T形肋正交異性組合橋面板力學(xué)性能

蘇慶田, 賀欣怡, 曾明根, 韓旭

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092)

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T形肋正交異性組合橋面板力學(xué)性能

蘇慶田, 賀欣怡, 曾明根, 韓旭

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092)

摘要：為了檢驗所提出的T形肋正交異性組合橋面板在局部車輪荷載作用下的受力特性及這種橋面板在橋梁第二體系中的受力性能，并區(qū)分其與常規(guī)橋面板的受力性能，設(shè)計制作了4個不同橋面板試件，其中包括一個混凝土橋面板，一個正交異性鋼橋面板，兩個不同尺寸的T形肋正交異性組合橋面板.通過靜力試驗測試了不同橋面板在荷載作用下負彎矩區(qū)混凝土開裂情況、橋面板不同部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)變和變形等.試驗結(jié)果表明T形肋正交異性組合橋面板在車輪荷載作用下其局部應(yīng)力水平顯著低于正交異性鋼橋面板，相同寬度的T形肋正交異性組合橋面板其極限抗彎承載力分別是混凝土橋面板和鋼橋面板的2.30倍和1.57倍以上，表明T形肋正交異性組合橋面板具有較強的抗疲勞性能.

關(guān)鍵詞：組合橋面板； 正交異性； T形肋； 受力性能； 試驗

目前橋面板通常采用混凝土橋面板和鋼橋面板[1].混凝土橋面板由于其整體性好、造價低在小跨徑橋梁中應(yīng)用最廣泛，其自重大的缺點限制了其在大跨度橋梁中的使用[2].此外混凝土抗拉能力弱，開裂問題是最容易發(fā)生的病害[3].混凝土橋面板的開裂主要表現(xiàn)在：橋面板底部受拉區(qū)混凝土單向開裂、崩裂及雙向的網(wǎng)狀裂縫、剝落[4-5].鋼橋面板由于自重輕而在大跨度橋梁廣泛使用，但由于其造價高限制了其在中小跨徑橋梁中的使用.此外鋼橋面板易出現(xiàn)了疲勞破壞現(xiàn)象[6-8]和橋面板鋪裝損壞，影響了橋梁的安全性、耐久性以及正常使用[9].由于自重和造價的原因，混凝土橋面板應(yīng)用于小跨徑橋梁有優(yōu)勢，鋼橋面板應(yīng)用于大跨度橋梁有優(yōu)勢，而在中等跨度橋梁中二者的優(yōu)勢均不明顯，這為組合橋面板的應(yīng)用提供了一種可行空間[10].

由于我國的組合結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)處于初始發(fā)展階段，鋼橋相對于混凝土橋而言數(shù)量較少，目前橋梁中采用組合橋面板的實例則更少.佛山東平大橋采用了10 mm平鋼板與12 cm混凝土相組合的組合橋面板，工程實例和研究表明平鋼板-混凝土組合橋面板相對鋼筋混凝土橋面板具有較好的耐久性能[11]，能有效減緩橋面板嚴重耐久性損壞現(xiàn)象.為此本文在平鋼板-混凝土組合橋面板基礎(chǔ)上提出了一種帶T形肋的平鋼板-混凝土組合橋面板，總體上形成正交異性組合橋面板，增加橋面板的單向抗彎剛度.

為了檢驗T形肋正交異性組合橋面板的受力性能，特別是在第二體系下的受力性能，并進一步與常規(guī)橋面板的受力性能進行比較，本文設(shè)計制作了4個不同截面形式的橋面板，通過試驗測試了橋面板各個部分構(gòu)件在不同荷載作用下的受力和變形，并對不同橋面板的受力性能進行比較分析.

