彎扭聯(lián)合作用下鋼-混凝土組合箱梁受力特性的試驗(yàn)研究

張彥玲， 葛 威， 侯忠明， 張德瑩

(1．石家莊鐵道大學(xué) 土木工程分院，河北 石家莊 050043;2． 石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043;3．北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京 100044)

0 引言

鋼-混凝土組合梁橋具有承載力大、高跨比小、節(jié)省材料、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在中等跨度橋梁中得到了廣泛采用。目前對(duì)于鋼-混凝土組合梁橋，對(duì)其豎向荷載作用下的抗彎性能已進(jìn)行了較為細(xì)致的研究［1-4］，但是當(dāng)組合梁應(yīng)用于立交線路中時(shí)，由于線形的需要，經(jīng)常設(shè)計(jì)為平曲線，此時(shí)由于梁軸本身的曲率效應(yīng)，以及車輛荷載的偏心，都會(huì)在梁體中產(chǎn)生彎扭耦合效應(yīng)。但目前在我國(guó)乃至其它各國(guó)規(guī)范中，都尚未給出能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)曲線組合梁力學(xué)性能的計(jì)算方法。

關(guān)于曲線組合梁受力性能的最早的試驗(yàn)研究是1973 年Colville［5］所做的四片簡(jiǎn)支曲線組合梁，試驗(yàn)中給出了曲線組合梁栓釘?shù)暮?jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。1999 年Thevendran et al［6-7］對(duì)5 片不同曲率的簡(jiǎn)支曲線組合梁進(jìn)行了模型試驗(yàn)和非線性分析，發(fā)現(xiàn)曲線組合梁的承載能力隨跨度與彎曲半徑的比值的增大而減小。2008 年聶建國(guó) 等［8］進(jìn)行了9 根鋼-混凝土組合箱梁的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，建立了適于分析鋼-混凝土組合箱梁復(fù)合彎扭強(qiáng)度的三維桁架模型。2009 年Tan et al［9-10］分別對(duì)6 片偏心加載的簡(jiǎn)支直線組合梁和8 片簡(jiǎn)支曲線組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，給出了簡(jiǎn)支曲線組合梁的彎扭相關(guān)關(guān)系曲線。

以上研究主要集中在鋼-混凝土組合工字型梁的研究上，在確定鋼-混凝土組合箱梁彎扭相關(guān)關(guān)系時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)還比較缺乏。針對(duì)在鋼-混凝土組合梁橋中應(yīng)用比較廣泛的箱型截面組合梁，通過彎扭聯(lián)合作用下的靜載模型試驗(yàn)，對(duì)其彎扭特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及加載方案

1．1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)以鋼-混凝土組合箱梁為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)參數(shù)為初始扭彎比(初始扭矩與彎矩的比值)及栓釘剪力連接度，試驗(yàn)內(nèi)容包括:(1)組合箱梁的破壞形態(tài)、極限承載力及破壞階段的彎扭相關(guān)關(guān)系研究;(2)抗彎剛度和抗扭剛度研究;(3)不同荷載水平下截面應(yīng)變沿截面高度和寬度方向的分布規(guī)律研究;(4)鋼梁與混凝土板之間沿梁軸的縱向相對(duì)滑移和垂直于梁軸的橫向相對(duì)滑移的規(guī)律研究。

1．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)不同的剪力連接度及初始扭彎比，共設(shè)計(jì)了6 片長(zhǎng)度為4．5 m，計(jì)算跨徑為4．2 m 的鋼-混凝土簡(jiǎn)支組合梁，其中3 片為完全連接組合梁，3 片為剪力連接度為60%的部分連接組合梁。6 片組合梁截面尺寸相同(見圖1)，鋼梁均采用Q235 鋼，混凝土均采用C30，混凝土板內(nèi)鋼筋均采用HRB235，其中縱筋為6．5@130mm，箍筋為6．5@110 mm，栓釘為13 ×50 mm。完全連接的組合梁FCB、FCB1 和FCB2 梁在剪跨區(qū)內(nèi)栓釘間距為120 mm，跨中區(qū)域?yàn)?40 mm;部分連接的組合梁PCB、PCB1 和PCB2 梁栓釘沿軸向均勻布置，間距為210 mm，見圖1。

