UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋構(gòu)造設(shè)計及局部受力分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1098UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋構(gòu)造設(shè)計及局部受力分析案例 1289431.1概述 1138431.1.1體外預(yù)應(yīng)力構(gòu)造 180031.1.2接縫位置 2277531.1.3UHPC本構(gòu)模型 257631.2轉(zhuǎn)向塊受力性能分析 383261.2.1轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造分析 3293711.2.2計算有限元模型 4204311.2.3受力性能分析 641331.3錨固塊受力性能分析 941921.1.1錨固橫梁構(gòu)造分析 9133531.1.2計算有限元模型 10252921.1.3受力性能分析 10129511.4接縫及剪力鍵研究 12294511.4.1接縫形式 1265011.4.2剪力鍵構(gòu)造分析 13188591.4.3計算有限元模型 14326511.4.4剪力鍵受力性能分析 15142751.5本章小結(jié) 171.1概述1.1.1體外預(yù)應(yīng)力構(gòu)造UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋?yàn)榱顺浞掷贸咝阅芑炷粮邚?qiáng)的材料性能，橋梁截面尺寸相比于傳統(tǒng)混凝土得到了大幅度的減小。截面尺寸的減小帶來的問題是無法大量配置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束。另一方面，節(jié)段接縫位置由于抗剪的需要，腹板處需要密布剪力鍵齒以適應(yīng)抗剪需要，因此無法過多布置腹板體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束。將體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)和UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋相結(jié)合，可以很好地解決由于UHPC梁橋截面尺寸減小而無法布置足夠的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索的問題。體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)主要由四個基本部分組成：體外預(yù)應(yīng)力索、預(yù)應(yīng)力鋼束的轉(zhuǎn)向裝置、錨固系統(tǒng)以及鋼束的減震裝置。如圖3-1所示。圖3-1體外預(yù)應(yīng)力鋼束體系的基本組成體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)是將預(yù)應(yīng)力鋼束布置在梁體截面外部，通過梁端錨具和轉(zhuǎn)向裝置傳遞預(yù)加應(yīng)力，對于工程中常用的雙折線線形體外預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力筋與梁體結(jié)構(gòu)只在錨固橫梁與轉(zhuǎn)向塊位置處相聯(lián)。為了有效、安全的傳遞預(yù)應(yīng)力，錨固橫梁與轉(zhuǎn)向裝置需要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計與分析。UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋?yàn)榱诉m應(yīng)截面帶來的變化，大量布置體外束，體外預(yù)應(yīng)力錨固塊和轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計研究變得尤為重要。1.1.2接縫位置UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋接縫位置的抗剪是橋梁的薄弱環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)研究和關(guān)注。接縫作為節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋特殊構(gòu)造，目的是為了匹配節(jié)段間的連接以及保證接縫截面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力平順的傳遞。《四川省城鎮(zhèn)節(jié)段預(yù)制超高性能混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋接縫構(gòu)造應(yīng)滿足以下要求：（1）體內(nèi)外混合預(yù)應(yīng)力、循環(huán)凍融及采用化學(xué)消冰的預(yù)制節(jié)段式梁，應(yīng)采用環(huán)氧樹脂膠結(jié)接縫；全體外預(yù)應(yīng)力、不發(fā)生循環(huán)凍融和不用化學(xué)消冰的預(yù)制節(jié)段式梁，可采用表面不涂任何封閉粘結(jié)劑的干接縫。