鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁2019年度研究進(jìn)展

肖林，衛(wèi)星，溫宗意，李剛

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

1 鋼混組合結(jié)構(gòu)整體力學(xué)行為研究

1.1 工程應(yīng)用研究

圖1 高速鐵路組合結(jié)構(gòu)橋梁[3]Fig.1 High-speed railway composite structure bridges [3]

1.2 彎曲性能研究

圖2 CFRP加固鋼混組合梁負(fù)彎矩區(qū)試驗(yàn)[5]Fig.2 Test of the negative moment zone of CFRP-reinforced steel-concrete composite beam [5]

圖3 考慮界面滑移的鋼混組合梁計(jì)算模型[7]Fig.3 The calculation model of steel-concrete composite beam considering interface slip [7]

1.3 空間受力研究

雙主梁式鋼板組合梁橋因鋼主梁間距較大，橋面板正應(yīng)力橫向分布不均，剪力滯效應(yīng)顯著，文獻(xiàn)[9]對(duì)雙主梁鋼板組合梁橋翼緣有效寬度、寬跨比、主梁間距等幾何參數(shù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，有效寬度可基于現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，寬跨比設(shè)計(jì)時(shí)宜小于等于3，而主梁間距計(jì)算可參考文獻(xiàn)[9]中對(duì)應(yīng)公式。

1.4 動(dòng)力特性研究

圖4 鋼混組合梁節(jié)段風(fēng)洞模型[12]Fig.4 Wind tunnel model of steel-concrete composite beam segment [12]

1.5 局部受力研究

圖5 鋼混組合索塔構(gòu)造[13]Fig.5 Steel-concrete composite tower structure [13]

圖6 鋼混結(jié)合段構(gòu)造[14](單位：mm)Fig.6 Steel-concrete composite section structure [14](units:mm)

2 鋼混組合結(jié)構(gòu)剪力鍵

2.1 栓釘剪力鍵

圖7 螺栓剪力鍵反復(fù)加載試驗(yàn)[17]Fig.7 Repeated loading test for bolt shear connectors [17]

圖8 栓釘剪力鍵破壞模式[19]Fig.8 Failure mode of stud connectors [19]

2.2 PBL剪力鍵

PBL剪力連接鍵多用于波形鋼腹板組合梁橋、混合梁交界面、索塔錨固區(qū)域等，其破壞形式較栓釘復(fù)雜，影響因素也多，PBL剪力鍵基本承載性能、滑移狀態(tài)和疲勞性能仍持續(xù)受到關(guān)注[21-23]。對(duì)PBL剪力鍵兩種試驗(yàn)方法(標(biāo)準(zhǔn)試件與埋入式試件)進(jìn)行了對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，兩者存在明顯差異，且滑移狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)均表現(xiàn)不同，埋入式試件滑移更大，承載力也更大。其次，分析了試件細(xì)節(jié)(混凝土強(qiáng)度、開孔鋼板、貫通鋼筋、布置鋼筋等)對(duì)試件承載力的影響，并提出了相應(yīng)的擬合公式；另一方面，在常規(guī)PBL剪力鍵基礎(chǔ)上提出創(chuàng)新構(gòu)造[24]，如圖9中雙PBL連接鍵、圖10中帶橡膠環(huán)的PBL連接鍵，帶橡膠環(huán)的PBL剪力連接鍵減輕了局部應(yīng)力集中問(wèn)題，有利于提高連接鍵滑移性能，改善了不均勻剪切力分布，充分發(fā)揮了混凝土抗壓性能。

圖9 帶環(huán)箍的PBL剪力鍵[23]Fig.9 PBL Shear connector with hoop [23]

圖10 帶橡膠環(huán)的PBL剪力鍵[24]Fig.10 PBL shear connector with rubber ring [24]

2.3 高性能混凝土剪力鍵

圖11 UHPC中栓釘剪力鍵[25]Fig.11 Stud connectors in UHPC [25]

圖12 ECC中栓釘剪力鍵[26]Fig.12 Stud connectors in ECC [26]

