改善型波形鋼腹板PC組合梁抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)研究

逯彥秋，安關(guān)鋒，程進(jìn)

（1.廣州市市政集團(tuán)有限公司廣東廣州510060；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

改善型波形鋼腹板PC組合梁抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)研究

逯彥秋1，2，安關(guān)鋒1，程進(jìn)2

（1.廣州市市政集團(tuán)有限公司廣東廣州510060；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092）

傳統(tǒng)的波形鋼腹板PC組合梁，在荷載長(zhǎng)期作用下，易產(chǎn)生撓度過大的問題，從而影響橋梁安全。為了改善這一情況，提出了一種新型的波形鋼腹板PC組合梁——改善型波形鋼腹板PC組合梁，并依據(jù)傳統(tǒng)力學(xué)理論，采用實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元方法，對(duì)改善型波形鋼腹板PC組合梁的抗彎性能進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：改善型波形鋼腹板PC組合梁較傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁具有更大的抗彎極限承載力、更大的抗彎剛度、更好的抗裂性等等，并且能較大程度地改善傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁撓度過大問題。

組合結(jié)構(gòu)；波形鋼腹板；剪力連接件；PBL；改善型波形鋼腹板組合梁；力學(xué)性能

波形鋼腹板PC組合箱梁是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型的組合結(jié)構(gòu)［1-3］，其優(yōu)點(diǎn)［4-6］是：減輕了自重，降低了造價(jià)；提高了預(yù)應(yīng)力的導(dǎo)入效率；提高了橋梁的抗震性能等。但是該結(jié)構(gòu)的最大缺陷［7-9］是：1）施工工藝復(fù)雜，施工困難；2）在荷載長(zhǎng)期作用下，梁整體剛度減小，梁撓度過大。

針對(duì)上述問題，文中對(duì)原有波形鋼腹板PC組合梁進(jìn)行了改進(jìn)，將組合梁的波形鋼板腹向下延伸至箱梁混凝土底板處，并焊上水平底板鋼板，將混凝土底板全部包裹在波形鋼腹板及鋼底板之內(nèi)。這樣既方便了施工（在澆筑混凝土底板時(shí)，波形鋼板與底板鋼板起到模板作用）；同時(shí)又提高了梁的剛度，改善了梁撓度過大問題。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)梁尺寸

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制做一片改善型波形鋼腹板PC組合實(shí)驗(yàn)梁，編號(hào)為SYL-A。梁截面形式見圖1；梁長(zhǎng)816 cm，高60 cm，頂板寬100 cm、厚15 cm；底板寬為70 cm、板厚均為15 cm；箱梁沿縱向設(shè)置2道中橫隔板，橫隔板厚16 cm；混凝土采用C40；鋼筋骨架由Φ8、Φ10、Φ14、Φ16及預(yù)應(yīng)力鋼筋組成；試驗(yàn)梁采用的波形鋼腹板厚2.5 mm，彎折角度36°，波長(zhǎng)54.2 cm，波高8.8 cm，鋼材采用優(yōu)質(zhì)Q235。

圖1 改善型波形鋼腹板組合梁梁截面形式Fig.1 Sectional drawing of prestressed concrete composite box girder with corrugated steel webs

1.2 加載方案

采用跨中兩點(diǎn)對(duì)稱單調(diào)加載方式進(jìn)行加載。加載工況共分2種，第1種為彈性工況，第2種為彈塑性工況。其中，彈性工況的最大荷載約為極限荷載的30%，通過彈性工況的加載及卸載可以檢查支座、位移計(jì)、應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)等有無異常狀況。試驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)梁安置Fig.2 Planting test specimen

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

在整個(gè)加載過程中，可清楚聽見梁發(fā)出的清脆響聲。當(dāng)加載到約400 kN時(shí)，梁進(jìn)入屈服階段。隨著荷載的逐漸增加，梁的撓度逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到約516 kN時(shí)，隨著“砰”的一聲巨響，梁瞬間破壞。組合梁混凝土頂板被壓潰，混凝土剝落后，內(nèi)部鋼筋受壓屈曲，梁純彎段處，混凝土頂板表層受局部擠壓崩開，鋼筋有鼓出現(xiàn)象。在整個(gè)加載過程中，波形鋼腹板沒有出現(xiàn)屈曲，波形鋼腹板與混凝土翼緣板之間沒有出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 荷載情況

