整体式钢筋混凝土路面板跨径结构截面的合理化技术研究_李殿斌.pdf

专题研究SPECIAL RESEARCH80 建筑机械整体式钢筋混凝土路面板跨径结构截面的 合理化技术研究李殿斌（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089）摘要本文提出了以极远中性线截面单元强度等准则为基础的钢筋混凝土组合梁截面合理化技术，为了达到等强度的条件，采用了在一定取值范围内搜索复合材料截面几何参数的算法。作为截面部分的单个元素的尺寸是从中性轴到极限混凝土和钢纤维的距离的恒定比率的条件下获得的，对连续三跨钢筋混凝土组合桥梁进行了数值计算。该技术实现了桥梁施工的步骤，并且考虑到了复合截面的接触屈服、单元之间的力重分布以及材料的弹塑性和流变特性的影响，基于混凝土长期变形机理的胶体-化学表征，利用广义动力学曲线和变形发展唯象方程来评价混凝土徐变。该方法在基于建筑信息模型技术（BIM）和有限元方法（FEM）的LIRA-SAPR软件包中实现。关键词钢筋混凝土；BIM技术；截面；有限元中图分类号U445.4 文献标识码B 文章编号1001-554X（2023）02-0080-05Study on rationalization technology of integral reinforced concrete pavement slab span structure sectionLI Dian-bin在设计阶段通过计算验证使用整体钢筋混凝土道路板的复合钢筋混凝土跨结构的效率，主要取决于模拟任务的充分性1。然而，适用的建筑规范不包含这样的计算技术，这使得这类结构的应用变得复杂化2-4。组合截面初步设计参数（如梁高、板厚、上下弦宽、壁厚等）的合理选择也存在问题5，6。为了给工作人员在设计过程中模拟确定合适的钢筋混凝土组合梁截面提供依据7，本文以某连续组合钢筋混凝土公路桥为例，介绍了有限元模拟某个跨结构工作的实践经验，考虑了施工的操作阶段，从施工完成到后期的使用寿命。同时，本文提出了以极远中性线截面单元强度等准则为基础的钢筋混凝土组合梁截面合理化技术，采用了在一定取值范围内搜索复合材料截面几何参数的算法来达到等强度的条件。该技术实现了桥梁施工的步骤，并且考虑到了复合截面的接触屈服、单元之间的力重分布以及材料的弹塑性和流变特性的影响。基于混凝土长期变形机理的胶体-化学表征，本文利用广义动力学曲线和变形发展唯象方程来评价混凝土徐变，考虑了材料的弹塑性和流变特性的影响，实现了模型的合理化和进化转换技术（基于施工阶段的计算）。1 复合截面合理化技术1.1 问题简述工字钢混凝土桥面板组合梁桥是中小跨度桥梁最常用的组合梁形式。随着工业化建造技术的推广，少主梁及简化加劲肋形式能降低工字钢组合梁桥的综合造价，是组合梁桥发展的趋势8。图1为取弯矩的组合梁截面。分析的基础上，本文建议加固钢筋混凝土，如图1所示，板的位置在压缩区域的工形截面梁之上。这种形状的横截面在用于加固结构时是可以接受的。DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.02.009收稿日期2022-06-28通讯地址李殿斌，北京市东城区青龙胡同甲1号CONSTRUCTION MACHINERY 812023/02总第564期b2b12b11tf1ha1hfytf2twzazc图1 横截面如果考虑到优化设计的要求之一，“等强度”这个截面将是合理的9。截面强度相等意味着纤维中性轴最远处的应力同时达到极限值。1.2 合理化算法相当截面法将组合梁截面转换为仅由一种材料构成的截面，保持组合材料的截面高度不变，根据弹性模量确定被转换材料的相当宽度，方法概念清晰10，11。用变换截面法来确定中立轴的位置，作用在横截面上的累积轴向力应为零，即dd0ac+=acac z z=；dd0aczAn zA+=0MydtrEdafJz=()()()2221111112212212111111222222ffwaffaffafafwafffhb tthtb thtnb hhtzb tthtb tnb h+=+-max0EdaaMydtrZfJ=maxmaxEdcctrcdtrZnnfJ=0MydEdcdtrcafMfJnzz=0ccdaMydzfznf=1200affMydacdMydhhtnfzfnf+=+（）()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（1）式中 dA为横截面面积。