圖1 組合梁布置圖(單位:mm)

1．3 試驗(yàn)裝置及加載方案

試驗(yàn)加載分為中心對(duì)稱兩點(diǎn)加載(FCB 梁、PCB 梁)、斜對(duì)稱兩點(diǎn)加載1(FCB1 梁、PCB1 梁:偏心位置距梁縱向軸心垂直距離為135 mm)和斜對(duì)稱兩點(diǎn)加載2(FCB2 梁、PCB2 梁:偏心位置距梁縱向軸心垂直距離為270 mm)三種工況，如圖2 所示。對(duì)6 片試驗(yàn)梁進(jìn)行分級(jí)連續(xù)加載，荷載等級(jí)為10 kN。

圖2 試驗(yàn)加載示意圖

2 試驗(yàn)過程和結(jié)果分析

2．1 破壞過程及受力特性

對(duì)6 片試驗(yàn)梁進(jìn)行分級(jí)連續(xù)加載至破壞，得到各梁一側(cè)加載點(diǎn)的彎矩-曲率曲線和彈性扭矩-扭率曲線分別見圖3 和圖4。

圖3 彎矩-曲率曲線圖

圖4 彈性扭矩-扭率圖

由圖3 可知，6 片試驗(yàn)梁在彈性階段的受力特征差別不大，剪力連接度和初始扭矩的大小并未明顯影響試驗(yàn)梁在加載初期的抗彎剛度，但在進(jìn)入彈塑性階段之后，各片梁在極限承載力和延性方面表現(xiàn)出較大的差異。總體來說，完全連接的三片試驗(yàn)梁，無(wú)論其扭彎比大小，其極限承載力和延性性能均明顯優(yōu)于部分連接的三片試驗(yàn)梁，其中完全連接的純彎梁FCB 在整個(gè)加載過程中的受力特征發(fā)展最完善，屈服點(diǎn)明顯，破壞之前變形大，有充分的延性發(fā)展;扭彎比最大的部分連接試驗(yàn)梁PCB2，其極限承載力和延性性能均最低，在鋼材及混凝土應(yīng)變均未達(dá)到屈服的情況下，已由于栓釘?shù)拇蟛糠旨魯喽霈F(xiàn)了連接滑移破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。但扭矩的存在對(duì)于組合梁極限承載力和極限彎矩的影響并不明顯。

從圖4 可以看出，在彈性階段，初始扭彎比和抗剪連接度的大小對(duì)組合梁的扭轉(zhuǎn)特性都產(chǎn)生了一定的影響。對(duì)于抗剪連接度相同的試驗(yàn)梁(FCB1 梁和FCB2 梁、PCB1 梁和PCB2 梁)，扭彎比大的試驗(yàn)梁其抗扭剛度較扭彎比小的試驗(yàn)梁小;對(duì)于扭彎比相同的組合梁(FCB1 梁和PCB1 梁、FCB2 梁和PCB2 梁)，由于栓釘不能有效地約束混凝土板和鋼箱梁之間的連接以抵抗扭轉(zhuǎn)變形，因此部分連接的組合梁其抗扭剛度明顯小于完全連接的組合梁。

2．2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

(1)縱向應(yīng)變沿截面豎向的分布規(guī)律。各試驗(yàn)梁跨中截面縱向應(yīng)變沿豎向的分布規(guī)律見圖5。由圖5 可知，對(duì)于完全連接的組合梁，鋼梁與混凝土之間的結(jié)合面滑移量較小，在0．8Pu 之前，跨中截面的縱向應(yīng)變沿截面高度方向均近似保持為直線分布，基本符合平截面假定。部分連接的組合梁由于栓釘較少，不能有效地抵抗鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移，豎向應(yīng)變?cè)诮Y(jié)合面處有很長(zhǎng)的一個(gè)水平臺(tái)階，且隨荷載增加滑移量逐漸增大。但在0．8Pu 之前，臺(tái)階上下混凝土板和鋼梁仍各自保持近似直線分布。

