鋼-混凝土曲線組合梁彎扭性能的試驗(yàn)研究

， ，

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)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)

0 引言

鋼-混凝土組合梁具有承載能力大、剛度大、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。由于道路線形的要求，通常需要將組合梁橋設(shè)計(jì)為曲線組合梁橋，因此會(huì)產(chǎn)生彎剪扭的復(fù)合作用。曲線組合梁在鋼梁內(nèi)部需設(shè)置橫向連接系，國(guó)外通常選用內(nèi)部撐桿，即“桁架式”，我國(guó)則常采用橫隔板，即“隔板式”。

關(guān)于曲線組合梁的彎扭效應(yīng)已有較多研究。Thevendran et al[1-2]對(duì)5片不同曲率的工字型簡(jiǎn)支曲線組合梁進(jìn)行了模型試驗(yàn)和非線性分析；lee et al[3]分析了扭矩作用下雙T形截面組合梁的受力性能；Tan 和Uy[4-5]對(duì)8片工字型簡(jiǎn)支曲線組合梁進(jìn)行了彎扭試驗(yàn)研究；Kim et al[6]研究了“桁架式”鋼-混凝土組合箱梁的彎扭相關(guān)作用；聶建國(guó) 等[7-8]和張彥玲 等[9]分別進(jìn)行了“隔板式”鋼-混凝土直線組合箱梁的彎扭試驗(yàn)?？梢钥闯觯壳瓣P(guān)于“隔板式”曲線組合梁的研究還很少，我國(guó)各種規(guī)范中也無(wú)具體規(guī)定。

針對(duì)隔板式鋼-混凝土曲線組合梁，進(jìn)行了跨中集中荷載下的受力全過(guò)程加載試驗(yàn)，測(cè)試了其典型截面鋼梁及混凝土板的應(yīng)變、變形、以及結(jié)合面相對(duì)滑移規(guī)律，并分析了跨徑比(計(jì)算跨徑L與曲線半徑R的比值)和橫隔板數(shù)目對(duì)其產(chǎn)生的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及加載方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯壳€組合梁的彎扭受力特性，以及跨徑比和橫隔板數(shù)目對(duì)其產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)內(nèi)容包括：①不同跨徑比和橫隔板數(shù)目下曲線組合梁的破壞形態(tài)和極限承載力；②不同荷載水平下截面應(yīng)變沿高度和寬度方向的分布規(guī)律；③結(jié)合面滑移變形分布規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

以跨徑比和橫隔板數(shù)目為參數(shù)，設(shè)計(jì)了6片鋼-混凝土簡(jiǎn)支曲線組合梁?？缍染鶠? 000 mm，全長(zhǎng)6 200 mm；混凝土板寬度為700 mm，厚度為70 mm；鋼梁高200 mm，下翼緣寬400 mm，上翼緣寬60 mm，上下翼緣厚度均為8 mm，腹板厚度6 mm。鋼梁均采用Q235鋼，混凝土板采用C30混凝土；縱筋與箍筋采用 HPB235鋼筋，縱筋橫向間距120 mm，配筋率0.81%；箍筋縱向間距100 mm，配箍率0.27%。栓釘直徑13 mm，高50 mm，布置在鋼梁腹板上方，每列34個(gè)，每片梁布置兩列，共68個(gè)，均為完全連接。各試驗(yàn)梁沿跨度方向設(shè)置不同數(shù)量的橫隔板，厚6 mm。試驗(yàn)梁參數(shù)見(jiàn)表1，截面尺寸見(jiàn)圖1。

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)

表1中各梁橫隔板的位置為：2塊橫隔板的均設(shè)置在梁端支座處；3塊橫隔板的設(shè)置在兩個(gè)梁端及跨中處；5塊橫隔板的設(shè)置在支座、跨中和兩個(gè)1/4跨度處。

圖1 試驗(yàn)梁截面尺寸及布置詳圖(單位：mm)