弯曲部分acac z z=；dd0aczAn zA+=0MydtrEdafJz=()()()2221111112212212111111222222ffwaffaffafafwafffhb tthtb thtnb hhtzb tthtb tnb h+=+-max0EdaaMydtrZfJ=maxmaxEdcctrcdtrZnnfJ=0MydEdcdtrcafMfJnzz=0ccdaMydzfznf=1200affMydacdMydhhtnfzfnf+=+（）()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（2）式中 Ea、Ec为钢筋和混凝土的弹性模量；z为中性线可描述点的距离；为中性层曲率半径。将式（2）代入式（1），得到dd0aczAn zA+=0MydtrEdafJz=()()()2221111112212212111111222222ffwaffaffafafwafffhb tthtb thtnb hhtzb tthtb tnb h+=+-max0EdaaMydtrZfJ=maxmaxEdcctrcdtrZnnfJ=0MydEdcdtrcafMfJnzz=0ccdaMydzfznf=1200affMydacdMydhhtnfzfnf+=+（）()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（3）式中 n=Ec/Ea。根据轴向挠度方程，最大估计弯矩0MydtrEdafJz=()()()2221111112212212111111222222ffwaffaffafafwafffhb tthtb thtnb hhtzb tthtb tnb h+=+-max0EdaaMydtrZfJ=maxmaxEdcctrcdtrZnnfJ=0MydEdcdtrcafMfJnzz=0ccdaMydzfznf=1200affMydacdMydhhtnfzfnf+=+（）()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（4）式中 M0为钢的可靠度系数；Jtr为变换截面的惯性矩，由式（5）确定。Jtr=Ja+nJc （5）式中 Ja和Jc为钢和混凝土部分相对于截面中性轴的惯性矩。将图1中的被积函数代入式（3），得到z的方程，其解为中性轴za的位置()()()2221111112212212111111222222ffwaffaffafafwafffhb tthtb thtnb hhtzb tthtb tnb h+=+-（6）计算截面对应最大弯矩。在这里，最大的应力发生在离中性轴纤维最远的地方，根据强度条件，中性轴纤维不应超过估计数max0EdaaMydtrZfJ=maxmaxEdcctrcdtrZnnfJ=0MydEdcdtrcafMfJnzz=0ccdaMydzfznf=1200affMydacdMydhhtnfzfnf+=+（）()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（7）maxmaxEdcctrcdtrZnnfJ=0MydEdcdtrcafMfJnzz=0ccdaMydzfznf=1200affMydacdMydhhtnfzfnf+=+（）()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（8）式中 trmax为变形截面应力。