1試驗方案

1.1試件設(shè)計

本次靜力試驗共設(shè)計了2個T形肋鋼-混凝土組合橋面板試件(編號S-1、S-2)、1個鋼筋混凝土橋面板試件(編號S-3)和1個正交異性鋼橋面板試件(編號S-4).由于橋面板支承在橫隔板上，因此橋面板的一跨跨徑長度等于橫隔板的間距.橋梁中橫隔板的間距通長為3～5 m，橫隔板間距越大，橋面板能承受的荷載越小，因此取試件的一跨跨徑長度為5 m.為考察連續(xù)橋面板的受力性能，橋面板試件縱向取兩跨長度.實橋中的鋼橋面板高度在300 mm左右，混凝土橋面板的厚度在250～300 mm之間，為了比較幾個試件的受力性能，將4個橋面板試件的截面高度均定為300 mm.

各個橋面板的總長度同為10.5 m(兩個邊支座外懸挑各250 mm).橋面板的截面形狀如圖1a～1d所示.此外，試件S-1混凝土中縱向鋼筋直徑為20 mm，間距150 mm，橫向鋼筋直徑為12 mm，間距150 mm； T型加勁肋為TN200×200；混凝土和鋼結(jié)構(gòu)之間布置了直徑13 mm、高度80 mm的焊釘，焊釘沿試件寬度和長度方向間距分別為225 mm和200 mm.試件S-2縱向鋼筋和橫向鋼筋的規(guī)格及間距同試件S-1； T型加勁肋為TM170×250；混凝土和鋼結(jié)構(gòu)之間布置了直徑13 mm，高度80 mm的焊釘，焊釘沿試件寬度方向間距220 mm、長度方向間距200 mm.試件S-3混凝土中縱向鋼筋直徑為20 mm，間距150 mm，橫向鋼筋直徑為12 mm，間距150 mm.

a 試件S-1橫截面圖

b 試件S-2橫截面圖

c 試件S-3橫截面圖

d 試件S-4橫截面圖

1.2試驗加載裝置

對試件S-1、試件S-2和試件S-4的一個5 m單跨測試車輪荷載作用時相鄰兩肋間的橋面板局部受力.在橋面厚度最薄弱位置施加70 kN的車輪荷載，車輪與橋面板的接觸面積為600 mm×200 mm，荷載值和接觸面積與公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[12]規(guī)定相同.由于試件S-1、試件S-2和試件S-4在縱橋向和橫橋向的剛度不同，不同的車輪放置方向下結(jié)構(gòu)響應(yīng)不同.根據(jù)車輪放置的方向，車輪局部加載方式分為兩種.加載方式1為車輪接觸面長邊(600 mm)垂直于加勁肋長度方向的加載方式，如圖2a所示；加載方式2為車輪接觸面長邊平行于加勁肋長度方向的加載方式，如圖2b所示.兩種加載方式中，車輪加載的面積關(guān)于單跨橋面板的縱向?qū)ΨQ軸和橫向?qū)ΨQ軸對稱.

另外，對所有試件的每一跨跨中施加豎向力P，如圖2c所示，測試橋面板在橋梁第二體系下正、負彎矩區(qū)的整體受力性能.試驗測試裝置如圖3所示.

a 局部受力加載1

b 局部受力加載2

c 整體受力加載

圖3　試件加載測試裝置

1.3測試內(nèi)容及測點布置

在測試車輪局部荷載作用時僅在車輪作用位置的縱橋向跨中截面頂板與工字鋼或U肋的腹板交界處沿橋面板寬度方向布置了1個應(yīng)變計，如圖4a和4b所示.在測試橋面板整體受力行為時，在中支點、跨中截面處的橋面板混凝土上表面、內(nèi)部鋼筋、鋼板和T形肋上布置了應(yīng)變計，在支點、跨中布置了位移計，在梁端設(shè)置了千分表測試鋼板與混凝土間的相對滑移.具體應(yīng)變測點布置如圖4c～4g所示.圖中，GJ表示鋼筋應(yīng)變測點，GJT，GJB分別表示上層和下層.

a 試件S-1、S-2鋼板橫向受力測點

b 試件S-4鋼板橫向受力測點

c 試件S-1、S-2鋼板縱向受力測點

d 試件S-4鋼板縱向受力測點

e 試件S-1鋼筋應(yīng)變測點

f 試件S-2鋼筋應(yīng)變測點

g 試件S-3鋼筋應(yīng)變測點

1.4材性試驗

對本次試驗中的主要受力構(gòu)件的材性進行了測試，其中鋼材的主要力學(xué)性能指標如表1所示，混凝土的主要力學(xué)性能指標:抗壓強度為65.27 MPa，抗拉強度為4.91 MPa，彈性模量為41 556 MPa.

