不同連接形式對波紋鋼腹板PC組合梁性能影響

王圣保

(哈爾濱理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080)

波紋鋼腹板PC組合箱梁是20世紀80年代法國首先提出并應(yīng)用于橋梁建設(shè)當(dāng)中.該組合箱梁是一種混凝土腹板由波紋鋼板代替的新型組合結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了主梁的輕型化，提高了預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率，減少了溫度及混凝土收縮徐變等不利因素影響［1-4］.近些年來，在我國土木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.

剪力連接件是此類橋梁的最為關(guān)鍵部位之一，是能否發(fā)揮其優(yōu)勢的一個決定性因素.當(dāng)前波紋鋼腹板PC組合梁常用的連接形式，主要有栓釘連接、PBL連接以及埋入式連接等［5-8］.當(dāng)前國內(nèi)外專家學(xué)者，對不同連接形式的各自特點以及對梁力學(xué)性能的影響的研究涉及較少.本文主要通過實驗手段，對波紋鋼腹板PC組合梁最常用的連接形式——栓釘連接、PBL連接以及外包鋼板型連接形式進行研究，并且對不同剪力連接件對組合箱梁力學(xué)性能的影響進行了評價.

1 波紋鋼腹板PC組合梁常用連接形式

目前，波紋鋼腹板PC組合箱梁常用的連接形式主要用以下幾種［9-11］:1)栓釘連接;2)型鋼連接;3)PBL連接;4)埋入式連接;5)外包鋼板型連接形式.不同連接形式見圖1.

圖1 波紋鋼腹板PC組合梁典型剪力連接件Fig.1 Shear connectors adopted in PC composite box girder bridge with corrugated steel webs

2 波紋鋼腹板PC組合梁實驗研究

2.1 實驗梁設(shè)計

共設(shè)計了3片實驗梁，分別為梁ZHL-Ⅰ(栓釘連接形式)、ZHL-Ⅱ(PBL連接形式)及 ZHL-Ⅲ(外包鋼板型連接形式).梁總長 8 000 mm，梁高560 mm.跨中設(shè)置兩塊中橫隔板，梁兩端設(shè)置端橫隔板.波紋鋼腹板厚3 mm，波紋鋼腹板高400 mm(梁ZHL-Ⅲ波紋鋼腹板高480 mm).鋼翼緣板厚4 mm.混凝土上翼緣板厚80 mm，下翼緣板厚80 mm.栓釘10 mm×50 mm.采用C40混凝土.

2.2 實驗過程及結(jié)果

采用液壓萬能實驗機進行加載.加載速度由位移控制，加載速率為0.2 mm/min.在整個加載過程中，可清楚聽到梁發(fā)出的清脆響聲.隨著荷載的逐漸增加，梁的撓度逐漸增大，當(dāng)荷載達到極限荷載時，隨著“砰”的一聲巨響，梁瞬間破壞.破壞時，組合梁混凝土頂板被壓潰，上翼緣鋼板發(fā)生屈曲，頂板混凝土剝落后，內(nèi)部鋼筋壓屈.在整個加載過程中，波紋鋼腹板沒有出現(xiàn)屈曲，波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装逯g沒有出現(xiàn)滑移現(xiàn)象.3根實驗梁的最終破壞情況見圖2.

圖2 實驗梁最終破壞圖Fig.2 Draw ing of test beams crushed

2.2.1 主要荷載

主要實驗結(jié)果見表1.表中Pcr、Py及Pu分別為開裂荷載、屈服荷載及極限荷載;My、Mu分別為屈服荷載、極限荷載作用下的彎矩;δy、δu分別為屈服荷載、極限荷載作用下梁跨中撓度，δu/δy稱為延性系數(shù).

表1 主要實驗結(jié)果Table 1 Main test results

2.2.2 荷載-位移曲線

圖3為實驗梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ跨中荷載-位移曲線.從圖中可以看出，實驗梁受力過程大致分為3個階段:

圖3 荷載-位移曲線Fig.3 Load-deformation curves

1)彈性工作階段.

彈性工作階段在圖中為OA階段.在此階段，構(gòu)件各截面均處于彈性狀態(tài)，梁底板混凝土未發(fā)生開裂，鋼筋與混凝土各截面位置的應(yīng)力未達到屈服，彎矩-撓度基本呈直線關(guān)系，從圖中可以看出，應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系.

2)屈服工作階段.

隨著荷載的逐漸增大，波紋鋼腹板PC組合梁底板混凝土發(fā)生開裂，開裂后，底板混凝土退出工作，底板拉力主要由底板鋼筋(普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋)承受.隨著荷載繼續(xù)加大，開始進入屈服階段，屈服工作階段為圖中AB階段，進入屈服階段后，荷載-位移曲線開始彎曲，斜率減小，梁的剛度降低.

3)塑性工作階段.

隨著荷載的繼續(xù)加大，梁進入塑性階段，即荷載-位移曲線的BC階段.進入塑性階段后，混凝土底板普通筋完全屈服.此時，梁底板所受拉力主要由預(yù)應(yīng)力筋承受.由于預(yù)應(yīng)力筋仍然處在彈性范圍內(nèi)，所以荷載-撓度曲線基本上還是線性關(guān)系，只有當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力達到了其本構(gòu)關(guān)系中明顯的非線性段后，荷載-位移曲線才改變?yōu)榍€.

