混凝土板分段浇筑的曲线结合梁施工阶段受力性能研究

第36卷第3期铁道学报Vol.36No.32014年3月JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYMarch2014文章编号:1001-8361(2014)03-0106-07混凝土板分段浇筑的曲线结合梁施工阶段受力性能研究李运生1,马瑞泽1,侯忠明2,张彦玲1(1.石家庄铁道大学土木工程学院,河北石家庄050043;2.清华大学土木工程系,北京100084)摘要:为了对钢-混凝土曲线结合梁施工阶段的受力性能进行准确分析,进行了混凝土浇筑过程中简支曲线结合梁的模型试验,采用ANSYS有限元计算软件分析了栓钉连接件时变抗剪强度对模型梁施工阶段受力性能的影响。分析结果表明:从一端向另一端分段浇筑混凝土板时结合梁的应力和变形均比一次性整体浇筑时小,且沿梁轴不对称;自各节段之间的浇筑时间间隔为6h起至7d之内,均应计入钢梁与混凝土板之间的早期组合作用,且需考虑这种组合作用随混凝土龄期而增长的时变特性。在对混凝土板浇筑过程中的结合梁进行受力分析时,必须考虑已浇好硬化的梁段中钢梁与混凝土板结合面上的相对滑移,否则会使计算结果偏于不安全,出现工程安全隐患。关键词:曲线结合梁;组合作用;栓钉连接件;时变抗剪强度;施工阶段中图分类号:U448.21文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1001-8361.2014.03.017ResearchonStressBehaviorsofCurvedCompositeBeamswithConcreteSlabCastedinSegmentsinConstructionStageLIYun-sheng1,MARui-ze1,HOUZhong-ming2,ZHANGYan-ling1(1.SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China;2.DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Inordertoanalyzethestressedbehaviorsofthesteel-concretecurvedcompositebeamsinthecon-structionstageaccurately,themodeltestswereconductedontwosimplecurvedcompositebeamsduringthecastingprocessofconcreteslabs.Theeffectofthetime-dependedshearstrengthofstudconnectorsonthestressedbehaviorsofcompositebeamsintheconstructionstagewasstudiedusingSoftwareANSYSFE.Thea-nalysisresultsindicateasfollows:Ifaconcreteslabiscastedsegmentallyfromonebeamendtotheother,thestressanddeformationofthecompositebeamaresmallerthanthoseiftheconcreteslabiscastedonce-timea-longthewholesteelgirder,andtheyaredistributedasymmetricallyalongthebeamaxis;duringthesegmentalcastingprocessofaconcreteslabofacompositebeam,iftheconcretecastingtimeintervalisbetween6hand7d,thetime-dependentearlycompositeactionshouldbeconsideredinanalysisonthestressbehaviorsofthecompositebeamintheconstructionstage;forthesegmentwheretheconcreteslabhasbeenhardened,therela-tiveslipbetweenthesteelgirderandconcreteslabmustbeconsidered,orthecalculatedresultswillbeunsafeandcausehiddendangers.Keywords:curvedcompositebeam;compositeaction;studconnector;time-dependentshearstrength;con-structionstage钢-混凝土结合梁具有自重轻、承载力大、噪声小、便于施工等优点,在我国已大量应用于普通铁路和客收稿日期:2013-07-06;修回日期:2013-09-18基金项目:国家自然科学基金(51108281);铁道部科技研究开发计划(2010G004-J)作者简介:李运生,(1970—),男,河男汝南人,教授,博士。E-mail:[e-mail]运专线上。在无支架施工的结合梁桥中,混凝土板一般采用分段浇筑,前期浇筑的混凝土随龄期的增长强度逐渐增大,与钢梁之间的结合面抗剪强度不断增强,使前后不同时间浇筑的梁段结合面上出现不同程度的时变组合作用,结合梁成为一种变刚度梁,从而影响到结合梁的受力特征。国外关于结合梁施工阶段受力性能的研究较多,但大多是针对混凝土收缩徐变、浇筑顺序、混凝土板开裂和预应力筋张拉顺序对结合梁桥施工过程受力行为的影响[1-5];Topkaya[6-7]在2004年~2005年研究了钢梁与混凝土板之间的时变组合作用对连续曲线组合箱梁桥施工过程受力行为的影响,但该结合梁采用上翼缘间的水平桁架和腹板间的斜撑作为横向连接系统,而不是我国通常采用的横隔板。