美國(guó)科技界認(rèn)為會(huì)聚已經(jīng)成為推動(dòng)生物科技革命的戰(zhàn)略思想和方法，代表了未來科研發(fā)展的新方向。理論界不僅分析了會(huì)聚項(xiàng)目的前沿性、社會(huì)性，也探討了新型科研組織形式以及會(huì)聚研究發(fā)展可能帶來的社會(huì)影響。這既是對(duì)科技潛在前沿的探索，也是對(duì)科技自身發(fā)展方式的思考，體現(xiàn)了美國(guó)科技界居安思危、進(jìn)一步求新求變、先發(fā)制人的戰(zhàn)略思維。

圖5 跨中截面豎向應(yīng)變

(2)主應(yīng)變隨荷載的變化規(guī)律。各試驗(yàn)梁跨中截面的主應(yīng)變隨荷載的變化規(guī)律如圖6 所示，由于各試驗(yàn)梁均非純扭構(gòu)件，跨中截面都在彎矩或彎扭聯(lián)合作用下，故混凝土板的主拉應(yīng)變和主壓應(yīng)變并不對(duì)稱，而是混凝土板均以主壓應(yīng)變?yōu)橹?。完全連接的FCB 梁、FCB1 梁和FCB2 梁混凝土板在跨中截面主壓應(yīng)變的發(fā)展都比較充分，在破壞時(shí)都接近了混凝土的極限壓應(yīng)變。部分連接的試驗(yàn)梁其跨中截面混凝土板規(guī)律與完全連接的試驗(yàn)梁相同，只是在破壞時(shí)最大主應(yīng)變都比完全連接的組合梁小，這是由于出現(xiàn)了連接滑移破壞，使最終材料強(qiáng)度的發(fā)展不充分。

圖6 試驗(yàn)梁跨中截面主應(yīng)變

2．3 滑移測(cè)試結(jié)果

2．3．1 沿梁軸的縱向滑移

6 片試驗(yàn)梁梁端縱向滑移隨荷載的變化曲線如圖7 所示。

圖7 荷載-滑移曲線圖

由圖7 可知，完全連接的3 片試驗(yàn)梁FCB 梁、FCB1 梁和FCB2 梁其界面抗剪滑移剛度和破壞時(shí)梁端的最大滑移量均明顯大于部分連接的PCB 梁、PCB1 梁和PCB2 梁;當(dāng)抗剪連接度相同時(shí)，隨初始扭彎比的增大，破壞時(shí)梁端的最大滑移量未表現(xiàn)出確定性規(guī)律，但滑移剛度則隨初始扭彎比的增大有所減小。

各試驗(yàn)梁滑移變形沿梁軸縱向的變化規(guī)律見圖8，各圖中滑移的4 個(gè)測(cè)點(diǎn)沿梁軸分別在南側(cè)腹板的梁端位置、距梁端L/6 位置、加載點(diǎn)位置(距梁端L/3 處)和跨中位置。

由圖8 可以看出，各試驗(yàn)梁的滑移量隨荷載的增加逐漸增大，但滑移變形沿梁軸的分布規(guī)律均基本相同，在跨中至加載點(diǎn)之間的純彎段內(nèi)，由于剪力為0，故滑移很小;在加載點(diǎn)至梁端的彎剪段內(nèi)，滑移量較大。由于剪力在該區(qū)域內(nèi)均勻分布，故各測(cè)點(diǎn)滑移量基本相同，但略有差別，最大滑移量并未出現(xiàn)在梁端，而是出現(xiàn)在距梁端L/6 位置處的測(cè)點(diǎn)上，且6 片試驗(yàn)梁均表現(xiàn)出相同的規(guī)律。說明鋼-混凝土簡(jiǎn)支組合梁的界面滑移規(guī)律完全遵循其截面豎向剪力沿梁軸的分布規(guī)律。

2．3．2 垂直于梁軸的橫向滑移

對(duì)彎剪扭聯(lián)合作用下的FCB1 梁、FCB2 梁、PCB1 梁和PCB2 梁，在縱向滑移的各相應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置了百分表，測(cè)試該位置鋼梁與混凝土界面的橫向滑移量。加載點(diǎn)位置界面橫向滑移隨荷載變化規(guī)律見圖9。