2.4 裝配式剪力鍵

為適應(yīng)橋梁快速施工(ABC)要求，解決濕法施工技術(shù)帶來(lái)的較多現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的問(wèn)題，裝配式剪力鍵(Prefabricated Composite Shear Connectors)正受到關(guān)注，主要有各種形式螺栓裝配，也有螺旋銷式，可裝配式剪力鍵促進(jìn)了橋梁建設(shè)施工方法濕法向干法施工的轉(zhuǎn)變，可以減少現(xiàn)場(chǎng)澆筑作業(yè)，同時(shí)，由于裝配式剪力鍵安裝方便及其可拆卸性，在橋梁加固方面，對(duì)于舊橋加固以及部分區(qū)域損傷加固都有用武之地，裝配式剪力鍵力學(xué)性能仍在研究[27-30]，部分研究表明，其可以取得較好抗滑移和組合效應(yīng)，且疲勞性能高于焊接栓釘，如圖13～圖15所示。此外，通過(guò)預(yù)制板+集束式剪力釘布置的施工設(shè)計(jì)方法也可以加快施工，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，但對(duì)相關(guān)方法的適用性和耐久性仍需進(jìn)一步研究。

圖13 裝配式螺栓剪力鍵[27]Fig.13 Assembled bolt shear connectors [27]

圖14 可拆卸的栓釘剪力鍵(單位：mm)[28]Fig.14 Removable stud connectors(units：mm)[28]

圖15 PCSS剪力連接構(gòu)件[29]Fig.15 PCSS shear connectors

2.5 剪力鍵耐久性

為適應(yīng)不同使用環(huán)境，保證組合結(jié)構(gòu)橋梁的耐久性，剪力鍵耐久性能研究成為必然要求。腐蝕環(huán)境[31](如圖16)、低溫環(huán)境[32]及凍融環(huán)境下[33]剪力鍵力學(xué)性能逐漸得到關(guān)注，研究?jī)?nèi)容主要集中在栓釘剪力連接件的耐久性。模擬栓釘銹蝕的手段一般是通過(guò)將推出試件或者梁式試件浸泡在NaCl溶液中，進(jìn)行通電，電流作用下加快栓釘銹蝕過(guò)程；也可將試件放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)濕度與溫度，模擬大氣腐蝕。前者常表現(xiàn)為較均勻腐蝕；后者表現(xiàn)為不均勻腐蝕，與實(shí)際情況更為匹配，但耗時(shí)更長(zhǎng)。研究表明，栓釘銹蝕后，其疲勞壽命下降更為突出，單調(diào)荷載下梁式試件仍表現(xiàn)為局部失效，但疲勞荷載下表現(xiàn)為栓釘剪斷，隨著腐蝕速率的增加，殘余彎曲剛度和滑動(dòng)剛度隨著疲勞循環(huán)的進(jìn)行而降低；凍融與低溫環(huán)境主要影響的是混凝土強(qiáng)度，它是栓釘連接件抗剪承載力的主要影響因素，控制著栓釘推出試驗(yàn)的破壞形式。在凍融循環(huán)下，混凝土內(nèi)部結(jié)合水不斷地膨脹融化，加速表面砂漿層脫落，使混凝土出現(xiàn)損傷，混凝土彈性模量和立方體抗壓強(qiáng)度以及栓釘連接件性能下降，且試驗(yàn)表明，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)開裂荷載的影響大于極限荷載。

圖16 銹蝕栓釘剪力鍵[31]Fig.16 Corroded shear stud connectors [31]

3 鋼UHPC組合結(jié)構(gòu)

3.1 靜力承載力

圖17 鋼UHPC閉口肋輕型組合橋面板[34]Fig.17 Steel-UHPC lightweight composite deck with closed ribs [34]

圖18 UHPC華夫板+鋼梁組合結(jié)構(gòu)[35]Fig.18 Steel-UHPC composite beams with wallfe slab [35]

3.2 疲勞性能

圖19 UHPC板+正交異性鋼橋面[36]Fig.19 UHPC -orthotropic steel plate [36]

4 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為組合結(jié)構(gòu)橋梁重要組成部分，自20世紀(jì)90年代初在中國(guó)橋梁工程中應(yīng)用以來(lái)，已修建完成超過(guò)400座不同類型的鋼管混凝土橋梁。由于良好的受力性能，鋼管混凝土較多地應(yīng)用于拱橋，此外，鋼管混凝土桁架在梁式橋中也有不少應(yīng)用。2019年關(guān)于鋼管混凝土橋梁的研究主要包括鋼管混凝土構(gòu)件基本力學(xué)性能研究、鋼管混凝土橋梁總體力學(xué)行為、鋼管混凝土桁架關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)力學(xué)行為、新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