膠接縫拼接后接縫截面應(yīng)保持約0.3MPa的臨時壓應(yīng)力，直至環(huán)氧樹脂膠體固化。（2）預(yù)制節(jié)段接縫處應(yīng)設(shè)置剪力鍵。1.1.3UHPC本構(gòu)模型《四川省城鎮(zhèn)節(jié)段預(yù)制超高性能混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》給出了設(shè)計階段UHPC材料本構(gòu)模型，對于UHPCR120，峰值應(yīng)變?nèi)ˇ?=0.0015，極限壓應(yīng)變?nèi)cu=0.0033，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3-2。對于UHPCR120，其受拉應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3-3。極限拉應(yīng)變設(shè)計值取Eu=3000με，其中K為纖維取向系數(shù)。圖3-2UHPC受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖3-3UHPC受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線1.2轉(zhuǎn)向塊受力性能分析轉(zhuǎn)向裝置是體外預(yù)應(yīng)力最關(guān)鍵最重要的局部構(gòu)造之一。體外預(yù)應(yīng)力在轉(zhuǎn)向裝置位置處實(shí)現(xiàn)線形變化，進(jìn)而擬合吻合束，從而適應(yīng)荷載作用下的受力需求。利用轉(zhuǎn)向塊合理調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼束線形，可以有效改善橋梁結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪能力。UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋由于梁高的降低以及腹板厚度的減小，梁端支點(diǎn)位置處抗剪能力不足。通過大量布置體外預(yù)應(yīng)力鋼束，并且在梁端有較大彎起角度，可以為支點(diǎn)位置抗剪提供較為可靠的預(yù)剪力，進(jìn)而提高橋梁的抗剪承載能力。而體外預(yù)應(yīng)力鋼束彎起角度的增大，導(dǎo)致UHPC轉(zhuǎn)向塊需要承受巨大的豎向集中力以及孔道截面滑移摩擦力的作用，應(yīng)力十分復(fù)雜[56]。因此，UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)受力需要進(jìn)行深入研究。1.2.1轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造分析節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置常見構(gòu)造有塊式、肋式、橫隔板式這三種形式，如圖3-4。a)塊式轉(zhuǎn)向塊b)肋式轉(zhuǎn)向塊c)橫隔板式轉(zhuǎn)向塊圖3-4體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊形式塊式轉(zhuǎn)向塊一般布置在底板和腹板相交的梗肋處或其附近。塊式轉(zhuǎn)向塊與箱梁腹板和底板聯(lián)成一體并采用固定轉(zhuǎn)向裝置。其體積和質(zhì)量均較小，易于施工澆筑成塊，給梁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載小，有利于實(shí)現(xiàn)UHPC構(gòu)件輕型化，便于節(jié)段運(yùn)輸與吊裝。但塊式轉(zhuǎn)向塊受力特點(diǎn)是承受拉應(yīng)力為主，破壞時塊體開裂，不能像橫隔板式和肋式轉(zhuǎn)向塊形成受壓支柱，因此承載能力較小。另外對于UHPC箱梁來說，底板和腹板厚度較小，過大的轉(zhuǎn)向力可能使轉(zhuǎn)向塊從梁體拉脫的傾向，甚至導(dǎo)致底板及腹板的開裂。橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向塊貫穿整個箱梁內(nèi)室高度方向，縱橋向厚度也比較大，相比于塊式轉(zhuǎn)向塊，橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向塊體積及質(zhì)量較大，大大增加了恒載重量，施工澆筑也比較復(fù)雜，不利于UHPC構(gòu)件輕型化。橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向塊受力特點(diǎn)是力筋作用時孔道頂板或底板抵抗轉(zhuǎn)向力作用并形成壓力區(qū)，破壞時受壓柱內(nèi)部橫向拉應(yīng)力增大而形成劈裂破壞。橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向塊可以利用橫隔板或肋板與腹板及頂、底板的連接強(qiáng)度，可承載較大的轉(zhuǎn)向力。各類轉(zhuǎn)向塊的比較見表3-1。