實(shí)驗(yàn)主要結(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分別為屈服荷載作用下的彎矩及極限荷載作用下的彎矩；δy為屈服荷載作用下所產(chǎn)生的跨中撓度，δu為極限荷載作用下所產(chǎn)生的跨中撓度，δu／δy稱為延性系數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)主要結(jié)果Table 1 Main experiment results

1.4.2 梁截面縱向應(yīng)變沿梁高的分布

圖3為試驗(yàn)梁跨中截面的縱向應(yīng)變沿截面高度的分布情況。

圖3 梁截面應(yīng)變沿截面高度的分布圖Fig.3 Strain distribution on beam section along beam section height

從圖3中可以看出，鋼腹板縱向應(yīng)變沿梁截面高度分布較為均勻，且值較小，幾乎為0；包裹在箱梁底板處鋼板縱向應(yīng)變也幾乎為0。這說明底板處混凝土對(duì)波形鋼板約束作用很小，混凝土底板對(duì)鋼板的約束作用可以不計(jì)，在設(shè)計(jì)計(jì)算中底板處波形鋼腹板可以按照傳統(tǒng)波形鋼腹板組合梁理論進(jìn)行計(jì)算，而不必考慮混凝土底板對(duì)其約束影響；文獻(xiàn)［10］對(duì)此進(jìn)行了研究，也得出相同結(jié)論。另外還可以看出，在彈性狀態(tài)下，混凝土頂板沿截面高度應(yīng)變分布均近似符合平截面假定。

1.4.3 鋼腹板與混凝土頂?shù)装彘g相對(duì)滑移

圖4為試驗(yàn)梁SYL-A的波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装褰缑骈g相對(duì)滑移曲線。圖中數(shù)字3-1、3-3、3-5、3-8、3-9、及3-10為試驗(yàn)梁安裝的導(dǎo)桿引伸儀編號(hào)。從圖中可以看出，混凝土頂?shù)装迮c鋼翼緣板之間的滑移值很小，當(dāng)外荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，位于梁端頂板處的滑移達(dá)到最大值，但是也未超過0.8 mm，并且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)生連接破壞。

圖4 波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装褰缑骈g滑移曲線Fig.4 Cures of faulted bedding plane between the corrugated steel web and the concrete upper／lower slab

1.4.4 剪力滯效應(yīng)分析

圖5為跨中截面梁頂板的縱向應(yīng)變沿梁寬分布情況，其中橫坐標(biāo)0為截面中心線位置，正、負(fù)坐標(biāo)分別代表中心線兩側(cè)。

圖5 梁跨中截面混凝土頂板應(yīng)變分布圖Fig.5 Strain distribution on mid-span section along beam section width

從圖5中可以看出，當(dāng)荷載較小時(shí)，混凝土頂橫向應(yīng)變分布較均勻。當(dāng)是荷載較大時(shí)，頂?shù)装宀煌恢锰帒?yīng)變差別較大，剪力滯效應(yīng)較明顯。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算較寬箱梁時(shí)，剪力滯效應(yīng)該引起足夠重視。

2 有限元研究

本文采用大型通用有限元分析軟件Marc進(jìn)行計(jì)算分析。幾何模型按照構(gòu)件的實(shí)際尺寸建立，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在所有對(duì)稱面上施加了對(duì)稱約束條件，建立了實(shí)際結(jié)構(gòu)的一半模型。為避免局部應(yīng)力集中導(dǎo)致計(jì)算不收斂，在梁端及加載點(diǎn)建立了彈性墊塊。

2.1 單元選擇

實(shí)驗(yàn)梁的混凝土頂?shù)装宀捎梅謱託卧?，普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋均在分層殼中設(shè)置為鋼筋層。波形鋼腹板采用殼單元，橫隔板采用實(shí)體單元。由于按照完全剪力連接設(shè)計(jì)，故忽略連接界面的滑移，采用共用節(jié)點(diǎn)的方式模擬波形鋼腹板單元與混凝土單元的連接。

2.2 本構(gòu)關(guān)系

有限元分析中材料取值，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。材料強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值見表2。

混凝土的等效受壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線采用Hongnestad公式，受拉采用線性軟化模型。鋼材本構(gòu)關(guān)系采用二折線形式的彈性－強(qiáng)化模型，強(qiáng)化模量Es＇＝0.01Es，Es為鋼材初始彈性模量。

