亳蕪高架橋剪力釘受力變形模擬分析

李 琨，呂秋玲，劉 成

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

目前的橋梁工程中，鋼-混組合梁橋被廣泛運用，剪力釘是鋼-混組合梁重要的連接部件，其受力性能會直接影響橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.國內(nèi)外眾多專家和學者針對剪力釘連接部件的力學性能展開了研究[1-3].丁發(fā)興等[4]通過有限元軟件建立推出實驗模型，結(jié)果表明剪力釘受剪承載力與剪力釘?shù)闹睆?、混凝土強度成正相關(guān).黃僑等[5]利用ABAQUS有限元軟件分析出剪力釘直徑對剪力釘?shù)目辜舫休d力影響較大.封博文等[6]研究了施工誤差對剪力釘力學性能的影響，得出了混凝土澆筑不密實會造成剪力釘抗剪承載力明顯下降.然而，目前對亳蕪高架橋剪力釘受力的研究較少，因此本文采用了有限元軟件Midas建立了亳蕪高架橋上部結(jié)構(gòu)局部模型，分析了在剪力釘長度、直徑、混凝土強度等方面對剪力釘?shù)氖芰ψ冃我?guī)律，同時，為類似項目提供一定參考.

1 工程概況

亳蕪大道處于高架快速路段，長約8.2 km,規(guī)劃紅線寬60 m.高架主線橋自光明路以北約400 m處起橋，向南連續(xù)穿越老城區(qū)、新城區(qū)后在酒城大道，以南約380 m處落地，全長約8.2 km.高架橋主橋標準段寬25.0 m,雙向6車道.橋下地面設(shè)置輔道，與被交道路形成地面平交口.設(shè)計車速為80 km/h (地面快速路、高架道路主線)；橋梁設(shè)計年限為100年，凈空不小于4.5 m，抗震設(shè)防烈度為7度，地震峰值加速度為0.1 g.

2 有限元建模

根據(jù)本工程實例的初步概況，結(jié)合相關(guān)參考實例分析，運用有限元分析軟件MIDAS GTS/NX進行模擬分析，橋梁上部受力結(jié)構(gòu)采用局部有限元分析，建立工字鋼、剪力釘和橋面板3種結(jié)構(gòu)組合模型，并進行組合結(jié)構(gòu)的建模和工況分析.

2.1 參數(shù)設(shè)置與網(wǎng)格劃分

工字型鋼梁上翼緣焊接剪力釘，橋面板與工字型鋼梁組合形成小組合梁，剪力釘平齊于底層混凝土橋面板，最后在底層混凝土板上現(xiàn)澆上層混凝土板，形成最后主梁結(jié)構(gòu)，上層混凝土板與底層混凝土板通過錨固鋼筋及剪力釘進行連接，形成多層組合梁結(jié)構(gòu).底層混凝土橋面板采用C50混凝土，按鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)設(shè)計.混凝土板中梁處寬2 290 mm,邊梁處寬1 995 mm.板厚100 mm.剪力釘采用22 mm×240 mm，單片工字型鋼梁頂板橫向布置3根，橫向間距為110 mm；縱向采用集束式布置，單個釘群縱向布置為5排，高240 mm的剪力釘與高95 mm的剪力釘縱向交錯布置，焊釘剪力鍵縱向間距100 mm,每一束釘群中心線之間的縱向距離為1 000 mm.

建模結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列，局部結(jié)構(gòu)整體網(wǎng)格如圖1所示.

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 局部結(jié)構(gòu)整體網(wǎng)格

2.2 設(shè)置荷載條件與工況

圖2 局部結(jié)構(gòu)荷載

表2 模型工況

根據(jù)本項目設(shè)計和工程實例現(xiàn)場情況，設(shè)置基本邊界條件，荷載方面除了本身的自重外，還要考慮到橋面板上的車輛移動荷載，將此荷載轉(zhuǎn)為車與橋面板的摩阻力[7]，在建模中運用面荷載加載于橋面板一側(cè)，從而實現(xiàn)荷載的導入，并與實際工況相同.結(jié)構(gòu)荷載加載方式如圖2所示，具體工況如表2所列.

3 模擬分析

3.1 剪力釘長度、直徑參數(shù)的變形分析

為研究剪力釘自身長度對其剪應力的影響，在模擬中分別采用長度為100 mm、80 mm和60 mm的剪力釘，其他因素相同.通過圖3-圖5可知，長度為100 mm的剪力釘?shù)氖芰μ攸c整體表現(xiàn)為頂部所受剪應力最大，中部次之，尾部最小，從尾部到頂部呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢[8].長度為80 mm時，剪力釘?shù)募魬Υ笮『头秶l(fā)生了變化，最大剪應力出現(xiàn)在尾部，頂部和中部剪應力較小.當長度為60 mm時，剪力釘?shù)募魬Τ霈F(xiàn)兩端大、中部小的特點，且剪應力整體數(shù)值相比于長度大的剪力釘?shù)脑龃?從整體剪力釘?shù)氖芰Υ笮∩峡?，隨著剪力釘長度的增加，剪力釘整體所受的剪應力逐漸減小，且受力范圍表現(xiàn)不一.對剪力釘直徑進行了3種工況的模擬研究，建立剪力釘直徑分別為16 mm、19 mm和22 mm的剪力釘，在混凝土強度等級、剪力釘長度相同時，隨著剪力釘直徑的增加，剪力釘抗剪承載力和抗剪剛度[9]都逐漸增加.在相同直徑時，混凝土強度越大，剪力釘?shù)目辜舫休d力和抗剪剛度也越來越大.不同直徑剪力釘?shù)某休d力、剛度變化如表3所列.

圖3 剪力釘剪應力云圖(長度100 mm)

圖4 剪力釘剪應力云圖(長度80 mm)

圖5 剪力釘剪應力云圖(長度60 mm)

表3 剪力釘承載力、剛度的變化對比

3.2 混凝土強度參數(shù)的變形分析

在相同長度、相同直徑的情況下，通過改變剪力釘上部混凝土結(jié)構(gòu)板的材料屬性，采用不同強度等級混凝土，研究剪力釘所受剪應力的變化.模擬過程中將結(jié)構(gòu)板的混凝土強度等級分別采用C40、C50和C60，其他條件不變，不同強度下的剪力釘剪應力云圖如圖6-圖8所示.

根據(jù)圖6-圖8剪力釘剪應力云圖可知，剪力釘?shù)氖芰μ攸c整體表現(xiàn)為頂部所受剪應力最大，中部次之，尾部最小，從尾部到頂部呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著混凝土強度等級的增加，剪力釘所受的剪應力逐漸增加，受力范圍也相應加大.

圖6 剪力釘剪應力云圖(C40混凝土)

圖7 剪力釘剪應力云圖(C50混凝土)

圖8 剪力釘剪應力云圖(C60混凝土)

4 結(jié)論

文章通過數(shù)值模擬方法對亳蕪大道高架橋局部結(jié)構(gòu)進行有限元分析，不同參數(shù)對橋梁剪力釘?shù)氖芰ψ冃斡绊懖煌?，剪力釘?shù)募魬εc其上部橋面板的混凝土強度等級呈正比關(guān)系，且剪力釘?shù)目辜舫休d力、抗剪剛度隨著混凝土強度的增加而增大；剪力釘自身長度和直徑對其剪應力、抗剪承載力和抗剪剛度的影響不同，剪力釘長度與其剪應力呈反比，剪力釘直徑與其抗剪承載力、抗剪剛度呈正比.