表3-1各類轉(zhuǎn)向塊的優(yōu)缺點(diǎn)類型塊式轉(zhuǎn)向塊橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造特點(diǎn)體積、質(zhì)量均較小，配筋復(fù)雜體積大，結(jié)構(gòu)恒載重量增加明顯，配筋復(fù)雜受力特點(diǎn)以受拉為主，承載能力較小轉(zhuǎn)向裝置到箱體部分的肋板形成受壓柱承破壞模式混凝土受拉開裂，環(huán)向鋼筋屈受壓柱部分混凝土劈裂環(huán)向鋼筋屈服適用情況所需轉(zhuǎn)向力小，或僅為減小預(yù)所需轉(zhuǎn)向自由長度時所需轉(zhuǎn)向力大或同時有豎向橫向轉(zhuǎn)向力需求時從表3-1可以看出，體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置形式較多，各種形式都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。從UHPC節(jié)段運(yùn)輸和吊裝角度來看，選擇質(zhì)量輕巧的塊式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)為宜，但存在的問題是轉(zhuǎn)向承載力較差，還容易造成底板拉裂；對于腹板位置體外預(yù)應(yīng)力束，還需在腹板設(shè)置多個轉(zhuǎn)向；從結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)來看，橫隔板式、肋式轉(zhuǎn)向塊有較大轉(zhuǎn)向承載力，也能協(xié)助腹板體外束轉(zhuǎn)向，但體積大，結(jié)構(gòu)自重增加較多。因此，UHPC箱梁選用何種形式的轉(zhuǎn)向裝置值得研究。不同于普通混凝土轉(zhuǎn)向構(gòu)造，UHPC材料有一定抗拉強(qiáng)度，轉(zhuǎn)向塊設(shè)計時可以利用這一材料特性，簡化配筋，以提高工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)效率。1.2.2計算有限元模型結(jié)合以上轉(zhuǎn)向塊結(jié)構(gòu)形式比選，本文主要以塊式和肋式轉(zhuǎn)向裝置這兩種受力特點(diǎn)截然不同構(gòu)造進(jìn)行研究，不再計算橫隔板式轉(zhuǎn)向塊。轉(zhuǎn)向裝置主要承受來自體外預(yù)應(yīng)力束的垂直分力Nvd和水平分力Nhd以及預(yù)應(yīng)力鋼束與轉(zhuǎn)向管道壁之間的滑移摩阻力Np,e。《四川省城鎮(zhèn)節(jié)段預(yù)制超高性能混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》給出了Nvd、Nhd的計算方法，見式（3-1）。本次設(shè)計的UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋體外預(yù)應(yīng)力筋平彎角度很小，因此計算時忽略轉(zhuǎn)向力的水平分力Nhd，只考慮垂直分力Nvd和滑移摩阻力。圖3-5轉(zhuǎn)向塊受力分析圖示NhdNvdNp,式中：NhdNvdNp,eθeβeσpe,eAp,e轉(zhuǎn)向管道壁與預(yù)應(yīng)力束之間滑移產(chǎn)生的摩阻力，按照《公路體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計指南》所給的計算進(jìn)行計算，見公式（3-2）。σ11式中：k—單位長度管道軸線局部偏差的摩擦系數(shù)(1/m)；x—自張拉端的管道累計計算長度(m)；μ—鋼束與曲線管道的摩擦系數(shù)；θ—自張拉端的管道累計偏轉(zhuǎn)角(rad)。50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑跨中體外預(yù)應(yīng)力布置如圖3-6所示。底板體外預(yù)應(yīng)力束采用27ΦS15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力孔道直徑130mm；腹板體外預(yù)應(yīng)力束采用14ΦS15.24，預(yù)應(yīng)力孔道直徑90mm，預(yù)應(yīng)力極限抗拉強(qiáng)度1860MPa，體外預(yù)應(yīng)力鋼束有效張拉控制應(yīng)力1209MPa。UHPC材料本構(gòu)關(guān)系見本章1.1.3小節(jié)，計算時不考慮結(jié)構(gòu)自重。圖3-650m跨徑轉(zhuǎn)向裝置布置（單位：cm）根據(jù)公式3-1和公式3-2，計算得到的單個孔道上作用的體外預(yù)應(yīng)力束豎向轉(zhuǎn)向力及滑移摩阻力見表3-2。表3-2單個孔道作用轉(zhuǎn)向力計算表鋼束名稱鋼束型號轉(zhuǎn)向角度θ最大張拉力N豎向轉(zhuǎn)向力Nvd滑移摩阻力f底板束27ΦS15.242.1°4570kN175.4kN4.536kN腹板束14ΦS15.245.32°2370kN227kN18.5kN將計算所得的豎向轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化為孔道上表面半圓范圍里的均布壓力施加，摩阻力轉(zhuǎn)化為孔道上表面半圓范圍里的切應(yīng)力施加[57]。利用通用有限元軟件ABAQUS建立塊式轉(zhuǎn)向塊和肋式轉(zhuǎn)向塊三維實(shí)體單元模型，結(jié)構(gòu)模型采用減縮積分單元C3D8R進(jìn)行模擬。