表2 材性試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of material performance test MPa

2.3 有限元分析結(jié)果

有限元計(jì)算時(shí)加載方式采用力加載，曲線終點(diǎn)為計(jì)算終止點(diǎn)。計(jì)算后得到的位移云圖見圖6。有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)所得荷載－跨中位移曲線如圖7所示。

從圖7可以看出，在整個(gè)加載過程中，實(shí)驗(yàn)梁明顯分為兩個(gè)受力階段，即彈性階段和塑性階段。其中，在彈性階段中，有限元計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值完全符合，計(jì)算曲線與實(shí)驗(yàn)曲線幾乎完全重合；在塑性階段，實(shí)驗(yàn)值偏大，有限元計(jì)算值偏小，但偏差值在計(jì)算誤差范圍之內(nèi)。因此，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)梁受力過程中，可以認(rèn)為有限元計(jì)算結(jié)果相與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，在承載力，位移等方面吻合較好，有限元計(jì)算較為精確。

圖6 實(shí)驗(yàn)梁位移云圖Fig.6 Displacement drawing of test beam

圖7 有限元計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值Fig.7 Finite element result and test result

3 改善型波形鋼腹板PC組合梁力學(xué)特性

為了對(duì)比研究改善型波形鋼腹板PC組合梁力學(xué)性能。在實(shí)驗(yàn)室中制作另兩片波形鋼腹板PC組合實(shí)驗(yàn)梁，編號(hào)分別為SYL-B、SYL-C。該兩片梁為傳統(tǒng)型波形鋼腹板組合梁，連接形式分別采用栓釘和PBL。兩片梁的幾何尺寸、配筋、混凝土強(qiáng)度等均與改善型波形鋼腹板PC組合梁SYL-A完全相同；實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩片梁的加載方式及實(shí)驗(yàn)條件也與梁SYLA完全相同。

3.1 極限承載力分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得三片梁的極限承載力，見表3。從表3可以看出，改善型波形鋼腹板組合梁較栓釘連接形式的傳統(tǒng)型波形鋼腹板組合梁極限承載力提高了18.34%，較PBL連接形式的傳統(tǒng)型波形鋼腹板組合梁極限承載力提高了11.21%。因此，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出改善型波形鋼腹板PC組合梁可以較大程度提高梁的極限承載力。

表3 極限荷載Table 3 Ultimate load

3.2 剛度、撓度及延性分析

處于彈性階段時(shí)，梁SYL-A、SYL-B及SYL-C的剛度基本相同。但當(dāng)混凝土開裂后三片梁的剛度有所不同，其中梁SYL-A最大，梁SYL-B最小，梁SYLC次之。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results

從表4可以看出（表4中符號(hào)同表1），外荷載達(dá)到屈服荷載時(shí)，梁SYL-A、SYL-B及SYL-C撓度值分別為40.97、53.54、54.49 mm；外荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，梁SYL-A跨中最大撓度為282.3 mm，梁SYL-B跨中最大撓度為467.09 mm，梁SYL-C跨中最大撓度為479.78 mm。這表明采用PBL連接形式、栓釘連接形式的傳統(tǒng)梁的撓度較大；而改善型波形鋼腹板PC組合梁的撓度值確很小。從表4中還可以看出，傳統(tǒng)的兩片波形鋼腹板PC組合梁（梁SYL-B、SYL-C）的延性系數(shù)均較改善型波形鋼腹板PC組合梁（梁SYL-A）大，這些也說明改善型波形鋼腹板PC組合梁剛度較傳統(tǒng)型大。綜上以上研究可知，改善型波形鋼腹板PC組合梁確實(shí)改善了傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁撓度過大問題。

3.3 抗裂性分析

由于混凝土抗拉強(qiáng)度小，箱梁混凝土底板易開裂，鋼筋易受到自然環(huán)境的腐蝕，從而影響梁的耐久性。提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性，延遲混凝土開裂一直是橋梁界最為重視的內(nèi)容之一。為了研究改善型波形鋼腹板PC組合梁的抗裂性能。將三片梁的開裂荷載實(shí)驗(yàn)值列于表5。

