雙層集中荷載作用腹板開孔混凝土簡支箱梁模型試驗研究

祝明橋，王 凡，汪建群

(湖南科技大學 土木工程學院,湘潭 411201)

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雙層集中荷載作用腹板開孔混凝土簡支箱梁模型試驗研究

祝明橋，王 凡，汪建群

(湖南科技大學 土木工程學院,湘潭 411201)

為揭示面向雙層交通混凝土箱梁抗彎受力性能，對1/6比例腹板開孔、單箱三室混凝土箱梁模型，在彈性范圍內(nèi)進行了上下集中荷載抗彎受力性能試驗研究.試驗重點測試了不同荷載工況下的特征截面的應變分布及撓度變形；通過試驗研究與分析，初步揭示了同樣大小集中荷載作用在底板較頂板撓度大10%左右；截面應變分布不均勻，存在集中加載處應變較截面平均應變大20%～40%的現(xiàn)象.試驗研究成果可為雙層交通混凝土箱梁設(shè)計提供試驗依據(jù)和參考.

集中荷載；簡支箱梁；抗彎性能；雙層交通

0 引 言

混凝土箱梁因具良好受力性能而特別適用于中等跨度城市橋梁.通過取消箱梁橫隔板，使頂、底板均成為橋面系，同時在腹板上開設(shè)必要的孔洞以滿足通風、采光及消防等要求，可實現(xiàn)雙層交通[1-2].這種設(shè)計即能滿足城市各類管線的布置可大大緩解城市交通的壓力，對我國近年來構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會有積極作用.因需克服箱梁腹板開孔、取消橫隔板等一系列難題，在混凝土箱梁室內(nèi)實現(xiàn)交通較為困難.國外對雙層荷載作用箱梁受力性能研究多見于鋼箱梁；對于腹板開孔混凝土梁研究多限于T梁[3-4].在國內(nèi)，有少數(shù)學者對雙層荷載作用箱梁受力性能進行了探討.福州大學郭建斌[5]運用有限元分析和有機玻璃模型試驗方法對雙層荷載連續(xù)箱梁的剪力滯效應進行深入研究；鄭為明等[6]對上下行分層矮斜拉連續(xù)箱梁橋靜力分析及畸變進行了研究.祝明橋等對其中六根腹板開有矩形孔的鋼筋混凝土簡支梁建立空間有限元模型進行非線性數(shù)值分析，并對孔洞高度、孔側(cè)加強筋等因素進行了參數(shù)分析, 得出了一些有價值的結(jié)論[7].對于面向雙層交通混凝土箱梁而言，抗彎受力性能為其最主要設(shè)計參數(shù)之一，而目前相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)較為缺乏.

本文按1∶6的比例澆筑試驗模型，研究了雙層均布荷載作用下模型簡支箱梁不同截面頂、底板應變分布和荷載-撓度規(guī)律；探討了雙層均布荷載作用下單箱三室混凝土箱梁受力性能，得出了一些有益的結(jié)論，可為面向雙層交通混凝土箱梁設(shè)計提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗模型及測點布置

本試驗箱梁模型是采用C50等級的混凝土與HPB235、HRB335等級的鋼筋，分別在跨中截面，1/4截面及支座截面設(shè)置了加勁肋，本文僅選跨中截面進行應變測試分析，試驗模型實物圖及模型平面圖如圖1所示.

圖1 試驗模型箱梁的實物與平面圖

為測試模型箱梁在雙層集中荷載作用下關(guān)鍵截面應變分布和變形規(guī)律，在跨中截面布置混凝土應變片；在支座截面及跨內(nèi)八分點截面安裝百分表，具體布置如圖2所示.

圖2 箱梁試驗模型及截面尺寸

1.2 加載方案

試驗采用二級分配梁四點對稱加載模擬集中荷載，共有四種工況.具體加載制度如表1所示.工況一加載裝實物如圖3所示.

表1 加載制度(kN)

圖3 工況一加載實物圖

1.3 測試方法

考慮到混凝土受力處于彈性范圍內(nèi)，相同試驗進行多次，同時利用截面的對稱性，取其平均值作為最終的試驗結(jié)果.

