雙幅鋼—混組合梁抗彎性能研究

郝 皓

(蘇州科技大學(xué) 江蘇 蘇州 215000)

一、引言

隨著交通壓力的不斷增加，對橋梁的承載力、剛度和穩(wěn)定性等要求也越來越高，因此學(xué)術(shù)界曲線鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，許多學(xué)者針對不同因素對組合結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。國內(nèi)外學(xué)者[1-4]也進(jìn)行了大量的研究。本研究通過對鋼-混凝土組合梁的靜載試驗(yàn)，探討了試件的裂縫發(fā)展、抗彎性能、極限承載力進(jìn)行對比，研究了平截面假定，理論公式的提出驗(yàn)證。

二、試件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)CB1曲線梁的曲線半徑為26m。各試驗(yàn)梁參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)

鋼材為Q345鋼，混凝土強(qiáng)度為C50，跨度為4.5+4.5m，一端設(shè)置固定鉸支座作，中間橫隔板下放設(shè)置活動鉸支座，另一端也為活動鉸支座。

三、加載和測點(diǎn)布置

采用液壓千斤頂加載，加載過程中采集應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)，鋼梁各位置的豎向位移，每15kN為一級，混凝土板裂縫出現(xiàn)時(shí)，改為10kN為一級持續(xù)3min。

四、試驗(yàn)結(jié)果和分析

(一)混凝土板破壞過程。CCB1的裂縫發(fā)展：加載初期沒有混凝土板沒有出現(xiàn)裂縫，6%極限承載力時(shí)，梁中支點(diǎn)東側(cè)30cm處出現(xiàn)第一條裂縫，由外向內(nèi)徑向發(fā)展至梁中部，長約70cm；在28%極限承載力時(shí)，梁中東側(cè)20cm出現(xiàn)第一條貫通裂縫；46%極限承載力時(shí)，梁中東側(cè)80cm出現(xiàn)一條26cm的45度斜向裂縫，距梁內(nèi)邊緣42cm；58%極限承載力時(shí)，西側(cè)受壓區(qū)附近栓釘斷開；90%極限承載力時(shí)，兩側(cè)受壓區(qū)混凝土被壓碎。1780KN達(dá)到極限承載力。

(二)荷載-撓度曲線。在彈性階段，試件的荷載與撓度曲線是線性關(guān)系發(fā)展。當(dāng)加載至非彈性階段時(shí)，曲線均成非線性關(guān)系發(fā)展，隨著荷載的增大，撓度的增加速度更為明顯。進(jìn)入塑性階段后，荷載-撓度曲線表現(xiàn)出近似水平的狀態(tài)，最后達(dá)到極限承載力。

同樣的荷載作用在跨中位置處的撓度變化要大于作用于四分點(diǎn)位置處的撓度，在達(dá)到極限承載力時(shí)，跨中撓度約為四分點(diǎn)位置撓度的兩倍，但不同位置的撓度-荷載曲線走勢大體相同。

(三)應(yīng)變變化曲線。測點(diǎn)分別選取同一平面的鋼梁底、腹板從上向下四分之一和二分之一處、混凝土翼板下表面、混凝土翼板上表面處。

根據(jù)曲線圖可以看到,在P/Pu<0.61時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線大體上呈現(xiàn)線性分布關(guān)系，滿足平截面假定，鋼梁和混凝土板產(chǎn)生很小的相對滑移，中和軸在混凝土板內(nèi)。P/Pu≥0.61時(shí)，曲線稍有彎曲，鋼梁和混凝土板之間的相對滑移略微增加，中和軸略微上移。

五、理論計(jì)算與對比

(一)理論計(jì)算。由于在鋼梁與混凝土連接處出現(xiàn)了滑移應(yīng)變，中和軸上移到混凝土板內(nèi)部，鋼梁也達(dá)到了塑性狀態(tài)，計(jì)算極限承載力時(shí)可使用塑性簡化理論[8]。鋼-混組合梁的承載力理論計(jì)算可以通過《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50917-2013[6]中所使用的塑性理論進(jìn)行極限承載力的計(jì)算，計(jì)算過程如下所示。

式中Aa是粘結(jié)層截面面積，As是鋼梁的截面面積，Ac是混凝土板的截面面積，Asd是縱向鋼筋的截面面積；na是粘結(jié)層換算系數(shù)，nc是混凝土板換算為剛材的換算系數(shù)5.98，nsd是縱向鋼筋換算為鋼材的換算系數(shù)1.03；Hs是試件的鋼梁高度，Hc是試件的混凝土板高度；Fc是混凝土板的承載力，F(xiàn)s是鋼梁的承載力；y1是混凝土板形心到中和軸的長度，y2是鋼梁形心到中和軸的長度；L0是有效跨度，as是受拉鋼筋合力點(diǎn)到受拉區(qū)邊緣的距離。

由于本試件的混凝土板與鋼梁之間并沒有使用粘結(jié)材料所以粘結(jié)層截面面積Aa取0，式中的nc是通過混凝土板彈性模量比鋼梁彈性模量所得，nsd是通過縱向鋼筋彈性模量比鋼梁彈性模量所得。

組合梁的換算截面：

中和軸：

塑性彎矩：

Mu=Fcy1+Fsy2=2113KN·m

Fc是混凝土板的承載力，即混凝土板截面積與抗壓強(qiáng)度乘積，F(xiàn)s是鋼梁的承載力，即鋼梁截面積與抗拉強(qiáng)度的乘積。

極限承載力：

(二)試驗(yàn)與理論計(jì)算數(shù)值對比。表中的試驗(yàn)值為通過試驗(yàn)得到的極限承載力，理論值為通過計(jì)算得到的極限承載力。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，試件的試驗(yàn)值均略小于理論值，誤差率均小于5%說明了我國的鋼-混組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[9]的計(jì)算方法可以進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用。

表3 極限承載力對比

六、結(jié)論

本研究對鋼-混組合梁進(jìn)行了受力性能的試驗(yàn)，對試件的開裂現(xiàn)象進(jìn)行描述和分析，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：(1)梁的荷載-撓度曲線變化趨勢正常，強(qiáng)于普通鋼筋混凝土組合。(2)在鋼-混組合梁的彈性階段，截面應(yīng)變沿梁高呈線性規(guī)律，說明鋼梁和混凝土板組合較好，可以一同工作，符合平截面假定。(3)推算了鋼-混組合梁極限承載力的計(jì)算公式，可以在實(shí)際工程中使用。