箱梁計算長度取6m，盡量減少轉(zhuǎn)向塊對箱梁板件的局部應(yīng)力影響。6m截面上的節(jié)點(diǎn)完全固結(jié)。箱梁橫向?yàn)閤軸，縱向?yàn)閥軸，豎向?yàn)閦軸。建立的有限模型及網(wǎng)格劃分如圖3-7。圖3-7轉(zhuǎn)向塊有限元模型及網(wǎng)格劃分1.2.3受力性能分析塊式轉(zhuǎn)向塊因其質(zhì)量輕，體積小，結(jié)構(gòu)更加簡單，相比于肋式轉(zhuǎn)向塊更易于工廠預(yù)制，因此UHPC節(jié)段預(yù)制梁橋體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)該優(yōu)先選用塊式轉(zhuǎn)向塊。根據(jù)轉(zhuǎn)向力大小，初擬塊式轉(zhuǎn)向塊厚度0.8m,高度0.4m，研究塊式轉(zhuǎn)向塊受力特點(diǎn)。計算結(jié)果見表3-3。表3-3塊式轉(zhuǎn)向塊截面應(yīng)力分布（單位：MPa）類型高度0.4m，厚度0.8m高度0.4m，厚度1.0m高度0.5m，厚度1.0m主拉應(yīng)力豎向應(yīng)力計算結(jié)果表明：從表3-3左列應(yīng)力云圖可以看出，50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊采用塊式時，在轉(zhuǎn)向力作用下，塊式轉(zhuǎn)向塊在轉(zhuǎn)向孔道下部沿著底板部分產(chǎn)生很大主拉應(yīng)力和豎向拉應(yīng)力，總體拉應(yīng)力水平5MPa以上；轉(zhuǎn)向塊內(nèi)側(cè)厚度方向與底板相交處產(chǎn)生拉應(yīng)水平在30-40MPa，最大主拉應(yīng)力40.0MPa，最大豎向應(yīng)力34.6MPa，塊式轉(zhuǎn)向塊有與箱梁底板拉脫的趨勢。在作用荷載不變的情況下，首先將轉(zhuǎn)向塊厚度增加至1.0m，高度仍為0.4m，觀察拉應(yīng)力水平是否有明顯降低。從表3-3中列應(yīng)力云圖可以看出，將塊式轉(zhuǎn)向塊厚度增至1.0m時，轉(zhuǎn)向塊內(nèi)側(cè)厚度方向與底板相交處產(chǎn)生拉應(yīng)水平得到降低，最大主拉應(yīng)力38.8MPa，最大豎向應(yīng)力31.6MPa，拉應(yīng)水平下降較少，塊式轉(zhuǎn)向塊仍有與箱梁底板拉脫的趨勢。在轉(zhuǎn)向塊厚度為1.0m的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)向塊高度增加至0.5m，同樣分析拉應(yīng)力變化幅度。從表3-3右列應(yīng)力云圖可以看出，轉(zhuǎn)向塊高度的增加主要減少孔道下部與底板相交位置拉應(yīng)力，而轉(zhuǎn)向塊內(nèi)側(cè)厚度方向與底板相交處產(chǎn)生拉應(yīng)水平仍維持在30-40MPa，并不能改善底板被拉壞的風(fēng)險。通過以上分析，塊式轉(zhuǎn)向塊質(zhì)量輕，體積小，有利于UHPC結(jié)構(gòu)裝配輕型化，但不能滿足轉(zhuǎn)向承載力的要求，因此50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑轉(zhuǎn)向裝置不宜采用塊式轉(zhuǎn)向塊構(gòu)造形式。肋式轉(zhuǎn)向塊體積大，結(jié)構(gòu)自重增加較多，但有較大轉(zhuǎn)向承載力，且肋式轉(zhuǎn)向塊受力特點(diǎn)是以受壓為主，可以充分利用UHPC材料抗壓強(qiáng)度。初擬肋式轉(zhuǎn)向塊厚度為0.6m，計算結(jié)果見表3-4。表3-4肋式轉(zhuǎn)向塊截面應(yīng)力分布（單位：MPa）轉(zhuǎn)向塊厚度0.6m轉(zhuǎn)向塊厚度0.4m轉(zhuǎn)向塊厚度0.2m主拉應(yīng)力主壓應(yīng)力豎向應(yīng)力計算結(jié)果表明：從表3-4左列應(yīng)力云圖可以看出，50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊采用塊式時，在轉(zhuǎn)向力作用下，受力特點(diǎn)明顯明顯優(yōu)于塊式轉(zhuǎn)向塊。肋式轉(zhuǎn)向塊將轉(zhuǎn)向力傳遞到箱梁底板、頂板和腹板，轉(zhuǎn)向力作用位置上部結(jié)構(gòu)全部承受壓應(yīng)力，且應(yīng)力水平很低，在0.5MPa左右，最大壓應(yīng)力水平在孔道上側(cè)附近，剔除孔道位置應(yīng)力集中點(diǎn)，如圖3-8，最大主壓應(yīng)力值約為1.4MPa，最大豎向壓應(yīng)力約為1.0MPa；轉(zhuǎn)向力作用位置下部產(chǎn)生較小的拉應(yīng)力，約為1.2MPa。顯然，0.6m轉(zhuǎn)向塊厚度并沒有充分利用UHPC材料性能，為了充分利用UHPC抗壓強(qiáng)度，將轉(zhuǎn)向塊厚度從0.6m、0.4m、0.2m進(jìn)行減薄，研究其受力特點(diǎn)。當(dāng)肋式轉(zhuǎn)向塊厚度從0.6m、0.4m、0.2m進(jìn)行變化時，見表3-4，剔除孔道位置應(yīng)力集中點(diǎn)，如圖3-8，肋式裝轉(zhuǎn)向塊孔道上部結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力由1.3MPa增大到9.6MPa，此時任然滿足UHPC抗壓強(qiáng)度。