2 試驗結(jié)果與分析

本雙層交通混凝土簡支箱梁的集中加載試驗是在保證模型箱梁處于彈性變形的前提下進行的，分別做了頂板邊梁集中加載、頂板中梁集中加載、底板邊梁集中加載、底板中梁集中加載四種工況下的試驗研究，在對實測數(shù)據(jù)進行科學整理分析的基礎(chǔ)上，得到模型箱梁的撓度變形曲線及應變分布規(guī)律.

2.1 撓度結(jié)果

以下給出模型箱梁底板邊梁在工況一及工況三作用下的荷載撓度曲線如圖4a)所示，圖4中利用了截面的對稱性，以中間為對稱軸，工況一與工況三作用下的荷載撓度曲線各取一半，左側(cè)虛線表示頂板邊梁加載，右側(cè)實線表示底板邊梁加載.模型箱梁底板中梁在工況二及工況四作用下的荷載撓度曲線如圖4b)所示，表示方法與圖4a)相同.

圖4 底板荷載撓度曲線

由圖4可知：

(1)在不同工況集中荷載作用下，模型梁的撓度隨著荷載等級的提高呈比例增長，說明模型梁處在彈性工作階段.

(2)對于底板邊梁而言，荷載作用在頂板邊梁(工況一)時底板邊梁跨中撓度為0.29 mm，荷載作用于底板邊梁(工況三)時為0.32 mm，較工況一而言增大10.3%；對于底板中梁而言，荷載作用在頂板中梁(工況二)時底板中梁3/8跨處產(chǎn)生的撓度是0.27 mm，荷載作用于底板中梁(工況四)時為0.31 mm，較工況二而言增大了14.8%，說明底板加載對腹板開孔簡支箱梁的中梁撓度影響較大.

2.2 應變

2.2.1 不同工況作用下模型梁頂板跨中截面的縱向應變分布

隨著每種工況荷載等級的增加，模型梁頂板跨中截面的縱向應變沿頂板橫向?qū)挾确较虻姆植家?guī)律如圖5所示.

圖5 頂板跨中截面應變分布

由圖5可知：

(1)工況一～工況四作用下，雙層交通混凝土簡支箱梁頂板跨中截面隨著每一級荷載的增加，應變規(guī)律也越來越明顯，荷載直接作用的梁應變最大，荷載由此梁向兩邊傳遞，這與撓度的實測結(jié)果一致.

(2)在工況一作用下，頂板邊梁的應變隨著每級荷載的增加相差較大，最大相差5 με ，而中梁的應變隨著荷載等級的增加相差較小，最大相差2.6 με，較頂板邊梁小48%.在工況二作用下頂板中梁的應變隨著每級荷載的增加相差較大，最大相差3.9 με，而邊梁的應變隨著荷載等級的增加相差較小，最大相差2.3 με ，較頂板中梁小43.6%.在工況三作用下，頂板邊梁的應變隨著每級荷載的增加最大相差6.6 με ，頂板中梁的應變隨著荷載等級的增加最大相差4.6 με ，較頂板邊梁小30.3%.在工況四作用下，頂板中梁的應變隨著每級荷載的增加最大相差6.2 με ，頂板邊梁的應變隨著荷載等級的增加最大相差3.9 με，較頂板邊梁小37.1%.引起這些現(xiàn)象的原因均是由于局部應力的影響.

2.2.2 不同工況下頂、底板跨中截面的應變對比分析

在四種不同工況下，在荷載等級是100 kN時頂、底板的縱向應變沿頂、底板橫向?qū)挾确较虻姆植家?guī)律如圖6所示.為了使頂、底板應變分布圖看起來方便，圖中正數(shù)代表壓應變，負數(shù)代表拉應變，這樣使得頂板應變曲線在底板應變曲線之上.