4.1 構(gòu)件基本力學(xué)性能

Wang等[38]研究了混凝土非線性徐變對(duì)鋼管混凝土柱受力的影響(如圖20)，鋼管混凝土中鋼管對(duì)內(nèi)嵌混凝土約束，達(dá)到充分發(fā)揮混凝土抗壓性能的目的，但由于混凝土收縮徐變效應(yīng)，常常引起內(nèi)力重分布。研究表明，按線性蠕變考慮會(huì)低估蠕變作用效果，經(jīng)蠕變作用后，試件極限承載力沒(méi)有發(fā)生較大變化，但變形能力較未經(jīng)過(guò)蠕變作用的試件有所降低?；谠囼?yàn)結(jié)果，提出了可用于鋼管混凝土非線性蠕變預(yù)測(cè)的模型?？傮w而言，常用徐變理論為線性徐變理論，對(duì)于受壓構(gòu)件來(lái)說(shuō)，其應(yīng)力水平一般較高，會(huì)出現(xiàn)超出線性徐變理論適用范圍的情況，學(xué)者們對(duì)非線性徐變研究較少，且一般以試驗(yàn)研究為主。

圖20 鋼管混凝土柱徐變應(yīng)變[38]Fig.20 Creep strain of concrete-filled steel tube columns [38]

Lee等[39]研究了偏心加載作用下CEFT鋼管混凝土柱延性和破壞狀態(tài)(如圖21)；Song等[40]研究了鋼管局部屈曲行為下鋼管混凝土受力狀態(tài)(如圖22)，考慮了鋼管幾何缺陷和殘余應(yīng)力用以預(yù)測(cè)屈曲后極限強(qiáng)度，由于混凝土灌注后，混凝土收縮導(dǎo)致了鋼管壁和內(nèi)嵌混凝土表面分離或者其他受力狀態(tài)導(dǎo)致了分離，這種分離現(xiàn)象降低了鋼管約束作用，同時(shí)，鋼管側(cè)向約束的降低增大了局部屈曲風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)此類失效模式的研究有助于不利狀態(tài)下鋼管混凝土承載能力的評(píng)估。

圖21 偏心受壓鋼管混凝土柱[39]Fig.21 Eccentrically pressed concrete-filled steel tube columns [39]

圖22 鋼箱混凝土鋼板局部屈曲 [40]Fig.22 The steel plate local buckling of steel box concrete [40]

4.2 整體力學(xué)性能

鋼管混凝土拼接后形成鋼管混凝土桁架，可用作鋼管混凝土桁架橋上部結(jié)構(gòu)或鋼管混凝土格構(gòu)柱等結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土桁架桿件較多，各個(gè)管節(jié)點(diǎn)施工工藝復(fù)雜，近年來(lái)也頗有應(yīng)用，如干海子特大橋等。由于復(fù)雜的桿件關(guān)系，可能存在較多因素制約其性能的發(fā)揮，如管節(jié)點(diǎn)疲勞，制造缺陷等問(wèn)題。鋼管混凝土格構(gòu)柱施工便捷、承載能力高、延性好，在橋墩中應(yīng)用較為合適，因此，十分有必要對(duì)其抗震特性進(jìn)行研究。目前，對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱在地震作用下響應(yīng)行為的研究還不夠充分。

Chen等[41]研究了考慮初始缺陷的鋼管混凝土桁架力學(xué)行為(如圖23)，由于缺陷具有隨機(jī)性特性，研究了不同初始缺陷影響的可靠度指標(biāo)，針對(duì)隨機(jī)初始缺陷，提出了可靠性和相關(guān)系統(tǒng)阻力因素，研究中著重分析了鋼管內(nèi)填充混凝土后的制造缺陷(混凝土與鋼管的間隙)對(duì)桁架梁可靠性的影響，未考慮混凝土相關(guān)的時(shí)變效應(yīng)，給多變量的可靠性評(píng)估提供了框架。袁輝輝等[42]對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱振動(dòng)特性及抗震性能進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了此類結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度儲(chǔ)備和變形能力，多次強(qiáng)震后仍具有一定承載力，適用于高烈度地區(qū)橋梁工程。

圖23 帶缺陷的鋼管混凝土桁架[41]Fig.23 CFST trusses with initial imperfections [41]

4.3 管節(jié)點(diǎn)

圖24 典型鋼管混凝土桁架節(jié)點(diǎn)(單位：mm)[43]Fig.24 Typical CFST truss joints(units:mm)[43]

圖25 鋼管混凝土螺栓連接節(jié)點(diǎn)[44]Fig.25 The bolted joint of concrete-filled steel tube structures [44]

圖26 外接式組合桁架節(jié)點(diǎn)(單位：mm)[45]Fig.26 External composite truss joint(units:mm)[45]

