鋼-混凝土組合梁在簡(jiǎn)諧荷載下的動(dòng)力響應(yīng)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.中鐵建安工程設(shè)計(jì)院有限公司，河北 石家莊 050043)

0 引言

鋼-混凝土組合梁通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板結(jié)合在一起共同工作，可將其看作由混凝土板、連接件和鋼梁一起組成的一種多構(gòu)件的組合體系，在動(dòng)力荷載作用下，混凝土板和鋼梁通過連接件相互傳遞內(nèi)力，共同變形，形成一個(gè)動(dòng)力耦合系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土-連接件-鋼梁動(dòng)力相互作用系統(tǒng)的研究已有一些成果，主要是通過理論模型或有限元方法進(jìn)行分析[1-6]。在動(dòng)力模型試驗(yàn)方面，組合梁的自振特性試驗(yàn)有部分相關(guān)報(bào)道[7]，但對(duì)于強(qiáng)迫振動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)，只有少量模型試驗(yàn)[8]，主要是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[9-10]，無法進(jìn)行參數(shù)分析。

在工程實(shí)際中，組合梁受到的強(qiáng)迫振動(dòng)主要包括兩種：一種是工業(yè)廠房中的組合梁受到機(jī)器振動(dòng)的作用；另一種是組合梁橋受到移動(dòng)車輛荷載的振動(dòng)作用。由于移動(dòng)荷載在試驗(yàn)室中不宜精確模擬，擬通過對(duì)組合梁模型在試驗(yàn)室內(nèi)施加持續(xù)的簡(jiǎn)諧荷載，研究組合梁在強(qiáng)迫振動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)，得到組合梁動(dòng)力試驗(yàn)的基本現(xiàn)象，明確連接件抗剪剛度對(duì)組合梁動(dòng)力特性的影響，為組合梁的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供理論依據(jù)。簡(jiǎn)諧荷載下的動(dòng)力響應(yīng)同樣能反映移動(dòng)荷載下組合梁的動(dòng)力特性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及加載方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

測(cè)試簡(jiǎn)諧正弦荷載下組合梁的動(dòng)力響應(yīng)，包括跨中加速度時(shí)程、梁兩端的滑移時(shí)程及梁跨中的豎向撓度時(shí)程；分析連接件抗剪剛度(剪力連接度)及簡(jiǎn)諧荷載特性對(duì)組合梁動(dòng)力特性的影響。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

以剪力連接度為參數(shù)，共設(shè)計(jì)3片模型梁，箱型截面，簡(jiǎn)支跨度6 000 mm，梁全長(zhǎng)6 200 mm，混凝土板長(zhǎng)6 200 mm，寬700 mm，厚70 mm；鋼梁高180 mm，下翼緣寬430 mm，翼緣板厚8 mm，腹板厚8 mm；栓釘直徑13 mm，高50 mm。鋼梁采用Q235鋼，混凝土C30，鋼筋一級(jí)鋼筋，橫隔板均為5片，間隔1.5 m。

試驗(yàn)梁SCB1，剪力連接度為1.1，在鋼梁每側(cè)腹板上翼緣上布置單列栓釘41個(gè)，縱向間距150 mm，兩側(cè)栓釘共82個(gè)；SCB2剪力連接度為0.67，在鋼梁每側(cè)腹板上翼緣上布置單列栓釘25個(gè)，縱向間距250 mm，兩側(cè)栓釘共50個(gè)；SCB3剪力連接度為0.43，在鋼梁每側(cè)腹板上翼緣上布置單列栓釘16個(gè)，縱向間距400 mm，兩側(cè)栓釘共32個(gè)。

各試驗(yàn)梁參數(shù)見表1，各試驗(yàn)梁截面尺寸以及栓釘布置的具體間距見圖1。圖中，橫隔板只在各縱剖面圖中顯示；混凝土板只在橫截面圖中顯示。

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)

注：表1中各試驗(yàn)梁橫隔板分別設(shè)置在兩個(gè)梁端支座、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

試驗(yàn)裝置包括1 000 kN三維協(xié)調(diào)電液伺服動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)系統(tǒng)、豎向加速度測(cè)量裝置(東方所941B型豎向拾振器、滑移和撓度測(cè)量裝置(高感度變位計(jì)CDP-10)、加速度采集裝置(東方所16通道(3018C)采集儀、941型八線放大器)、滑移及撓度采集裝置(SA-8動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀)。

試驗(yàn)梁為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，一端為固定支座，一端為活動(dòng)支座。分別在梁的跨中、2L/3處、3L/4處進(jìn)行簡(jiǎn)諧荷載重復(fù)加載。簡(jiǎn)諧荷載可表示為

(1)

以靜態(tài)荷載分量、簡(jiǎn)諧荷載幅值和頻率為參數(shù)設(shè)置7種工況，見表2。其中工況1、5、6研究靜載分量和荷載頻率相同時(shí)，加載幅值對(duì)組合梁動(dòng)力響應(yīng)的影響；工況2、5、7研究簡(jiǎn)諧荷載頻率和幅值相同時(shí)，靜載分量的影響；工況3、4、5研究靜載分量和加載幅值相同時(shí)，簡(jiǎn)諧荷載頻率的影響。試驗(yàn)梁加載布置圖見圖2。