1.3 試驗(yàn)裝置及加載方案

各試驗(yàn)梁均采用跨中加載。支承條件為一端設(shè)固定鉸支座，一端設(shè)活動(dòng)鉸支座，每個(gè)支座下方均在鋼梁腹板位置設(shè)置傳感器以測(cè)試支座反力。CCB55梁由于跨徑比較大，在曲線內(nèi)側(cè)支座出現(xiàn)負(fù)反力，因此設(shè)計(jì)了反力架，將曲線內(nèi)側(cè)支座傳感器設(shè)置在腹板上方，其他五片試驗(yàn)梁及CCB55梁曲線外側(cè)的支座傳感器均設(shè)置在腹板下方，見(jiàn)圖2和圖3。

荷載分級(jí)施加，初期每10 kN荷載記錄一次數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)記錄跨中截面的荷載-撓度曲線，當(dāng)曲線斜率開(kāi)始發(fā)生變化時(shí)，荷載等級(jí)減小為5 kN。加載過(guò)程中注意檢查鋼梁是否屈服，及混凝土板的裂縫開(kāi)展情況，當(dāng)混凝土有明顯壓碎或撓度過(guò)大時(shí)停止加載。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試支座截面、L/8、L/4、3L/8和跨中截面(為避開(kāi)加載位置，偏移20 cm)鋼梁及混凝土板應(yīng)變、豎向及徑向位移、以及鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移。加載布置圖見(jiàn)圖4。測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖5。

圖2 支座布置圖(除CCB55梁) 圖3 CCB55梁支座布置圖 圖4 加載布置圖

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞過(guò)程及受力特性

各試驗(yàn)梁跨中截面的荷載-撓度曲線如圖6所示。

圖6 跨中荷載-撓度曲線的比較

由圖6可以看出：①不同跨徑比和橫隔板數(shù)目的試驗(yàn)梁，其全過(guò)程受力特征均經(jīng)歷了彈性階段-彈塑性階段-塑性階段的發(fā)展過(guò)程；②橫隔板數(shù)目相同時(shí)，直線梁的抗彎剛度、極限荷載和屈服荷載都最大，隨跨徑比增加上述指標(biāo)均逐漸減小，跨徑比為0.5的CCB55梁最小，說(shuō)明跨徑比的增大使曲線組合梁抗彎剛度下降，承載力降低；③跨徑比相同時(shí)，橫隔板數(shù)目的不同對(duì)曲線組合梁的整體彎曲受力性能影響不大，但從圖中仍能夠顯示只有兩個(gè)端橫隔板的CCB12梁的剛度較其他兩片有中橫隔板的CCB13和CCB15梁略有減小；而CCB13和CCB15梁之間則幾乎沒(méi)有差別。

5片曲線組合梁跨中截面的荷載-扭轉(zhuǎn)角曲線和荷載-徑向位移曲線如圖7和8所示。

圖7 跨中荷載-扭轉(zhuǎn)角曲線 圖8 跨中徑向荷載-位移曲線

由圖7可知，相同荷載下，隨著跨徑比的增大，跨中截面扭轉(zhuǎn)角也隨之增大，說(shuō)明截面扭轉(zhuǎn)剛度隨跨徑比的增大而減?。豢鐝奖染鶠?.1，但橫隔板數(shù)目不同的3片梁曲線比較接近，只設(shè)兩個(gè)端橫隔板的CCB12梁扭轉(zhuǎn)剛度最小，但橫隔板數(shù)目對(duì)跨中截面扭轉(zhuǎn)角影響不大。

從圖8可知，相同荷載下，跨中截面的徑向位移隨著跨徑比的增大而增大；跨徑比均為0.1的3片梁因橫隔板數(shù)量不同，徑向位移也略有差別，隨著橫隔板數(shù)量的增加，徑向位移隨之減小。