但是當(dāng)轉(zhuǎn)向塊厚度從0.6m-0.2m變化時，肋式轉(zhuǎn)向塊孔道下側(cè)最大主拉應(yīng)力從1.2MPa增大到5.0MPa左右，超過了UHPC材料抗拉設(shè)計強(qiáng)度，因此將50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑UHPC轉(zhuǎn)向塊厚度定在0.4m左右為宜。a)孔道縱截面應(yīng)力集中b)孔道橫截面應(yīng)力集中圖3-8預(yù)應(yīng)力孔道應(yīng)力集中（單位：MPa）肋式轉(zhuǎn)向塊雖然較塊式轉(zhuǎn)向塊體積較大，質(zhì)量較重，但其更好地利用了UHPC材料特點(diǎn)，所以在標(biāo)準(zhǔn)大跨徑節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計時推薦使用肋式轉(zhuǎn)向塊。已有研究表明[56]，在同時滿足1000kN轉(zhuǎn)向力需求的條件下，UHPC肋式轉(zhuǎn)向裝置的質(zhì)量大約僅是普通混凝土轉(zhuǎn)向塊質(zhì)量的1.91%。隨著橋梁跨徑進(jìn)一步增大，其預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要的轉(zhuǎn)向裝置數(shù)量或更多，體積也會更大，這樣看來，UHPC肋塊式轉(zhuǎn)向塊質(zhì)量較輕帶來的經(jīng)濟(jì)性還是十分明顯的。此外，UHPC肋塊式轉(zhuǎn)向塊可以與UHPC箱梁節(jié)段一同在工廠進(jìn)行預(yù)制，其施工質(zhì)量相對較高；普通混凝土轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)大多都在現(xiàn)場進(jìn)行立模澆筑，且其結(jié)構(gòu)大、配筋復(fù)雜，現(xiàn)場的施工質(zhì)量難易控制。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的可靠性是影響體外預(yù)應(yīng)力體系最關(guān)鍵的一環(huán)，所以UHPC肋塊式轉(zhuǎn)向塊的施工性亦優(yōu)于普通混凝土轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。綜上，僅從局部構(gòu)造的施工工藝和材料用量來看，UHPC材料在裝配式橋梁中帶來的變化還是非常明顯的。1.3錨固塊受力性能分析體外預(yù)應(yīng)力束在梁端通過錨固系統(tǒng)將預(yù)應(yīng)力傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)中，錨固系統(tǒng)失效帶來的災(zāi)難性后果可想而知。工程中，除了設(shè)置安全備用預(yù)應(yīng)力鋼筋以外，更多情況下是通過對錨固系統(tǒng)的單獨(dú)設(shè)計來保障結(jié)構(gòu)安全。城鎮(zhèn)UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)快速裝配，一般情況下會減少預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)格類型及線形數(shù)量，采用大束體外預(yù)應(yīng)力配筋，從而減少預(yù)應(yīng)力筋的張拉次數(shù)，縮短施工時間。采用大束配束，帶來的問題是預(yù)應(yīng)力筋錨固的困難。對于節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋來說，通常在梁端設(shè)置錨固橫梁，用于體外預(yù)應(yīng)力鋼束的集中錨固。大面積體外預(yù)應(yīng)力筋集中錨固使得錨固橫梁受到很大的局部應(yīng)力，UHPC材料處于三項應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力分布復(fù)雜，分布規(guī)律需要研究[58]。1.1.1錨固橫梁構(gòu)造分析體外預(yù)應(yīng)力錨固構(gòu)造主要有以下三種形式：（1）錨固橫梁為三邊支承，箱梁中心線附近為自由邊，如圖3-9a)；（2）錨固橫梁由頂板，底板和腹板四邊支承，中間留有人孔，如圖3-9b)；（3）錨固橫梁四邊支承，為封閉狀態(tài)，如圖3-9c)。a)三邊支承b)四邊支承，留人孔c)四邊支承，封閉圖3-9錨固橫梁的三種典型形狀前兩種形式錨固橫梁應(yīng)用較為廣泛，都留有過人通道，成橋后便于檢修和預(yù)應(yīng)力鋼束的更換。第三種箱梁成閉口狀態(tài)，不利于成橋后檢修，應(yīng)用較少。城鎮(zhèn)UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋設(shè)計為了便于日后檢修和預(yù)應(yīng)力鋼束的更換，采用錨固橫梁由頂板，底板和腹板四邊支承，中間留有人孔的形式，如圖3-9b)。1.1.2計算有限元模型50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑錨固橫梁尺寸及預(yù)應(yīng)力錨固布置如圖3-10。其中，錨固橫梁厚度為1.5m。