表2 簡(jiǎn)諧荷載加載工況

圖2 加載布置圖

首先進(jìn)行預(yù)加載，測(cè)試試驗(yàn)梁性能，并消除鋼梁與混凝土板之間粘結(jié)力的影響。為測(cè)試梁跨中加速度響應(yīng)，在梁跨中，靠近加載頭兩邊均放置一個(gè)豎向拾振器，檔位選擇1檔，即加速度檔?？缰?、2L/3處及3L/4處加載時(shí)的滑移測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 加載位置及滑移測(cè)點(diǎn)布置圖(單位：mm)

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 持續(xù)簡(jiǎn)諧荷載作用下組合梁的動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

各試驗(yàn)梁在不同加載位置，在各工況下的跨中加速度時(shí)程、跨中撓度時(shí)程及各測(cè)點(diǎn)滑移時(shí)程在簡(jiǎn)諧荷載下均表現(xiàn)出簡(jiǎn)諧變化的波動(dòng)形式，只是數(shù)值不同。下面以試驗(yàn)梁SCB3的工況4(靜載分量30 kN、加載幅值15 kN、頻率5 Hz)為例，給出跨中簡(jiǎn)諧荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，見圖4。試驗(yàn)中所有時(shí)程分析均在50 Hz低通濾波下進(jìn)行。

圖4 加載工況4組合梁的動(dòng)力響應(yīng)

由圖4可知：在加載過程中，試驗(yàn)梁在正弦荷載下的動(dòng)力響應(yīng)均隨時(shí)間表現(xiàn)出正弦波的變化形式，SCB3梁在工況4下的跨中加速度最大值為6 580.3 mm/s2；跨中撓度最大值為9.004 mm；測(cè)點(diǎn)1滑移均值0.172 mm，幅值0.131 mm；測(cè)點(diǎn)2滑移均值為0.209 mm；測(cè)點(diǎn)3滑移均值為0.191 mm；測(cè)點(diǎn)4滑移均值為0.141 mm?？梢钥闯龌凭挡⒎侵c(diǎn)處最大，而是靠近支點(diǎn)的測(cè)點(diǎn)1(距支座100 mm)最大，其后測(cè)點(diǎn)3、4的滑移均值則隨其遠(yuǎn)離支座的距離逐漸減小，其它試驗(yàn)梁和其它工況的測(cè)試結(jié)果也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

2.2 剪力連接度對(duì)組合梁動(dòng)力響應(yīng)的影響

2.2.1 剪力連接度對(duì)結(jié)合面相對(duì)滑移的影響

圖5、圖6分別為相同截面、跨度，不同剪力連接度的3根試驗(yàn)梁在不同加載位置、不同工況下梁端滑移均值和滑移幅值的對(duì)比。

圖5 剪力連接度對(duì)試驗(yàn)梁梁端滑移均值的影響

圖6 剪力連接度對(duì)試驗(yàn)梁梁端滑移幅值的影響

由圖5、圖6可知：

(1)在不同加載位置，不同工況下，滑移均值和幅值均隨著組合梁剪力連接度的降低而增大。

(2)連接度相同時(shí)，對(duì)于滑移均值，靜載分量最大的工況2下最大，最小的工況7下最小，其余工況下則基本相同，說明其主要受靜態(tài)荷載分量影響，受簡(jiǎn)諧荷載幅值和頻率的影響很小。

(3)連接度相同時(shí)，對(duì)于滑移幅值，荷載幅值最小的工況1下最小，最大的工況6下最大，其余工況基本相同，說明滑移幅值主要受荷載幅值的影響，受靜載分量和荷載頻率的影響較小。

2.2.2 剪力連接度對(duì)跨中加速度的影響

圖7為相同截面、跨度，不同剪力連接度的3根試驗(yàn)梁在不同加載位置、不同工況下的跨中加速度對(duì)比。

圖7 剪力連接度對(duì)試驗(yàn)梁跨中加速度的影響

由圖7可看出：

(1)在不同加載位置，不同工況下，試驗(yàn)梁跨中加速度均隨著組合梁剪力連接度的降低而增大。

(2)連接度相同時(shí)，荷載頻率最大的工況4下，跨中加速度值最大；荷載頻率相同的工況2、5、6、7下，跨中加速度值基本相同；工況1和工況3下的跨中加速度最小，其中工況3的荷載頻率較其它工況都小，工況1的荷載頻率雖然與工況1～2、5～7相同，但荷載幅值最小，說明跨中加速度主要受荷載頻率和荷載幅值的影響，受靜載分量的影響相對(duì)較小。