表1　鋼材的力學(xué)性能指標

2車輪荷載作用下的橋面板局部受力

在車輪局部加載方式1和局部加載方式2作用下，測得試件S-1、試件S-2和試件S-4橋面板H-1點(如圖4a和4b所示)的橫向應(yīng)力分布如圖5所示.

由圖5a和5b可以看出，在車輪局部加載方式1或方式2作用下，試件S-1和試件S-2在H-1處的橫向應(yīng)變要遠小于S-4在H-1處的橫向應(yīng)變.

對比試件S-1、試件S-2和試件S-4橋面板在車輪局部荷載作用下的應(yīng)力水平可以看出：組合橋面板的應(yīng)力水平比較低，均在4 MPa以內(nèi)，而正交異性鋼橋面板的應(yīng)力水平最大可達17 MPa.根據(jù)鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范[13]中規(guī)定應(yīng)力幅與損傷度成三次方關(guān)系，組合橋面板的鋼面板比正交異性橋面板的鋼面板發(fā)生疲勞的可能性大大降低，在正常使用情況下組合橋面板中鋼板自身基本上無疲勞問題.

a 加載方式1

b 加載方式2

3豎向荷載作用下橋面板的整體受力

采用圖2c所示的加載方式模擬橋面板第二結(jié)構(gòu)體系的受力，持續(xù)增加外荷載而得到不同種類橋面板的受力性能及破壞發(fā)展變化過程.

3.1試驗過程及破壞特征

(1) 試件S-1

加載初期，試件處于彈性工作狀態(tài)，混凝土和鋼板的應(yīng)變都隨荷載增加而線性增加.當荷載達到約30 kN時，中支點混凝土頂板出現(xiàn)第一條橫向裂縫，此后，隨著荷載增加，混凝土裂縫的數(shù)目越來越多，裂縫的寬度和深度也越來越大.當荷載達到130 kN時，裂縫寬度達到0.2 mm，此時最大裂縫深度為36 mm.當荷載達到約350 kN時，頂板混凝土和鋼板之間局部位置的粘結(jié)發(fā)生破壞并伴隨響聲，此時最大裂縫深度達到58 mm.當荷載達到約600 kN時，中支點截面鋼梁底板下緣受壓屈服.當荷載達到650 kN時，跨中截面鋼底板受拉屈服.此后，應(yīng)變和變形急劇增大.當荷載達到810 kN時，跨中截面頂板上緣混凝土由于縱向壓應(yīng)力過大而壓碎(圖6)，結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承載，此時中支點截面處混凝土板裂縫已經(jīng)基本貫穿板厚.

(2) 試件S-2

試件S-2的破壞現(xiàn)象與試件S-1相似.當荷載達到40 kN左右時，中支點附近頂板混凝土出現(xiàn)第一條裂縫.當荷載達到約140 kN時，裂縫寬度達到了0.2 mm，此時最大裂縫深度為29 mm.當荷載達到約770 kN時，中支點截面鋼梁下緣受壓屈服，之后跨中截面鋼下緣受拉屈服.當荷載達到950 kN時，跨中截面頂板混凝土被壓碎(圖7)，試件無法繼續(xù)承載.