圖3-10錨固橫梁布置（單位：cm）體外預(yù)應(yīng)力束采用27ΦS15.24預(yù)應(yīng)力鋼絞線；體外預(yù)應(yīng)力極限抗拉強(qiáng)度1860MPa，有效張拉控制應(yīng)力1209MPa。UHPC材料本構(gòu)關(guān)系見本章1.1.3小節(jié)，計算時不考慮結(jié)構(gòu)自重，體外預(yù)應(yīng)力錨固作用以面壓力荷載的形式作用在錨墊板上。計算所需施加的荷載見表3-5。表3-5錨固橫梁計算荷載計算位置鋼束型號張拉控制應(yīng)力張拉力錨墊板面積施加的均布力錨固橫梁27ΦS15.241209MPa4570kN76726mm259.5N/mm2利用通用有限元軟件ABAQUS建立梁端錨固橫梁三維實(shí)體單元模型，結(jié)構(gòu)模型采用減縮積分單元C3D8R進(jìn)行模擬。為了減小箱梁節(jié)段約束邊界條件對錨固系統(tǒng)計算產(chǎn)生的誤差，根據(jù)圣維南原理，箱梁計算長度取6m，梁端截面約束條件為完全固結(jié)。計算時不考慮結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的影響，荷載效應(yīng)全部來自于體外預(yù)應(yīng)力鋼束。將預(yù)應(yīng)力荷載等效為沿箱梁縱橋向作用的均布力作用于錨墊板。建立的錨固橫梁計算有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖3-11。圖3-11錨固橫梁及網(wǎng)格劃分1.1.3受力性能分析錨固橫梁的計算結(jié)果如表3-6所示。為了分析錨固橫梁三向應(yīng)力狀態(tài)受力特點(diǎn)，給出錨固橫梁內(nèi)外側(cè)橫向應(yīng)力、豎向應(yīng)力以及主拉應(yīng)分布應(yīng)力云圖。表3-6錨固橫梁截面應(yīng)力分布（單位：MPa）橫向應(yīng)力豎向應(yīng)力主應(yīng)力橫梁內(nèi)側(cè)橫梁外側(cè)從表3-6應(yīng)力云圖可以看出，剔除錨墊板以及應(yīng)力孔道應(yīng)力集中點(diǎn)值，錨固橫梁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁的內(nèi)側(cè)表面上。其中橫向最大拉應(yīng)力為4.82MPa，位置在錨固橫梁內(nèi)側(cè)靠近腹板一側(cè)，即鋼束錨固力合力作用點(diǎn)附近。最大豎向拉應(yīng)力為4.84MPa，位置與最大橫向正應(yīng)力相似。最大主拉應(yīng)力為5.4MPa，出現(xiàn)過人洞上側(cè)區(qū)域。橫梁的內(nèi)側(cè)表面上錨墊板及孔道附近位置存在明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大橫向壓應(yīng)力為31.5MPa，最大豎向壓應(yīng)力為32.7MPa。錨墊板出應(yīng)力集中嚴(yán)重，應(yīng)做加強(qiáng)處理。結(jié)合以上應(yīng)力分析結(jié)果，對于錨固橫梁的設(shè)計給出以下建議：錨固橫梁內(nèi)側(cè)在錨固力作用時產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，橫梁很容易在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫，普通混凝土結(jié)構(gòu)需要在橫梁內(nèi)側(cè)布置豎向和橫向的受拉鋼筋來抵抗拉應(yīng)力作用。但對于UHPC結(jié)構(gòu)來說，材料本身具有一定的抗拉強(qiáng)度，可以通過較小的增大錨固橫梁的厚度，來取消受拉鋼筋的配置，簡化構(gòu)件預(yù)制難度，更好地應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。雖然由頂板，底板和腹板四邊支承，中間留有人孔這種形式的錨固橫梁便于施工和后期預(yù)應(yīng)力鋼束的更換，但是由于過人洞的出現(xiàn)，人洞上側(cè)區(qū)域應(yīng)力集中嚴(yán)重，產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，見圖3-12，因此建議在人洞位置處倒角并局部加強(qiáng)。錨墊板位置處應(yīng)力復(fù)雜，體外預(yù)應(yīng)力在此處產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力，見圖3-13，為防止UHPC被壓潰，應(yīng)在此處做加強(qiáng)處理。圖3-12過人洞上側(cè)應(yīng)力集中（單位：MPa）圖3-13錨墊板處應(yīng)力集中（單位：MPa）1.4接縫及剪力鍵研究1.4.1接縫形式節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋上部結(jié)構(gòu)連接形式主要有以下三種：（1）濕接縫：節(jié)段間連接采用濕接縫形式時，通常的做法是橋面環(huán)形鋼筋后澆帶，通過端部的環(huán)形鋼筋相互搭接，并設(shè)置貫穿鋼筋形成，要求環(huán)形鋼筋具有足夠的搭接長度，所以該濕接縫的寬度一般比較大，通常達(dá)40cm~100cm。