2.2.3 剪力連接度對(duì)跨中動(dòng)撓度的影響

圖8為相同截面、跨度，不同剪力連接度的3根試驗(yàn)梁在不同加載位置、不同工況下的跨中動(dòng)撓度對(duì)比。

圖8 剪力連接度對(duì)試驗(yàn)梁跨中動(dòng)撓度的影響

由圖8可看出：

(1)在不同加載位置，不同工況下，試驗(yàn)梁跨中動(dòng)撓度均隨著組合梁剪力連接度的降低而增大，說明其抗彎剛度下降。

(2)連接度相同時(shí)，靜載分量最大的工況2下，跨中動(dòng)撓度最大，工況7下跨中動(dòng)撓度最小，其余工況下則基本相同，說明跨中動(dòng)撓度主要受靜態(tài)荷載分量影響，受簡(jiǎn)諧荷載幅值和頻率的影響很小。

2.3 荷載參數(shù)對(duì)組合梁動(dòng)力響應(yīng)的影響

2.3.1 靜載分量的影響

圖9為試驗(yàn)梁在動(dòng)態(tài)分量及加載頻率相同，靜態(tài)分量不同的簡(jiǎn)諧荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，即對(duì)工況2、5、7(靜載分量分別為40 kN、30 kN、20 kN)的加載結(jié)果進(jìn)行分析。

圖9 簡(jiǎn)諧荷載靜態(tài)分量對(duì)組合梁動(dòng)力特性的影響(工況2、5、7)

由圖9可知：

(1)在相同幅值和加載頻率的情況下，跨中撓度、滑移均值與所加靜態(tài)荷載分量大小成正比。

(2) 理論上滑移幅值應(yīng)不受靜態(tài)荷載分量的影響，但圖9(d)顯示，隨靜態(tài)分量的減小，滑移幅值有所降低，但變化幅度不大。究其原因，是因?yàn)殡S荷載幅值的不同，上下限荷載值也發(fā)生變化，而荷載與滑移并非線性，而是非線性關(guān)系，因此滑移幅值也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

(3)加速度隨靜載分量的變化很小，只在剪力連接度最小的SCB3中隨靜載分量表現(xiàn)了一定的下降趨勢(shì)。

綜上可見，荷載的靜態(tài)分量主要對(duì)組合梁的跨中撓度及滑移均值有影響。

2.3.2 簡(jiǎn)諧荷載幅值的影響

圖10為試驗(yàn)梁在靜態(tài)分量及加載頻率相同，幅值不同的簡(jiǎn)諧荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，即對(duì)工況1、5、6(加載幅值分別為5 kN、15 kN、20 kN)的加載結(jié)果進(jìn)行分析。

圖10 簡(jiǎn)諧荷載幅值對(duì)組合梁動(dòng)力特性的影響(工況1、5、6)

由圖10可知：當(dāng)靜載分量和荷載頻率相同時(shí)，隨加載幅值的增大，試驗(yàn)梁的跨中動(dòng)撓度和梁端滑移均值均變化不大，跨中加速度和梁端滑移幅值則顯著增加，但并不是線性增加的關(guān)系，而是表現(xiàn)出一定的非線性。

2.3.3 簡(jiǎn)諧荷載頻率的影響

圖11為組合梁在靜態(tài)分量及動(dòng)態(tài)幅值相同、加載頻率不同的簡(jiǎn)諧荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，即對(duì)工況3、5、4(加載頻率分別為2 Hz、3 Hz、4 Hz)的加載結(jié)果進(jìn)行分析。

由圖11可知，靜載分量和加載幅值相同時(shí)，隨簡(jiǎn)諧荷載頻率的增大，跨中加速度增加明顯，但跨中豎向撓度及組合梁的滑移所受影響不大。

圖11 簡(jiǎn)諧荷載頻率對(duì)組合梁動(dòng)力特性的影響(工況3、5、4)

3 結(jié)語

以剪力連接度為參數(shù)設(shè)計(jì)了3片鋼-混凝土簡(jiǎn)支組合梁，進(jìn)行簡(jiǎn)諧荷載下的動(dòng)力相應(yīng)試驗(yàn)，測(cè)試了其跨中動(dòng)撓度、跨中加速度和結(jié)合面滑移，結(jié)果表明：

(1)各試驗(yàn)梁在不同加載位置，在各工況下的跨中加速度時(shí)程、跨中撓度時(shí)程及各測(cè)點(diǎn)滑移時(shí)程在簡(jiǎn)諧荷載下均表現(xiàn)為隨時(shí)間變化的波動(dòng)形式。

(2)在不同加載位置，不同工況下，組合梁結(jié)合面的滑移均值和幅值、跨中加速度、以及跨中動(dòng)撓度均隨著剪力連接度的降低而增大，剪力連接度反映了組合梁結(jié)合面的抗剪能力，隨連接度的減小，梁的整體抗彎剛度下降。

(3)組合梁跨中動(dòng)撓度和結(jié)合面滑移均值均主要受靜態(tài)荷載分量影響，受簡(jiǎn)諧荷載幅值和頻率的影響很?。换品抵饕芎奢d幅值的影響，受靜載分量和荷載頻率的影響較??；跨中加速度主要受荷載頻率和荷載幅值的影響，受靜載分量的影響相對(duì)較小。