2.2.3 界面滑移值

圖4為實驗梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ的波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装褰缑骈g相對滑移曲線.數(shù)字 3-1、3-3、3-5、3-8、3-9、及 3-10 為實驗梁安裝的導(dǎo)桿引伸儀編號.其中實驗梁ZHL-Ⅲ由于受到實驗場地限制，梁底板導(dǎo)桿引伸儀很難安裝，只測得波紋鋼腹板與混凝土頂板界面間相對滑移值.

圖4 波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装褰缑骈g滑移曲線Fig.4 Curves of slip between the corrugated steel web and the concrete upper/lower slab

從圖4中可以看出，PBL連接件使產(chǎn)生的滑移最小，抗滑移性最好，混凝土與鋼翼緣板之間的滑移值幾乎為零;栓釘連接形式的抗滑移性能也較好，混凝土與鋼板間產(chǎn)生的滑移也較小，特別是在加載初期，幾乎沒有發(fā)生滑移現(xiàn)象;外包鋼板型連接形式，在整個加載過程中，滑移值幾乎均為±0.01 mm，即使外荷載達到最大值，極限荷載時，最大的滑移值也未超過0.2 mm.

2.2.4 梁底板裂縫分布

由于實驗梁ZHL-Ⅲ底板包有波紋鋼腹板，觀測不到底板裂縫發(fā)展情況.圖5為梁ZHL-Ⅰ、梁ZHL-Ⅱ底板裂縫分布圖.從圖中可以看出，梁ZHL-Ⅰ、梁ZHL-Ⅱ裂縫間距及裂縫寬度均分布較均勻，且大多數(shù)裂縫貫通混凝土底板.屬于典型的彎曲破壞情況.對比兩片梁裂縫分布情況可知:梁 ZHL-Ⅱ較梁ZHL-Ⅰ裂縫間距更小，裂縫更加密集.

圖5 實驗梁ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ底板裂縫Fig.5 Cracks in concrete lower slab of test beam ZHL-Ⅰand ZHL-Ⅱ

2.3 實驗結(jié)論

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，采用該3種連接形式的波紋鋼腹板PC組合梁，破壞模式均為首先頂板混凝土被壓潰，受壓鋼筋及頂板翼緣鋼板發(fā)生屈曲(見圖2)，從而梁喪失工作能力，發(fā)生破壞.在整個實驗過程中，剪力件連接完好，未發(fā)生破壞.這說明3種連接形式的抗剪強度均滿足承載力的要求.另外，3種連接形式抗滑移性能均較好，波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装彘g幾乎不產(chǎn)生相對滑移現(xiàn)象，滿足抗滑移性能要求.

3 不同形式的剪力件對波紋鋼腹板PC組合梁力學(xué)性能的影響

為了研究不同連接形式對梁力學(xué)性能的影響，文中主要從以下4個方面進行研究.

3.1 對梁的承載能力的影響

以實驗梁ZHL-Ⅱ所采用的連接形式(即PBL連接件)為基準，其他2種連接形式與其相比，研究3種不同連接形式對梁極限承載力影響.不同連接形式的極限荷載見表2.

表2 極限荷載Table 2 U ltimate load

從表2可以看出，采用栓釘連接形式梁，較采用PBL連接形式梁的極限荷載降低10.20%.究其原因，是因為PBL連接件上的鋼肋板起到縱向受力筋的作用，致使其極限承載力加大;比較實驗梁ZHL-Ⅲ和實驗梁ZHL-Ⅱ發(fā)現(xiàn)，實驗梁ZHL-Ⅲ的極限荷載提高了11.19%，這是因為，其底板鋼板起到縱向受力筋作用，加大了梁的內(nèi)力偶臂，且梁底板鋼板橫截面積較大，所以梁的極限承載力有較大提高.

3.2 對梁的剛度、撓度及延性影響

圖3為梁ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及ZHL-Ⅲ跨中荷載-位移曲線.從圖中可以看出，處于彈性階段時，3片梁的剛度基本相同.當(dāng)混凝土開裂后梁ZHL-Ⅲ的剛度最大，梁ZHL-Ⅰ的剛度最小，梁ZHL-Ⅱ的剛度次之.由此可知，外包鋼板型連接方式可以大幅度提高波紋鋼腹板PC組合梁的剛度.

由表1可知，當(dāng)?shù)竭_屈服荷載時，梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ撓度值分別為 53.5 mm、54.5 mm及40.9 mm;當(dāng)達到極限荷載時，梁ZHL-Ⅲ跨中最大撓度為282.3 mm，梁 ZHL-Ⅰ跨中最大撓度為467.1 mm，梁 ZHL-Ⅱ跨中最大撓度為479.8 mm.這表明采用PBL連接件、栓釘連接件梁的撓度較為相近，且該2種連接形式的梁撓度較大;而外包鋼板型連接形式的梁的撓度較小.由此也可以看出，外包鋼板型連接形式可以減小梁的撓度，提高梁的剛度.