国内关于结合梁施工阶段受力性能的研究较少。2003年陈光明等[8-9]和苏庆田等[10]分别利用ANSYS有限元软件,采用生死单元技术,对有体系转换的结合梁桥施工过程进行了时变空间有限元分析,但都没有考虑钢梁与混凝土板之间的相对滑移,更没有考虑二者之间组合作用的时变性。由于曲线结合梁在浇筑混凝土过程中存在弯扭耦合作用,更易出现钢梁的过度变形,需通过对施工阶段合理的受力分析来设计其横向连接系,因此本文针对我国常采用的隔板式曲线结合梁,首先通过模型试验研究了混凝土板分段浇筑时简支曲线结合梁的受力性能,然后采用ANSYS软件进行数值模拟和参数分析,研究钢梁与混凝土板之间的时变组合作用对结合梁施工阶段受力行为的影响。1模型试验1.1试验概况试验梁为钢-混凝土简支曲线结合梁,曲线总长6.2m,一端设固定铰支座,另一端设活动铰支座,两支座间曲线跨度为6m,曲线半径为30m。结合梁截面为单箱单室,沿曲线方向内部共设置5片横隔板,间距为1.5m,厚度为6mm。结合梁高度为270mm,其中混凝土板厚度为70mm,宽度为700mm。钢材的型号为Q235,混凝土等级为C30,板内纵向钢筋和箍筋均为ϕ6圆钢。钢梁与混凝土板之间采用栓钉连接,栓钉直径为13mm,每个钢梁腹板上方设1列,共35个,属于完全连接。试验共有2片试验梁,截面尺寸、跨度及材料均相同,均采用无支架施工。第1片梁混凝土板采用一次性整体浇筑;第2片梁混凝土板分3段浇筑,各段之间间隔6h,以研究时变组合作用的影响。试验梁截面尺寸及分段浇筑时的浇筑顺序见图1,图1中①、②、③为分段浇筑时的浇筑顺序。1.2试验步骤(1)钢梁架设、模板安装及钢筋绑扎由于试验梁两端均为抗扭支承,为简支超静定结构,因此需测定两端共4个支点的支座反力。试验中!!#$%&’()*+,-#$%.$/&&’’’!(’’01234)*’’’’+!#&’’’&’’’01234!(’’!(’’!(’’#,%56$7%&-’’*-’.*’&-’&’’-’首先布置4个测力传感器,并在其中布置支座,然后将钢梁架设到位,以钢梁作为承载结构对混凝土板准备进行浇筑。为铺设模板,在钢梁两侧安装三角托架,其上铺设木模板,绑扎钢筋,见图2。!!#$%&’((2)测点布置沿跨度方向共测试5个截面。应变片布置在钢梁上翼缘处,位置在钢梁曲线外侧上翼缘端部、L/8、L/4、3L/4、L/2处,方向为切向和径向。用百分表测试曲线外侧上翼缘5个位置的竖向位移和径向位移。(3)混凝土浇筑第1片梁的混凝土板采用一次性整体浇筑,中间无停顿。浇筑前应变仪和百分表清零,一次性浇筑完成后对应变仪和百分表读数,记录试验结果。第2片梁浇筑分3段进行,在第①段混凝土浇筑之前,百分表读初始值,应变仪清零,然后开始第①段浇筑,第①段浇筑完成以后,应变仪和百分表各读数1次。养护6h后,进行第②段混凝土的浇筑。浇筑前应变仪和百分表清零,只测试当前浇筑过程中的应力和变形;第②段浇筑完成6h后,用同样的方法浇筑第③段混凝土,测试当前浇筑过程中的应力和变形。最终结果由3个阶段的测试结果叠加而成。第2片梁的浇筑过程见图3。2数值模拟采用ANSYS软件对试验梁的受力性能进行分701第3期混凝土板分段浇筑的曲线结合梁施工阶段受力性能研究!!#$%&’()#$*!+,#$()%&$*+,#$()%’$*#+,#$()析,并将计算结果与测试结果进行相互验证。2.1有限元模型在有限元模型中,结合梁中的钢梁和横隔板均采用板单元SHELL43模拟,硬化后的混凝土采用实体单元SOLID65模拟。钢梁和混凝土之间的栓钉连接件采用切向、径向和竖向的3个COMBIN39弹簧单元进行模拟,分别对连接件切向和径向的时变剪力-滑移关系、竖向的时变轴力-掀起变形关系进行定义,见图4。!!#$%&!##$’()*+,-.%&$/012034%’$/0150346789:./034;$2034;$#!#679:./034;$2034;$(1)切向和径向的时变剪力-滑移关系对于龄期为28d的混凝土,其栓钉连接件的剪力-滑移规律为[11]Q=Q28u1-e-β()sα(1)式中:Q为栓钉所受剪力;Q28u为混凝土28d龄期时栓钉连接件的极限抗剪强度;s为Q作用下钢梁与混凝土结合面上产生的滑移;α、β为计算参数,根据试验值确定,无试验数据时根据文献[11]取为α=0.7,β=0.8。当混凝土龄期小于28d时,栓钉连接件的极限抗剪强度由于较低的混凝土强度而减小。关于栓钉连接件极限抗剪强度随混凝土龄期的变化规律,课题组已于2012年通过推出试验进行了研究,并给出了不同混凝土龄期t时栓钉连接件的极限抗剪强度与28d龄期时的关系[12]Qtu=1.01Q28ue-0.56t+0.21(2)式中:Qtu为混凝土任意龄期t时栓钉连接件的极限抗剪强度;t为混凝土龄期,d。当有推出试验实测资料时,Q28u可取推出试件在28d混凝土龄期时的极限抗剪强度平均值;无实测资料时,可根据GB500017-2003《钢结构设计规范》[13]条文说明中的第11.3.1条式(76)计算其理论值。根据文献[12]中的试验结果,混凝土在不同龄期时所表现的荷载-滑移规律基本相同,因此在任意龄期t时,可近似采用与28d龄期相同的剪力-滑移规律,只需将式(1)中的Q28u变为Qtu即可Q=Qtu1-e-β()sα(3)在有限元模型中,假设栓钉连接件沿曲梁切向与径向的滑移规律相同。分别采用切向和径向弹簧单元对钢梁和混凝土上相对应的节点进行连接,首先由式(2)计算出不同混凝土龄期时栓钉连接件的极限抗剪强度,再通过弹簧单元的实常数根据式(3)的规律分别定义出连接件在径向及切向的剪力-滑移关系,从而实现对连接件时变抗剪性能的模拟。(2)竖向的时变轴力-掀起变形关系混凝土完全硬化后,由于混凝土板与钢梁之间的竖向掀起变形很小,一般在结合梁的数值模拟中均不考虑,但当混凝土龄期较小时,结合面上的掀起变形不能忽略。由于目前鲜有