（2）膠接縫：節(jié)段間連接形式為膠接縫時，通常需布置剪力鍵，同時在接縫位置處及剪力鍵表面涂抹厚度大約在0.8-1.0mm之間的環(huán)氧樹脂膠，然后拼接完成形成一個整體。膠接縫各節(jié)段通過剪力鍵及預(yù)應(yīng)力形成整體，節(jié)段之間依靠剪力鍵相互咬合產(chǎn)生摩擦力傳遞剪力，通過預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力傳遞彎矩。（3）干接縫：節(jié)段之間不涂任何粘結(jié)材料而直接相拼的接縫。對于UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁來說膠接縫和干接縫是最為合適的兩種節(jié)段間的連接方式[59]。這是因?yàn)?，相比于濕接縫，膠接縫和干接縫都要在節(jié)段連接處設(shè)置剪力鍵。剪力鍵的作用是協(xié)助節(jié)段拼裝時的鑲嵌定位，使當(dāng)前節(jié)段準(zhǔn)確地拼接上另一節(jié)段。這對裝配式橋梁的建造質(zhì)量是大有幫助的。已有研究表明[60][61]，膠接縫的抗剪強(qiáng)度高于干接縫，并且接近于整體澆筑構(gòu)件。對于目前廣泛采用密布剪力鍵的膠接縫來說，其平均強(qiáng)度要比同樣鍵齒布置方式的干接縫25%-60%。另外，UHPC預(yù)制節(jié)段連接方式采用膠接縫時，《四川省城鎮(zhèn)節(jié)段預(yù)制超高性能混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ51/T138-2020)推薦其膠接縫材料宜采用緩凝型環(huán)氧樹脂膠粘劑，并給出了主要技術(shù)指標(biāo)。接縫位置處粘結(jié)面的受力情況比較復(fù)雜，為防止因環(huán)氧樹脂強(qiáng)度不夠而引發(fā)的破壞，一般要求膠體對材料的粘結(jié)強(qiáng)度必須大于材料本身的抗拉強(qiáng)度，膠體的抗壓強(qiáng)度也必須大于材料的抗壓強(qiáng)度。1.4.2剪力鍵構(gòu)造分析1.剪力鍵類型節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋剪力鍵一般采用單鍵和密鍵兩種布置形式。這兩種剪力鍵主要有以下特點(diǎn)和不同，見表3-7。表3-7剪力鍵布置類型類型單鍵密鍵數(shù)量在箱梁節(jié)段的腹板位置只設(shè)置一個尺寸較大的剪力鍵在箱梁節(jié)段的腹板位置設(shè)置多個尺寸較小多個連續(xù)的剪力鍵構(gòu)造特點(diǎn)鍵齒尺寸較大，且在鍵齒內(nèi)布置有加強(qiáng)鋼筋單個鍵齒尺寸很小，鍵齒無法做加強(qiáng)處理，鍵齒在運(yùn)輸和施工過程中容易被損壞受力特點(diǎn)剪力和節(jié)段間的正壓力集中作用在一個接觸面上由于鍵塊較多，剪力和正壓力在整個截面高度上傳遞，受力更均勻從受力性能上來分析，密布鍵齒有利于受力的整體性和剪力傳遞的均勻性，如圖3-14所示，因此UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋采用密鍵布置形式。圖3-14單鍵和密鍵受力形式對于密布剪力鍵，根據(jù)它們在節(jié)段表面布置的位置，可以分為腹板剪力鍵、頂板剪力鍵、底板剪力鍵和加腋剪力鍵五種形式。2.剪力鍵布置原則和尺寸剪力鍵布置主要考慮節(jié)段位置處抗剪性能，同時也要考慮施工的方便性。《四川省城鎮(zhèn)節(jié)段預(yù)制超高性能混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ51/T138-2020)規(guī)定剪力鍵的尺寸應(yīng)滿足以下規(guī)定：（1）腹板剪力鍵的布置范圍不宜小于梁高的75%，剪力鍵的橫向?qū)挾纫藶楦拱鍖挾鹊?5%。（2）剪力鍵應(yīng)采用梯形，傾角接近45°或圓角梯形截面，剪力鍵的高度不應(yīng)小于35mm，剪力鍵的高度與其平均寬度比為1:2。a)膠接縫正面b)側(cè)面c)剪力鍵大樣圖3-15剪力鍵尺寸示意1.4.3計算有限元模型UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋，橋梁整體在縱向被劃分成若干個節(jié)段。橋梁每個節(jié)段之間通過接縫構(gòu)造形成聯(lián)系進(jìn)而成為一個整體。UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋節(jié)段長度約為3-4m個，接縫在橋梁縱向布置較多，不同位置處的接縫受力形式大有不同，因此要分開討論。箱梁端部區(qū)域接縫主要受剪力作用，而對剪應(yīng)力的傳遞，則主要通過設(shè)置剪力鍵、保證接縫處的壓應(yīng)力儲備和增設(shè)環(huán)氧涂層來實(shí)現(xiàn)。接縫的抗剪能力受接縫處的預(yù)壓應(yīng)力、材料強(qiáng)度、鍵齒面的接觸面積、環(huán)氧涂層的厚度、剪力鍵的形式等諸多因素的影響。UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋接縫由于梁高的降低，以及腹板厚度的減小，在箱梁端部接縫位置處剪力鍵如果不進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計分析，很有可能在接縫位置處剪力鍵發(fā)生直剪破壞。