圖6　試件S-1破壞形態(tài)

圖7　試件S-2破壞形態(tài)

(3) 試件S-3

加載初期，試件處于彈性工作狀態(tài).當荷載達到20 kN時，跨中截面底板混凝土受拉開裂.當荷載達到70 kN時，中支點截面頂板混凝土受拉開裂.當荷載達到180 kN時，中支點負彎矩區(qū)頂板混凝土裂縫達到0.2 mm.當荷載達到250 kN時，跨中底板混凝土受拉區(qū)裂縫達到0.2 mm，此時跨中截面附近混凝土最大裂縫深度達到118 mm.此后，跨中正彎矩區(qū)和中支點負彎矩區(qū)的混凝土裂縫數(shù)目均隨荷載增加而增加.當荷載達到418 kN時，跨中截面下層受拉鋼筋屈服.當荷載接近432 kN時，中支點截面處上層受拉鋼筋屈服.當荷載達到450 kN時，跨中截面混凝土頂板被壓碎(圖8)，結(jié)構(gòu)無法繼續(xù)承載.

圖8　試件S-3破壞形態(tài)

(4) 試件S-4

加載初期，試件處于彈性工作狀態(tài).當荷載達到276 kN時，中支點截面U肋底板達到受壓屈服.當荷載達到430 kN時，跨中截面U肋底板達到受拉屈服.當荷載達到637 kN時，中支點截面鋼頂板上緣達到屈服應(yīng)變.當荷載達到750 kN時，跨中位移已經(jīng)達到120 mm，結(jié)構(gòu)因位移過大無法繼續(xù)承載(圖9)，此時中支點附近U肋底板處已經(jīng)出現(xiàn)局部屈曲.

圖9　試件S-4破壞形態(tài)

3.2試驗結(jié)果和分析

(1) 跨中撓度與荷載關(guān)系

由于本文的4個試件橫截面高度幾乎一致，但寬度不同，為了對比分析4個試件在豎向荷載下的整體受力性能，把4個試件均換算成單位板寬的承載力進行比較分析.根據(jù)每個試件的實際截面寬度和所承受的豎向荷載，得到4個試件單位寬度的跨中撓度與豎向荷載的關(guān)系曲線如圖10所示.圖中跨中豎向位移取左右兩跨的平均值.

圖10　試件荷載-跨中撓度關(guān)系

由圖10看出，4個試件均經(jīng)歷了彈性和塑性階段.在彈性階段試件S-1和S-2的剛度要比試件S-3和試件S-4大，表明T形肋正交異性組合橋面板的結(jié)構(gòu)剛度比鋼橋面板和混凝土橋面板大.此外，當荷載達到280 kN時，試件S-3的荷載-位移曲線斜率明顯變化，表明結(jié)構(gòu)從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)到部分塑性狀態(tài)，試件單位寬度的極限荷載為376.4 kN；試件S-4從彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的荷載為500 kN，試件單位寬度的極限荷載為551.3 kN.試件S-1和S-2出現(xiàn)結(jié)構(gòu)從彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的荷載分別為650和670 kN，兩個試件單位寬度的極限荷載分別為903.7和867.6 kN.試驗結(jié)果表明T形肋正交異性組合橋面板的彈性臨界荷載和結(jié)構(gòu)極限荷載均比混凝土橋面板和鋼橋面板高，其中試件S-1的極限荷載分別是試件S-3和試件S-4的2.40倍和1.64倍，試件S-2的極限荷載分別是試件S-3和試件S-4的2.30倍和1.57倍，進一步能表明T形肋正交異性組合橋面板有相對較大的結(jié)構(gòu)安全度.目前在我國公路車輛荷載超載日益嚴重的情況下，T形肋正交異性組合橋面板具有較好的適應(yīng)性.

(2) 彎矩重分布特性

根據(jù)每個試件實際承受的豎向荷載及測得的支座反力，可以得到每個試件跨中及中支點截面的彎矩，進一步得到豎向荷載變化情況下的截面彎矩變化情況，具體如圖11所示.圖中，橫坐標為作用在跨中的千斤頂?shù)暮奢d，縱坐標為試件的最大正(負)彎矩值.最大正彎矩為千斤頂作用位置處的跨中截面彎矩，根據(jù)測得的邊支座反力計算得到；最大負彎矩為中支點截面處彎矩，由邊支座反力和千斤頂荷載計算得到.此外按照線彈性理論不計混凝土開裂和鋼材屈服影響計算了每個試件的正負最大彎矩與跨中荷載的關(guān)系.