2.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

2.2.1 切向應(yīng)變沿截面豎向的分布

六片試驗(yàn)梁距跨中截面20 cm處在各級(jí)荷載下曲線外側(cè)的切向應(yīng)變沿截面高度的變化如圖9所示，圖中Pu指極限荷載。

圖9 切向應(yīng)變沿截面豎向的分布

由圖9可知：①在0.6Pu之前，切向應(yīng)變沿截面豎向的分布近似為一條直線，到0.8Pu時(shí)鋼梁下翼緣的應(yīng)變?cè)黾虞^多，但整體上切向應(yīng)變沿截面豎向基本符合平截面假定；②雖然試驗(yàn)梁均采用了完全連接，但從應(yīng)變圖中可以看出，在鋼梁與混凝土結(jié)合面處，切向應(yīng)變圖形都出現(xiàn)了不同程度的水平臺(tái)階，說(shuō)明結(jié)合面存在相對(duì)滑移；③由于圖中所示為試驗(yàn)梁曲線外側(cè)跨中截面附近的切向應(yīng)變，因此從圖中大致可以看出，隨跨徑比增大，切向應(yīng)變有增大的趨勢(shì)。

2.2.2 切向應(yīng)變橫向分布

分析橫隔板數(shù)相同(均為5塊)，跨徑比不同的4片試驗(yàn)梁(SCB、CCB15、CCB25、CCB55)，在50 kN跨中集中荷載作用下，鋼梁底板、混凝土板上表面和上層鋼筋(沿寬度方向共6根)的切向應(yīng)變沿截面橫向分布的規(guī)律。

(1) 距跨中截面20 cm處。距跨中截面20 cm處沒(méi)有橫隔板，SCB、CCB15、CCB25、CCB55梁的切向應(yīng)變?nèi)鐖D10所示，圖中橫坐標(biāo)y表示橫截面上混凝土上表面或鋼梁下表面距曲線內(nèi)側(cè)邊緣的距離，以下同。由圖10可知，在相同荷載下，距跨中截面20 cm處鋼梁底板、混凝土板上表面和上層鋼筋的切向應(yīng)變均隨跨徑比的增大而增大，且沿截面寬度方向均表現(xiàn)出曲線內(nèi)側(cè)較大，曲線外側(cè)較小的趨勢(shì)，與一般曲線梁豎向荷載下受力曲線外側(cè)大、內(nèi)側(cè)小的受力特性有所區(qū)別。其中直線的SCB梁切向應(yīng)變沿截面橫向基本對(duì)稱，但也呈現(xiàn)中間小兩端大，表現(xiàn)出一定的剪力滯現(xiàn)象。其他曲線梁則隨跨徑比的增大，切向應(yīng)變沿截面橫向的不均勻性漸趨明顯。

圖10 距跨中截面20 cm處切向應(yīng)變的橫向分布

(2)L/4截面處。L/4截面處設(shè)有橫隔板，該截面SCB、CCB15、CCB25和CCB55梁的切向應(yīng)變?nèi)鐖D11所示。 由圖11可知，設(shè)有橫隔板的L/4截面，其鋼梁底板、混凝土上表面和上層縱筋的切向應(yīng)變均隨跨徑比的增大而增大，除直梁SCB仍沿截面橫向基本為對(duì)稱分布外，其他三片梁均與沒(méi)有橫隔板的距跨中截面20 cm處截面的應(yīng)變分布不同，呈現(xiàn)出內(nèi)側(cè)小外側(cè)大的分布規(guī)律，這一點(diǎn)與一般曲梁在曲線內(nèi)側(cè)應(yīng)力小，外側(cè)大的彎扭耦合特征相同。

圖11 L/4截面切向應(yīng)變的橫向分布

(3)3L/8截面處。3L/8截面處沒(méi)有橫隔板，處于有橫隔板的跨中截面和L/4截面之間，該截面SCB、CCB15、CCB25和CCB55梁的切向應(yīng)變?nèi)鐖D12所示。 由圖12可知，3L/8截面的切向應(yīng)變分布與有橫隔板的L/4截面有明顯差別。鋼梁底板、混凝土上表面和上層鋼筋的切向應(yīng)變均表現(xiàn)出相反的分布規(guī)律，即曲線內(nèi)側(cè)大，而曲線外側(cè)小，且隨跨徑比的增加，切向應(yīng)變沿截面橫向分布的不均勻性增大。