因此，箱梁端部接縫的抗剪設(shè)計是UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。箱梁跨中附近區(qū)域接縫主要受剪力和彎矩共同作用，隨著接縫位置接近跨中，接縫位置主要受彎矩作用為主，但是隨著預(yù)應(yīng)力的施加，接縫位置的接縫面上始終保持為受壓狀態(tài)而不出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而保證接縫位置不會向兩側(cè)開張使應(yīng)力平滑傳遞。因此，本文選擇梁端受到剪力較大接縫位置處作為計算區(qū)域，跨中區(qū)域的剪力鍵布置則按照《四川省城鎮(zhèn)節(jié)段預(yù)制超高性能混凝土橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的構(gòu)造要求進(jìn)行布置，而不再進(jìn)行計算。在Midas中提取梁端截面內(nèi)力時，已經(jīng)考慮過預(yù)應(yīng)力彎起對抗剪和抗彎的影響，故建模時不再重復(fù)考慮。提取的內(nèi)力值見表3-8。表3-8剪力鍵計算荷載位置荷載組合軸力(kN)剪力(kN)彎矩(kN?m)梁端標(biāo)準(zhǔn)組合（包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)）-3987838796051頂板剪力鍵和底板剪力鍵主要起到安裝定位作用，不是主要的抗剪構(gòu)造，計算時忽略頂板和頂板剪力鍵。箱梁的腹板剪力鍵鍵齒通常不會穿透腹板，最外側(cè)會留下很薄的一層UHPC保護(hù)鍵齒不被侵蝕。在有限元模型計算時，為方便計算，防止保護(hù)層UHPC發(fā)生單元扭曲進(jìn)而影響結(jié)果的收斂，接縫計算時按穿透腹板處理。計算時取梁端兩個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，節(jié)段長度4m。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，對鍵齒局部進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格間距10mm，箱梁其余位置網(wǎng)格間距25mm，接縫位置處網(wǎng)格劃分如圖3-16所示。圖3-16鍵齒處網(wǎng)格劃分1.4.4剪力鍵受力性能分析1.干接縫計算結(jié)果及分析采用通用有限元分析軟件ABAQUS建立UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝箱梁密鍵干接縫有限元分析模型。結(jié)構(gòu)模型采用減縮積分單元C3D8R進(jìn)行模擬。利用ABAQUS相互作用中接觸命令建立接縫位置處接觸。接觸屬性定義為，對于切向行為定義為各項同性，UHPC材料摩擦系數(shù)取值為0.6，剪力無限制，最大彈性滑動位移設(shè)置為表面特征尺寸的1%。法向行為定義為“硬”接觸，即接觸面兩個單元間距為零時，接觸面能完全傳遞壓應(yīng)力，允許接觸后分離。邊界條件為陰齒所在節(jié)段側(cè)平面為固定面，設(shè)置參考點(diǎn)RP-1與其耦合，并施加完全固定約束，陽齒所在節(jié)段側(cè)平面設(shè)置參考點(diǎn)RP-2，并與其側(cè)平面耦合，同時施加剪力、彎矩和軸力，計算結(jié)果見圖3-17。a)主拉應(yīng)力（單位：MPa）b)主壓應(yīng)力（單位：MPa）c)豎向剪應(yīng)力（單位：MPa）d)相對位移（單位：mm）圖3-17干接縫計算結(jié)果由圖3-17計算云圖看出，50m標(biāo)準(zhǔn)跨徑UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋接縫形式為干接縫時，剪力鍵位置處受力特點(diǎn)與箱梁周圍梁體有明顯不同。剪力鍵鍵齒主拉應(yīng)力平均水平為3MPa左右，梁頂?shù)谝粋€鍵齒附近拉應(yīng)力值較大最大值為8.7MPa。主壓應(yīng)力水平15.3MPa左右，見圖3-17a)；最大壓應(yīng)力產(chǎn)生在鍵齒受壓面位置，其值為18.3MPa，見圖3-17b)。剪力鍵齒塊豎向剪應(yīng)力應(yīng)力水平較大，應(yīng)力水平為7MPa左右，最大值為7.8MPa，且各個鍵齒剪應(yīng)力水平很大，容易發(fā)生直剪破壞，見圖3-17c)。另外，從圖3-17c)可以看出對于干接縫腹板位置處剪力鍵，剪力鍵位置處各個鍵齒所受剪力受力比均勻。工程實(shí)踐中建議密布鍵齒，從而降低各個鍵齒的剪應(yīng)力水平，讓腹板位置處剪力分布更加均勻，使腹板剪力鍵受剪過渡更平緩。接縫形式為干接縫時，剪力鍵布置及尺寸設(shè)計尤為重要，鍵齒位置產(chǎn)生的剪應(yīng)力水平較大，剪應(yīng)力是控制UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋梁端接縫處設(shè)計主要因素。從已有研究表明，節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋干接縫破壞模式剪力鍵發(fā)生直剪破壞，錯動比較明顯，如圖3-17d)所示，與膠接縫比撓度大10%，抗剪承載能力為整體澆筑的70%左右。對于大跨度UHPC節(jié)段預(yù)制拼裝梁橋，由于梁高的降低和腹板厚度的較小，梁端支點(diǎn)截面位置處的