a 試件S-1正負最大彎矩-荷載曲線圖

b 試件S-2正負最大彎矩-荷載曲線圖

c 試件S-3正負最大彎矩-荷載曲線圖

d 試件S-4正負最大彎矩-荷載曲線圖

由于按照線彈性理論計算的正負最大彎矩與施加的荷載呈現(xiàn)嚴格的線性關(guān)系，但對比不同試件的正負最大彎矩與施加荷載的關(guān)系可以看出，試驗測試和理論計算的結(jié)果有所不同.這種不同是由于實際結(jié)構(gòu)中隨著荷載的增大，試件中有些部位的材料進入非彈性而引起的構(gòu)件內(nèi)力重分布.對于試件S-1和試件S-2，中支點處的頂板混凝土隨著荷載增加逐漸開裂，導(dǎo)致中支點處的最大負彎矩比理論計算值小，而跨中處的最大正彎矩比理論值大.盡管試件S-3的理論測試值與測試結(jié)果較近，實際上該試件在中支點和跨中截面的混凝土基本同時在開裂，結(jié)構(gòu)內(nèi)力在兩個截面同時發(fā)生重分布.對比每個試件中的最大正(負)彎矩-荷載曲線可以看出，隨著荷載的增大，理論計算值與實測值的比例關(guān)系基本保持一致，說明每個試件在不同荷載作用下發(fā)生截面彎矩重分布的程度基本不變.

4結(jié)語

本文對2個T形肋正交異性組合橋面板和1個混凝土橋面板、1個正交異性鋼橋面板進行了靜載試驗研究，得到以下主要結(jié)論:

(1) 在車輪荷載作用下，本文所提的T形肋正交異性組合橋面板具有良好的受力性能，其最不利位置的橫向應(yīng)變要遠低于正交異性鋼橋面板，大大降低了橋面板中鋼板發(fā)生疲勞破壞的可能性；

(2) 在跨中集中荷載作用下，本文所提到的T形肋組合橋面板的單位寬度抗彎承載力是混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板的2.30倍和1.57倍以上；

(3) 連續(xù)組合橋面板由于在中支點截面處混凝土開裂會引起橋面板彎矩的重分布，這種重分布特性不隨荷載的增加而發(fā)生顯著變化.

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Performance of the Composite Bridge Deck with Concrete Slab and Orthotropic Steel Plate with T-shape Stiffener

SU Qingtian, HE Xinyi, ZENG Minggen, HAN Xu

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：In order to check the performance of the new type of composite bridge deck proposed in this paper under the wheel load and its performance in the second system of the bridge deck, also to compare it with the performance of the normal bridge deck, 4 different types of bridge deck are designed and fabricated, one is concrete bridge deck, one is orthotropic steel bridge deck, and the other two are composite bridge decks with concrete slab and orthotropic steel plate with T-shape stiffener in different sizes. Static load test is conducted on these specimens to shed light on the cracking of concrete in the negative moment zone and measure the deformation and the strains in different locations on the decks. The result proves that the local stress level of the composite bridge deck is less than that of the orthotropic steel bridge deck, the load-carrying capacity of the composite bridge deck in unit width is at least 2.36 and 1.57 times as many as that of the concrete deck and orthotropic steel plate deck, respectively, which, further validate that the composite bridge deck proposed in this paper has a higher fatigue strength.

Key words：composite bridge; orthotropic deck; T-shape stiffener; mechanical behavior; experiments

文獻標志碼：A

中圖分類號：TU398

通訊作者：曾明根(1963—)，男，工學(xué)博士，教授級高工，主要研究方向為鋼與組合結(jié)構(gòu)橋梁.E-mail：zengmg@#edu.cn

基金項目：國家“九七三”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2013CB036303)

收稿日期：2015-04-15

第一作者： 蘇慶田(1974—)，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為鋼與組合結(jié)構(gòu)橋梁.E-mail：sqt@#edu.cn