓強度之比fb0/fc0為1.16，Kc為0.667，黏性系數為0。

UHPC的受壓應力-應變關系采用楊劍[21]等提出的UHPC受壓本構模型，如式(4)和圖9所示。

圖9 UHPC受壓應力-應變曲線

(4)

式中，n=E0/Ec，E0為UHPC的初始彈性模量，取實測值55.7 GPa，Ec為UHPC應力-應變曲線峰值點的割線模量；ξ=ε/ε0，ε為UHPC受壓應變，ε0為UHPC受壓應力-應變峰值點對應應變值，取為3.5×103，εcu為UHPC的極限壓應變，取為0.01；fc為UHPC棱柱體抗壓強度，取實測值152 MPa。

UHPC的受拉應力-應變關系采用張哲[22]等提出的雙折線受拉本構模型，如式(5)和圖10所示。

圖10 UHPC受拉應力-應變曲線

(5)

式中，fct為UHPC的極限抗拉強度，取實測值12.27 MPa；εt0為UHPC受拉峰值應變，取實測值為0.000 25，εtu為UHPC的受拉極限拉應變，取實測值0.002 3。

3.2.2鋼材和鋼筋材料參數

鋼板、鋼筋均采用理想彈塑性本構模型，如圖11所示。鋼板采用為Q345等級鋼材，屈服強度為廠家提供，采用fy=375 MPa，彈性模量E為206 GPa，泊松比μ為0.3；縱橫向鋼筋、橫向貫穿鋼筋等級為HRB400，屈服強度為fy=492 MPa，彈性模量Es=200 GPa，泊松比μ為0.3。

圖11 鋼材、鋼筋應力-應變曲線

3.3 界面模擬和有限元邊界

底部鋼板與開孔鋼板焊接，采用“Tie”綁定接觸模擬；面層橫向鋼筋、縱向鋼筋采用“Embedded Region”嵌入UHPC層；橫向貫穿鋼筋與UHPC層、UHPC榫與開孔板鋼板采用面面接觸，接觸面法線方向采用“硬接觸”，切向方向摩擦系數設為0.3[23]。

有限元邊界條件：橫向對稱面約束豎向自由度，并施加對稱面約束XSYMM(U1=UR2=UR3=0)；縱向對稱截面處采用對稱面約束ZSYMM(U3=UR1=UR2=0)。

3.4 有限元計算結果分析

圖12給出了試驗和根據有限元模型結果提取出的名義拉應力-應變曲線并對比了試驗與有限元模型的裂縫分布?？梢钥闯?，根據有限元模型結果提取出的名義拉應力-應變曲線與試驗曲線的彈性階段兩者基本一致，計算結果的整體趨勢與試驗曲線接近，且有限元模型的裂縫分布與試驗吻合較好，說明本文的有限元模型參數設置、取值和邊界條件合理，具有較高的精度，能較好模擬試件的受力特征。

(a)名義拉應力-應變曲線對比

3.5 參數分析

為研究鋼-UHPC組合橋面板受拉力學性能的影響因素，采用本文經過試驗驗證的有限元建模方法對開孔鋼板厚度、PBL剪力鍵數量和配筋率進行參數分析。

a.開孔鋼板厚度。

由圖13所示，PBL剪力鍵的開孔鋼板由6 mm分別增大至8、10和12 mm時，組合板的開裂強度略有提高，開裂后剛度分別提高了6.0%、10.7%和15.2%，組合板的極限荷載略有增加?？傮w而言，增加開孔鋼板的厚度對組合板的受力性能影響并不明顯。

圖13 開孔鋼板厚度對組合板受拉性能的影響

b.PBL剪力鍵間距。

從圖14可知，PBL剪力鍵的間距由600 mm分別減小至400、200 mm時，組合板的開裂強度稍有提高；開裂后剛度分別提高了9.4%、20.2%，源于PBL剪力鍵具有更強的鋼-UHPC組合作用，且連續的PBL剪力鍵相當于縱向鋼筋參與受拉；組合板的極限荷載分別約增加了1.0%、1.9%。

圖14 PBL鍵間距對組合板受拉性能的影響

c.配筋率。

如圖15所示，配筋率由2.0%分別增大至2.8%、4.0%時，組合板的開裂強度稍有提高；開裂后剛度分別提高了46.3%、113.5%；組合板的極限荷載分別提高了4.7%、11.3%。

圖15 配筋率對組合板受拉性能的影響

4 結論

a.采用PBL鍵的組合板鋼、UHPC層之間無明顯滑移，鋼板與UHPC層之間為完全連接。試件名義拉應力-應變曲線可明顯劃分為彈性階段、開裂后階段和屈服階段3個階段。

b.雖然PBL試件的初裂強度較栓釘試件增加較小，但其開裂后的剛度顯著提高。PBL試件的初裂強度較栓釘試件僅提高3.6%，但其開裂后的剛度卻提高了52.7%，源于PBL剪力鍵具有更強的鋼-UHPC組合作用，且連續的PBL剪力鍵相當于縱向鋼筋參與受拉。

c.組合板的初裂荷載和極限荷載受開孔鋼板厚度和PBL剪力鍵間距的影響不大，但組合板的開裂后剛度隨著開孔鋼板厚度增加、PBL剪力鍵的間距減小而提高。

d.配筋率對鋼-UHPC組合橋面板的開裂后剛度和極限荷載的影響顯著，對初裂荷載的影響較小，配筋率由2.0%分別增大至2.8%、4.0%時，組合板的開裂后剛度分別提高了46.3%、113.5%，極限荷載分別增加了4.7%、11.3%。