從表5可以看出，試驗(yàn)梁SYL-B的開裂荷載最小，約為120 kN，試驗(yàn)梁SYL-A的開裂荷載最大，約為210 kN。試驗(yàn)梁SYL-A較SYL-B的開裂荷載提高近66%，較梁SYL-C的開裂荷載提高近51%，這說明改善型波形鋼腹板PC組合梁的抗裂性最好，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)果的原因是改善型連接形式混凝土底板鋼板對(duì)混凝土起了約束作用，延遲了混凝土開裂。由此可見，改善型波形鋼腹板PC組合梁具有較傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁更好的抗裂性。

表5 開裂荷載Table 5 Crack load

3.4 預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率分析

由于波形鋼腹板及鋼翼緣板存在縱向剛度。因此，對(duì)波形鋼腹板PC組合梁施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，混凝土底板、波形鋼腹板及鋼翼緣板等均承受預(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)力被鋼翼緣板及波形鋼腹板吸收［11-12］。較高的預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率是波形鋼腹板PC組合梁優(yōu)于混凝土箱梁的最為重要的優(yōu)點(diǎn)之一［13-14］。因此，有必要研究改善型波形鋼腹板的預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率。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。不同類型的波形鋼腹板PC組合梁預(yù)應(yīng)力效率值，見表6。

從表6可以看出，栓釘連接形式梁預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率最高，其次是PBL連接形式的梁，但栓釘連接形式與PBL連接形式的梁預(yù)應(yīng)力效率相差不大。預(yù)應(yīng)力效率最低的是改善型連接形式梁。其原因是，混凝土底板鋼板截面面積較大，其縱向剛度較大，其所承擔(dān)的預(yù)應(yīng)力也較大，因此，會(huì)較大程度的分擔(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)力效率低的原因是，鋼翼緣板及翼緣板上焊接的肋板加大了梁的縱向剛度，使其分擔(dān)了施加于梁上的預(yù)應(yīng)力。因此改善型波形鋼腹板PC組合梁的預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率較傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁差。

表6 預(yù)應(yīng)力效率Table 6 Prestressing force efficiency

4 結(jié)論

通過以上研究表明，改善型波形鋼腹板PC組合梁較傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁具有更優(yōu)越的力學(xué)性能。表現(xiàn)為：

1）改善型波形鋼腹板PC組合梁提高了梁的極限抗彎荷載，較傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁具有更高的承載能力。

2）改善型波形鋼腹板PC組合梁提高了梁的剛度，改善了傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁在長(zhǎng)期荷載作用下?lián)隙冗^大問題；

3）改善型波形鋼腹板PC組合梁較傳統(tǒng)波形鋼腹板PC組合梁具有更好的抗裂性好，延遲了裂縫開裂時(shí)間，從而減少了外界環(huán)境對(duì)梁鋼筋腐蝕，提高了梁的耐久性，延長(zhǎng)了梁的使用壽命。

4）在試驗(yàn)梁的制作過程中發(fā)現(xiàn)，改善型波形鋼腹板PC組合梁，因?yàn)椴ㄐ武摳拱寮暗装邃摪逅鸬降哪０遄饔茫沟迷擃惲菏┕じ鼮榉奖恪?/p>

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Experimental research on flexural strength of prestressed concrete composite box girder with corrugated steel webs

LU Yanqiu1，2，AN Guanfeng1，CHEN Jin2
（1.Guangzhou Municipal Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510060，China；2.College of Civil Engineering，Tonggi University，Shanghai 200092，China）

Large deflection may occur in the traditional prestressed concrete（PC）composite box girder with corrugated steel webs if it is under the loading action for a long time，which endangers the bridge.In order to overcome this shortcoming，a new type of PC composite box girder，is presented as an alternative solution，i.e.，the improved composite box girder with corrugated steel webs.On the basis of traditional theory of mechanics，by combining the finite element method and test method，the flexural strength of the improved composite box girder is studied.The conclusion is drawn that the improved composite box girder showed better ultimate capabilities，flexural rigidity，and the anticrack than the common composite box girder with corrugated steel webs.Therefore，this solution can overcome the shortcoming of large deflection in the traditional composite box girder with corrugated steel webs to a large extent.

composite structure；corrugated steel web；shear connector；perofbond leiste（PBL）；improved box girder bridge with corrugated steel webs；mechanical performance

10.3969／j.issn.1006-7043.201306019

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201306019.html

U443.3

A

1006-7043（2014）11-1345-06

2013-06-04.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-10-14.

博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013M542160）.

逯彥秋（1975-），男，高級(jí)工程師，博士.

逯彥秋，E-mail：luyanqiu2008＠126.com.