圖6 頂、底板跨中截面應變分布

由圖6可知：在頂板邊梁加載時，頂板邊梁和中梁的應變分別是18.3 με和10.3 με ，底板邊梁和中梁的應變分別是6.4 με 和5.6 με.在頂板中梁加載時，頂板邊梁和中梁的應變分別是9.1 με 和15.5 με ，底板邊梁和中梁的應變分別是3.2 με 和6.6 με.在底板邊梁加載時，頂板邊梁和中梁的應變分別是26.2 με和18.3 με，底板邊梁和中梁的應變分別是-19.4 με和-1 με.在底板中梁加載時，頂板邊、中梁的實測應變分別為15.3 με和24.5 με，底板邊、中梁的實測應變分別為0.8 με和-17 με.說明在不同工況下，荷載直接作用的梁受力最大，荷載由此梁向兩邊分配，這與撓度的實測結(jié)果基本一致.

3 結(jié) 論

(1)本文對雙層均布荷載作用腹板開孔混凝土簡支箱梁在彈性范圍內(nèi)受力性能進行了大比例模型試驗研究，并就腹板開孔與否對其受力性能影響進行了有限元分析，研究成果可為混凝土箱梁雙層橋相關(guān)設(shè)計提供參考；

(2)對于底板邊梁而言，荷載作用在頂板邊梁(工況一)時底板邊梁跨中撓度為0.29 mm，荷載作用于底板邊梁(工況三)時為0.32 mm，較工況一而言增大10.3 %；對于底板中梁而言，荷載作用在頂板中梁(工況二)時底板中梁3/8跨處產(chǎn)生的撓度是0.27 mm，荷載作用于底板中梁(工況四)時為0.31 mm，較工況二而言增大了14.8 %，說明底板加載對腹板開孔簡支箱梁的中梁撓度影響較大.

(3)荷載直接作用的梁受力最大，荷載由此梁向兩邊分配，這與撓度的實測結(jié)果基本一致.

[1] 孫建淵,陳階亮.城市橋梁雙層交通的概念設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2006,(2):39-42.

[2] 霍海強.單箱雙室混凝土巨型截面箱梁設(shè)計及其抗彎性能數(shù)值分析[D].湖南科技大學碩士論文,2011.

[3] Javad V. A., Morteza H.. Effect of Small Circular Opening on the Shear and Flexural Behavior and Ultimate Strength of Reinforced Concrete Beams Using Normal and High Strength Concrete[P].13th World Conference on Earthquake Engineering,Vancouver, B.C., Canada,August 1-6, 2004, Paper No.3239.

[4] J. Warwaruk. Behavior of Prestressed Concrete T-Beams with Large Rectangular Web Openings[J].ACI Special Publication,1974,42: 399-424.

[5] 郭建斌. 雙層荷載連續(xù)箱梁剪力滯效應研究[D].福州大學碩士論文，2003.

[6] 鄭為明. 上下行分層矮斜拉連續(xù)箱梁橋靜力分析及畸變研究[D].福州大學碩士論文，2005.

[7] 祝明橋，霍海強，蔣偉中，唐 磊. 腹部開孔鋼筋混凝土簡支梁非線性數(shù)值模擬[J]. 土木建筑與環(huán)境工程，2011，33(1)：199-202.

Experimental Study on Simple-supported Concrete Box Girder with Web Openings Under Double Concentrated Loads

ZHU Ming-qiao,WANG Fan,WANG Jian-qun

(College of Civil Engineering,Hunan Institute of Sicience and Technology, Xiangtan 411201, China)

To reveal the behaviors of bending about double-traffic of concrete box girder, experimental study on the model of concrete box girder of single box three rooms which is one-sixth scaling ratio and web opening on the concentrated loads up or down within the elastic range is done.The strain distribution and deflection of characteristics section under the different conditions are tested.By the experimental study and analysis,the same concentrated loads on the floor cause deflection about 10% larger than the roof and the uneven distribution of strain of cross-section. The strain of concentrated loads is larger than the cross-sectional average strain about 20% to 40%.Test results provide experimental basis and reference for the design of concrete box girder double traffic.

concentrated load; simply supported box girder; bending performance; double deck traffic

2014-06-28

湖南省自然科學基金聯(lián)合項目(14JJ7055).

祝明橋(1968-)，男，博士，教授，研究方向：混凝土新材料及其應用.

U448.21

A

1671-119X(2015)01-0090-05