圖8 縱向滑移圖

由圖9 可以看出，加載點(diǎn)處組合梁界面上除縱向滑移外，還存在橫向滑移，且隨荷載的增大而增大。與縱向滑移相同，在加載初期，也表現(xiàn)出一定的彈性性能，隨后曲線變得彎曲，進(jìn)入彈塑性階段，最后曲線出現(xiàn)緩平段，進(jìn)入破壞階段。橫向滑移的大小將會(huì)對(duì)組合梁的抗扭剛度和承載力，以及在動(dòng)力荷載作用下的橫向振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。但由圖9 還可以看出，由于各試驗(yàn)梁的最大橫向滑移量還包括彎曲變形時(shí)橫向泊松比的影響，故其隨扭彎比的變化沒有明顯的規(guī)律;另外，剪力連接度對(duì)各試驗(yàn)梁的界面最大橫向滑移也產(chǎn)生了一定的影響，剪力連接度小的試驗(yàn)梁橫向滑移明顯偏大。

各試驗(yàn)梁橫向滑移變形沿梁軸縱向的變化規(guī)律見圖10。由圖10可知，在反對(duì)稱的扭矩作用下，橫向滑移沿梁軸的分布規(guī)律與縱向滑移差別很大。由于跨中截面位于反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)變形的反彎點(diǎn)，而支座截面的滾軸支座也提高了抗扭約束，故這兩處截面基本不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，橫向滑移基本為0;在加載點(diǎn)位置，截面扭轉(zhuǎn)角最大，橫向滑移也出現(xiàn)最大值。說明鋼梁與混凝土板結(jié)合面上的橫向滑移量與扭矩作用下截面的扭轉(zhuǎn)角存在一定的比例關(guān)系，但由于材料泊松比和測(cè)試誤差的影響，這一結(jié)論尚需更多的試驗(yàn)結(jié)果支持。

圖9 荷載-橫向滑移曲線

圖10 橫向滑移圖

3 結(jié)論

以鋼-混凝土簡(jiǎn)支組合箱梁為研究對(duì)象，以初始扭彎比和剪力連接度為試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)6 根試驗(yàn)梁進(jìn)行了彎扭聯(lián)合作用下的模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究彎扭聯(lián)合作用下組合箱梁的彎扭受力特性，主要結(jié)論如下:

(1)完全連接的3 片試驗(yàn)梁，無(wú)論其扭彎比大小，其極限承載力和延性性能均明顯優(yōu)于部分連接的3片試驗(yàn)梁，表現(xiàn)為受彎破壞或彎扭破壞特征，而部分連接的試驗(yàn)梁則基本都表現(xiàn)為滑移破壞特征;扭矩的存在對(duì)組合箱梁極限承載力和極限彎矩的影響不大;在彈性階段，連接度相同時(shí)，初始扭彎比大的試驗(yàn)梁抗扭剛度偏小;扭彎比相同時(shí)，部分連接的組合梁其抗扭剛度明顯小于完全連接的組合梁。

(2)完全連接的組合梁界面相對(duì)滑移量較小，部分連接的試驗(yàn)梁沿截面高度的縱向應(yīng)變圖上則普遍在界面位置存在水平臺(tái)階，且隨荷載增加滑移量逐漸增大;在彎扭聯(lián)合作用下，混凝土板與鋼梁的主拉應(yīng)變和主壓應(yīng)變發(fā)展不對(duì)稱，混凝土板均以主壓應(yīng)變?yōu)橹?，鋼梁均以主拉?yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

(3)鋼-混凝土組合箱梁在彎扭聯(lián)合作用下，其鋼梁與混凝土板結(jié)合面上既存在沿梁軸的縱向相對(duì)滑移，也存在垂直于梁軸的橫向相對(duì)滑移?？v向滑移規(guī)律基本遵循其截面豎向剪力沿梁軸的分布規(guī)律;在反對(duì)稱的扭矩作用下，橫向滑移量隨截面扭轉(zhuǎn)角的增大而增大。

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