为了使截面强度相等，从而达到优化设计，应以等式的形式满足混凝土和钢在同一弯矩下的强度条件，因此0MydEdcdtrcafMfJnzz=0ccdaMydzfznf=1200affMydacdMydhhtnfzfnf+=+（）()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（9）组成截面的单个元素的尺寸应该从中性轴到极限混凝土纤维和钢纤维距离的常数比的条件中 找到0ccdaMydzfznf=（10）由图1得zc=ha1+hf+tf2-za （11）由式（10）和式（11）可以得到1200affMydacdMydhhtnfzfnf+=+（）()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（12）将等强度式（12）的右构件与中性轴式（6）专题研究SPECIAL RESEARCH82 建筑机械等价，得到组合截面最优尺寸的确定公式()()22211111122122121200111111222+2+2=+2+ffwaffaffafaffMydcdMydfwafffhb tthtb thtnb hhthhtnffnfb tthtb tnb h（）（）-（13）通过数值求解式（13）对比分析得出组合截面最优尺寸。由于式（13）是非线性的，可以得到各种等强度截面尺寸的组合。其中，必须选择Mmax=MEd，式中Mmax是在给定外部荷载作用下梁中发生的最大弯矩。Mmax值是在跨1和跨2的最大力矩（Mmax1和Mmax2）以及支持|Msup|的力矩值中选择的。由于梁截面在每个跨度内是分段恒定的，因此采用力法来确定弯矩。为确定最大设计弯矩MEd，需要通过式（14）表示出钢筋和混凝土构件截面的惯性矩()()322311111111111113122221221=2212212222()122waffffaafawafafffaathtb ttthJb tzthtzb ttb thz-+-+-+-（14）232212=+122ffcfafaab hhJb hhtzz-（15）2 混凝土徐变已知混凝土结构在受荷载连续作用时发生非弹性变形，这种变形可以超过初始条件弹性变形数倍。最关键的徐变问题是钢筋混凝土组合梁。钢和钢筋混凝土部分的刚性部分与钢筋混凝土梁相比，决定了混凝土徐变影响的不同机制，这是混凝土和钢筋之间的力量重分布。因此，混凝土中的压力降低，而钢梁中的弯矩增加。与欧洲规范一致的乌克兰建筑规范是基于最简单的方法建立变形和时间与蠕变系数（t，t0）之间的依赖关系。根据该方法，蠕变的极限变形取决于混凝土强度、龄期和相对含水量，蠕变在t时刻的发展取决于相对含水量和截面尺寸。该技术实现了混凝土在2025年间的运行过程中90%的徐变变形。由于可接受的完整性和良好的实施使用最先进的软件系统，我们采用这种方法作为基础，进一步计算复合钢筋混凝土跨度。与此同时，一种评估混凝土长期变形的替代方法已经在CFST柱和钢筋混凝土跨结构的早期研究中得到验证。本文基于混凝土长期变形机理的胶体-化学表征，利用广义动力学曲线和变形发展唯象方程来评价混凝土徐变，考虑了材料的弹塑性和流变特性的影响，实现了模型的合理化和进化转换技术（基于施工阶段的计算）。3 技术实施3.1 设计方案以所提出的合理化技术为基础，设计了一座整体钢筋混凝土路面板的连续钢筋混凝土组合跨径桥梁（见图2）。桥型图为（34.0+45.0+34.0）m，总长度为117.30m。桥梁尺寸为G0.75m（行人部分）+1m（通行）+11.7m（交通通道）2+1m（通行）+1.5m（行人部分）。设计负荷：单重重载为NK-100，机动车辆负荷为6A-15（30t的双轴卡车车队的负荷），行人负荷为2.0kPa。根据所提出的合理计算方法的结果，将截面跨结构作为6根变截面弦和尺寸的一阶近似的箱CONSTRUCTION MACHINERY 832023/02总第564期形主梁。横梁之间的距离为4.4m。带孔的板膜片以1.5m的间距和棋盘格的方式安装。横梁的安装间距为3m。跨度结构的钢筋混凝土板厚度为220mm，采用KKB-22/150剪力螺栓与主梁组合。混凝土抗压强度为C28/35。横梁采用焊接工字梁，安装间距为3m。安装螺距为1.5m的隔板，以实现主梁墙的稳定。11730*4500*3400*215*3400*215*B/T 10.44*B/T 9.37*图2 桥梁简图3.2 设计方案现代交通结构的设计通常使用工业软件系统作为计算机辅助建模的主要工具。跨度最终可以通过LIRA-SAPR 2018 Pro软件进行计算。计算机辅助建模进行验证和最终确定得到的结果，考虑到跨的多阶段工作（结构非线性）、物理非线性和混凝土徐变，受力重分布由于柔性连接的接触混凝土和钢，本文基于混凝土长期变形机理的胶体-化学表征，考虑了材料的弹塑性和流变特性的影响，利用广义动力学曲线和变形发展唯象方程来评价混凝土徐变。