圖12 3L/8截面切向應(yīng)變的橫向分布

(4)L/8截面處。L/8截面處也沒(méi)有橫隔板，處于有橫隔板的L/4截面和支座截面之間。該截面SCB、CCB15、CCB25和CCB55梁的切向應(yīng)變?nèi)鐖D13所示。由圖13可知，沒(méi)有橫隔板的L/8截面和3L/8截面相同，鋼梁底板、混凝土上表面和上層鋼筋的切向應(yīng)變也表現(xiàn)出曲線內(nèi)側(cè)大，曲線外側(cè)小的趨勢(shì)，且隨跨徑比的增大，切向應(yīng)變沿截面橫向分布的不均勻性增大。

圖13 L/8截面切向應(yīng)變的橫向分布

由以上分析可知，有橫隔板的L/4截面與沒(méi)有橫隔板的其他三個(gè)截面，其切向應(yīng)變沿截面橫向的分布規(guī)律是不同的，有橫隔板時(shí)切向應(yīng)變?cè)谇€內(nèi)側(cè)小，外側(cè)大，與一般曲線梁的受力規(guī)律相同，而無(wú)橫隔板處卻完全相反。這是由于曲線組合梁在豎向荷載下除產(chǎn)生豎向變形外，還產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和徑向變形，而橫隔板在扭轉(zhuǎn)和徑向變形過(guò)程中起到了一種彈性約束作用，在有橫隔板的位置，由于彈性約束的影響切向應(yīng)力增大，而無(wú)橫隔板的位置處于相鄰兩個(gè)橫隔板產(chǎn)生的彈性約束之間，反而有一種“卸載”的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象在曲線外側(cè)和曲線內(nèi)側(cè)正好相反，因此出現(xiàn)有橫隔板處切向應(yīng)力在曲線內(nèi)側(cè)小外側(cè)大，而無(wú)橫隔板處則內(nèi)側(cè)大外側(cè)小。無(wú)論有無(wú)橫隔板，切向應(yīng)變隨跨徑比的增大而增大。

2.3 滑移測(cè)試結(jié)果

各試驗(yàn)梁在L/8截面曲線外側(cè)鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)切向滑移隨荷載的變化規(guī)律見(jiàn)圖14。

圖14 荷載-切向滑移曲線

由圖14可知：①對(duì)于跨徑比均為0.1的3片試驗(yàn)梁，切向滑移非常接近，3條荷載-滑移曲線幾乎重合，其中CCB12梁由于橫隔板數(shù)量最少，滑移量與存在中橫隔板的CCB13和CCB15相比較大；②對(duì)于橫隔板數(shù)目相同(均為5塊橫隔板)，但跨徑比不同的4片試驗(yàn)梁，在相同荷載下，隨著跨徑比的增大，相同位置的滑移逐漸增大。直線梁的最大滑移量最小，為0.63 mm；跨徑比為0.5的CCB55梁最大滑移量最大，為1.25 mm。

各試驗(yàn)梁在不同荷載下切向滑移沿梁軸的分布規(guī)律如圖15所示，圖中橫坐標(biāo)x表示距梁端的距離。

圖15 切向滑移沿軸向的分布

由圖15可以看出，隨著荷載增大，切向滑移隨之增大。6片試驗(yàn)梁切向滑移沿梁軸的分布規(guī)律基本相同，由于切向滑移是栓釘受到鋼梁與混凝土板結(jié)合面上的水平剪力所致，而結(jié)合面水平剪力和梁截面豎向剪力之間存在線性關(guān)系，因此對(duì)于等截面梁，理論上切向滑移沿梁軸的分布與豎向剪力沿梁軸的分布規(guī)律相同。圖中顯示的切向滑移沿梁軸的分布規(guī)律與承受跨中集中荷載的試驗(yàn)梁的豎向剪力基本相同，但由于支座處的反力增加了混凝土板與鋼梁結(jié)合面上的局部壓力，使摩擦力增大，抑制了該處的滑移，因此梁端滑移反而較小。