為了研究采用3種連接形式波紋鋼腹板PC組合梁的延性，首先要研究3種連接形式梁的延性系數(shù).從表1中可以看出，實驗梁ZHL-Ⅰ及ZHL-Ⅱ的延性系數(shù)較大，且較為接近.實驗梁ZHL-Ⅲ的延性系數(shù)遠小于實驗梁ZHL-Ⅰ及ZHL-Ⅱ.這說明外包鋼板型連接形式延性較栓釘及PBL連接形式差.

3.3 對抗裂性的影響

為了研究3種連接形式對波紋鋼腹板PC組合梁抗裂性的影響，在施加預(yù)應(yīng)力時，3個實驗梁施加相同的預(yù)應(yīng)力水平，均為3.0 MPa.3片梁的開裂荷載值見表3.

表3 開裂荷載Table 3 Crack load

從表3中可以看出，實驗梁ZHL-Ⅰ的開裂荷載最小，約為120 kN，實驗梁ZHL-Ⅲ的開裂荷載最大，約為210 kN.實驗梁ZHL-Ⅲ較ZHL-Ⅰ的開裂荷載提高近66%，實驗梁ZHL-Ⅲ較ZHL-Ⅱ的開裂荷載提高近51%，這說明外包鋼板型連接形式的抗裂性最好，PBL連接形式的抗裂性稍差些，栓釘連接形式的抗裂性最差.造成此種結(jié)果的原因是因為外包鋼板型連接形式混凝土底板鋼板對混凝土起到約束作用，延遲了混凝土開裂.由此可見，外包鋼板型連接形式可以大大提高混凝土底板的抗裂性.

3.4 對預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率的影響

由于波紋鋼板、鋼翼緣板存在縱向剛度.因此，對組合梁施加預(yù)應(yīng)力時，混凝土底板、波紋鋼腹板及翼緣鋼板也承受預(yù)應(yīng)力作用，所施加的預(yù)應(yīng)力并未完全被混凝土底板承擔(dān)，其中一部分預(yù)應(yīng)力被鋼翼緣板及波紋鋼腹板吸收［12］.預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率是指:混凝土底板所受的有效預(yù)應(yīng)力與施加于梁上的總預(yù)應(yīng)力比值.不同連接形式的波紋鋼腹板PC組合梁預(yù)應(yīng)力效率值，見表4.

表4 預(yù)應(yīng)力效率Table 4 Prestressing force efficiency

從表4可以看出，采用栓釘連接形式梁的預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率最高，其次是PBL連接形式，但栓釘連接形式與PBL連接形式的梁相差不大.預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率最低的是外包鋼板型連接形式梁.其原因是，混凝土底板翼緣鋼板截面面積較大，其縱向剛度較大，所承擔(dān)的預(yù)應(yīng)力也較大，因此，其會較大程度地分擔(dān)施加于混凝土底板上的預(yù)應(yīng)力.造成PBL連接形式預(yù)應(yīng)力效率導(dǎo)入低的原因是，鋼翼緣板上焊接肋板，加大了鋼板縱向剛度，使其分擔(dān)了施加于梁上的預(yù)應(yīng)力.

4 評價不同形式剪力件對波紋鋼腹板PC組合梁力學(xué)性能影響

為了評價不同連接形式對波紋鋼腹板PC組合梁力學(xué)性能的影響，將以上研究結(jié)果列于下表5.

表5 不同連接形式對梁力學(xué)性能影響Table 5 Influence of different connecters on mechanical performance of test beam

由表5分析可知，采用栓釘連接形式的梁，剛度及抗裂性較差，在長期的使用過程中，可能會出現(xiàn)較大的撓度，并且可能會出現(xiàn)早期裂縫.但采用該剪力件連接形式的梁，預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率較大;采取PBL連接形式的波紋鋼腹板PC組合梁，抗裂性差，預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率低.預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率低，會使施加在混凝土板上的有效預(yù)應(yīng)力達不到設(shè)計值，從而影響梁的力學(xué)性能;比較其他2種連接形式，采用外包鋼板型連接形式的波形鋼腹板PC組合梁，具有更高的極限承載力、更高的剛度、更好的抗裂性，以及更好的抗滑移性能.因此，外包鋼板型連接形式是更加適合于該類組合梁的連接形式.

5 結(jié)論

1)采取栓釘連接形式、PBL連接形式及外包鋼板連接形式的波紋鋼腹板PC組合梁，均滿足極限承載力要求，且3種連接形式的抗滑移性能均較好.

2)采用外包鋼板型連接形式的梁較其他2種連接形式的梁具有更大極限承載力、更好的抗裂性及更大的剛度.

3)在實驗梁的制作過程中發(fā)現(xiàn)，外包鋼板型連接形式波紋鋼腹板與底板鋼板可以起到模板作用，施工更為方便，更有利于提高施工速度，縮短施工工期，降低施工成本.

4)外包鋼板型連接形式是更加適合波紋鋼腹板PC組合梁的連接形式，在實際工程中，宜多采用該類型的連接形式.

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