在设计跨度有限元模型时，采取以下假设：计算包括绘制板和杆的设计方案，使用万能杆有限元模拟梁网的物理非线性有限元模拟巷道板。模型是在整个跨度结构内建立的。在绝对刚体和给定刚度的弹性耦合双节有限元的帮助下，将截面的各单元组合成联合工作，以模拟剪力螺栓的操作（见图3）。FE44（平板）FE55（休息）FE10（膜片 ）FE10（纵横梁 ）FE10（转换梁 ）FE10（ARB）图3 常规有限元类型本文采用考虑演化变换的“安装”设计方法，考虑了系统的结构非线性。此外，建筑施工的每个阶段都有指定的有限元模型，并且每一阶段需要计算对应的荷载。本文通过每个施工阶段对应的有限元模型，总结分析了施工过程中可能发生的所有情况。在这种情况下，需要考虑三个加载（装配）阶段。梁在第一阶段（恒定荷载的第一部分）所感知的荷载包括梁的自重、横膈膜以及钢筋混凝土路面板的重量所产生的荷载。第二阶段（恒定荷载的第二部分）组合截面所感知的荷载包括沥青混凝土自重、栏杆和障碍物重量。第三阶段感知到的荷载包括施加荷载的一种。根据超静定方案和沿支座轴线铰接支座建立跨结构模型。3.3 计算结果在计算结果分析阶段，解决了确定等厚度组合截面的可接受尺寸和巷道板的混凝土等级并选择钢筋的问题。选择了两种尺寸与搜索问题的解决方案，第一个是支座上方对称的跨度18m截面，第二个是位于跨度内的25m和27m截面。本文中的计算结果提出了力的曲线图的形式绘制的横截面的中心跨度桥梁和支持（见图4），以及图形混凝土与钢筋的剪切力的联系（见图5），合理化算法与有限元仿真方法相结合得到的估计截面如图6所示。4 结论计算结果表明，当考虑跨度模型的加载顺序和混凝土与钢的接触屈服时，整体钢筋混凝土道路板对结构承载力的影响减小。本文采用有限元建模方法，在桥跨18.5%和32%以上的组合截面上分别增加刚度弯矩，对合理化算法得到的截面进行了修专题研究SPECIAL RESEARCH84 建筑机械a 弯矩b 侧向力157.51012.517.522.5152025MNm23456梁#100.51231.52.5MN3.523456梁#在部分支持在部分支持在部分跨度在部分跨度图4 桥梁跨径结构的横截面力0-700-600-500-400-300-200-100100200300400500600700kN0102030405060708090100110m图5 钢筋混凝土接触面剪力图正。材料的塑性特性和组合截面中发生的应力重分布现象影响了钢梁的应力-应变状态，使得钢梁的抗弯和变形能力都有所提升。合理的混凝土配合比能够使复合钢筋混凝土的性能不会随着时间而降低。本文利用提出的仿真模拟技术建立了桥梁结构的模型，确定其实际承载能力，并对组合截面进行了合理设计，以满足设计规范的要求。a 跨内b 在支架上606060602334422222.522.51.21.290907070210210图6 跨结构横截面尺寸/cm参考文献1徐向东.正交正放钢-混凝土组合空间网格盒式结构研究与应用D.长沙：湖南大学，2016.2袁达志，杨煜明，刘旭亮.连续大跨度预应力技术在大截面钢筋混凝土结构梁中的应用J.天津建设科技，2013，23（04）：6-10.3张策.大跨度钢混组合拱桥设计理论研究D.重庆：重庆交通大学，2013.4郭超.钢混凝土组合梁应力分析及截面优化研究D.长沙：长沙理工大学，2013.5南松霖.装配式钢板混凝土组合梁桥技术研究D.长春：吉林大学，2020.6梅容.基于工业化的钢板组合梁支线上跨桥结构性能与标准化研究D.合肥：合肥工业大学，2018.7马宝亮，杨展鹏，黎越华，等.城市装配式钢-混组合简支梁桥截面优化设计J.工程技术研究，2021，6（13）：214-216.8石雪飞，马海英，刘琛.双工字钢组合梁桥钢梁设计参数敏感性分析与优化J.同济大学学报（自然科学版），2018，46（04）：444-451.9王孝亮.钢-混凝土组合梁承载力试验和理论研究D.长沙：湖南大学，2019.10 赵俊青，甄玉宝，周鹏，等.组合梁中性轴位置确定方法及应力分析J.力学与实践，2022，44（01）：184-187.11 王学航，杨秋伟，赵靖芸，等.基于中性轴位置变化的再生混凝土梁损伤识别试验研究J.机械强度，2019，41（03）：606-610.