3 結(jié)論

以跨徑比和橫隔板數(shù)量為參數(shù)，進(jìn)行了6片簡(jiǎn)支曲線組合梁的模型試驗(yàn)，所得的主要結(jié)論如下：

(1) 鋼-混凝土板曲線組合梁極限荷載、屈服荷載和跨中截面扭轉(zhuǎn)角均隨跨徑比的增加逐漸減小，說(shuō)明跨徑比的增大使曲線組合梁抗彎剛度和抗扭剛度都隨之下降；橫隔板數(shù)目的不同對(duì)曲線組合梁的整體彎曲受力性能影響不大，但端橫隔板對(duì)跨中截面扭轉(zhuǎn)角影響較大，中橫隔板影響較小。

(2) 在0.6Pu之前，切向應(yīng)變沿截面豎向的分布近似為一條直線，到0.8Pu時(shí)鋼梁下翼緣的應(yīng)變?cè)黾虞^多，但整體上切向應(yīng)變沿截面豎向基本符合平截面假定；在鋼梁與混凝土結(jié)合面處，切向應(yīng)變圖形都出現(xiàn)了不同程度的水平臺(tái)階，說(shuō)明結(jié)合面存在相對(duì)滑移；隨跨徑比增大，曲線外側(cè)切向應(yīng)變有增大的趨勢(shì)。

(3) 有橫隔板的截面與沒(méi)有橫隔板的截面相比，其切向應(yīng)變沿截面橫向的分布規(guī)律不同，有橫隔板時(shí)切向應(yīng)變?cè)谇€內(nèi)側(cè)小，外側(cè)大，無(wú)橫隔板處則相反；無(wú)論有無(wú)橫隔板，切向應(yīng)變均隨曲梁跨徑比的增大而增大。

(4) 鋼梁與混凝土板結(jié)合面上的切向滑移隨跨徑比的增大而增大，橫隔板數(shù)目對(duì)其影響很小。切向滑移沿梁軸的分布規(guī)律與承受跨中集中荷載的試驗(yàn)梁的豎向剪力基本相同，但由于支座處的反力增加了混凝土板與鋼梁結(jié)合面上的局部壓力，使摩擦力增大，抑制了該處的滑移，因此梁端滑移反而較小。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Thevendran V, Chen S, Shanmugam NE, et al.Nonlinear analysis of steel-concrete composite beams curved in plan[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 1999, 32:125-139.

[2]Thevendran V, Chen S, Shanmugam NE, et al.Experimental study on steel-concrete composite beams curved in plan[J]. Engineering Structures, 2000, 22: 877-889.

[3]Lee Y H,Sung W J,Lee T H, et al. Finite element formulation of a composite double T beam subjected to torsion[J]. Engineering Structures, 2007, 29(11): 2935-2945.

[4]Tan E L,Uy B. Experimental study on straight composite beams subjected to combined flexure and torsion[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2009, 65(4): 784-793.

[5]Tan E L,Uy B. Experimental study on curved composite beams subjected to combined flexure and torsion[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2009, 65(8/9): 1855-1863.

[6]Kim K,Yoo C H. Ultimate strength interaction of bending and torsion of steel-concrete composite trapezoidal box girders in positive bending[J]. Advances in Structural Engineering, 2006, 9(5): 707-718.

[7]胡少偉, 聶建國(guó), 朱林森. 鋼-混凝土組合梁復(fù)合彎扭作用下非線性分析[J]. 工程力學(xué), 2005, 22(2): 1-5, 26.

[8]聶建國(guó), 唐亮, 胡少偉, 等. 鋼-混凝土組合箱梁的抗扭強(qiáng)度[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2008, 41(1): 1-11.

[9]張彥玲, 葛威, 侯忠明, 等. 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[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 25(4): 1-6.