4.4 新型結(jié)構(gòu)研發(fā)

Mohd Raizamzamani等[46]研究了鋼管+泡沫混凝土組合柱對(duì)填充有泡沫混凝土的圓形鋼管在軸向推力和彎曲作用下的約束作用進(jìn)行研究，并估計(jì)了填充泡沫混凝土鋼管柱的最佳軸向和抗彎能力。Dong等[47]對(duì)鋼管+橡膠混凝土鋼管混凝土柱進(jìn)行了研究，利用橡膠具有資源二次利用和改善混凝土延展性的優(yōu)點(diǎn)，盡管犧牲了部分強(qiáng)度和剛度，內(nèi)填橡膠混凝土對(duì)有大變形需求的構(gòu)筑物，如地震活動(dòng)區(qū)結(jié)構(gòu)中的立柱等，提供了良好的解決方案。Xu等[48]對(duì)鋼管+再生混凝土進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了再生混凝土替代率對(duì)組合結(jié)構(gòu)復(fù)合彈性模量的影響。研究表明，復(fù)合彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的敏感性高于再生混凝土替代率，再生混凝土的利用減少了廢混凝土對(duì)環(huán)境的影響，具有發(fā)展前景。在結(jié)構(gòu)組合多樣性方面，Liang等[49]研究了雙鋼管混凝土工作性能。Wang等[50]驗(yàn)證了一種用于替代鋼管混凝土的新型波紋鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，利用外鍍鋅波紋鋼管優(yōu)異的耐腐蝕性解決鋼管混凝土耐久性問(wèn)題，波紋管具有較高側(cè)向剛度，可與混凝土牢固結(jié)合。并測(cè)試了短柱軸壓性能，如圖27所示。組合管結(jié)構(gòu)依照其使用性能的不同，組合結(jié)構(gòu)形式和材料的選用也十分豐富，其研究?jī)?nèi)容多集中于抗壓性能和變形能力，研究中較多地比較了其力學(xué)性能，如若推廣使用，仍需考慮其經(jīng)濟(jì)性和獲取材料的便捷性。

圖27 新型鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)Fig.27 Novel concrete-filled steel tube structures

5 波形鋼腹板混凝土組合結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

波形鋼腹板PC組合箱梁以波形鋼板代替普通混凝土作為腹板，可有效減輕橋梁自重，提高跨越能力，近些年來(lái)得到廣泛關(guān)注和深入研究。對(duì)于波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁力學(xué)行為的研究主要集中在波形鋼腹板抗剪性能、抗彎性能、空間行為及動(dòng)力性能4個(gè)方面。

5.1 抗剪性能

波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁中，截面剪力由波形鋼板承擔(dān)，波形鋼板剪切屈曲行為一直是該類橋梁的主要研究方向之一。2019年，學(xué)者們對(duì)變截面波形鋼腹板、設(shè)置加勁肋波形鋼腹板(如圖28)和曲線波形鋼腹板剪切性能進(jìn)行了研究。

圖28 設(shè)置加勁肋的波形鋼腹板[52]Fig.28 Corrugated steel web with stiffeners[52]

文獻(xiàn)[51]在對(duì)變截面波形鋼腹板箱梁剪應(yīng)力的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，剪力、彎矩和軸力均會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，并且后兩者僅僅在變截面時(shí)產(chǎn)生剪應(yīng)力，研究結(jié)果表明，變截面波形鋼腹板截面頂板剪應(yīng)力很小，底板剪應(yīng)力相對(duì)頂板較大。在無(wú)彎矩或彎矩很小的區(qū)域僅由腹板承剪是可以接受的，但當(dāng)彎矩較大時(shí)，頂、底板承剪比例能達(dá)到50%以上，因此，應(yīng)考慮頂、底板的承剪能力。研究中考慮到變截面處頂、底板承剪能力較傳統(tǒng)計(jì)算理論和規(guī)范更加充分、全面，進(jìn)而可優(yōu)化波形鋼腹板及混凝土頂、底板截面設(shè)計(jì)。

大跨度波形鋼腹板組合梁支撐段剪切穩(wěn)定性是影響結(jié)構(gòu)安全主要控制因素之一，一般是通過(guò)將混凝土澆筑到波形鋼腹板內(nèi)側(cè)以提高其剪切穩(wěn)定性，但內(nèi)襯混凝土增大了梁體重量，增加了施工難度。文獻(xiàn)[52]通過(guò)在支撐段采用豎向或水平加勁肋代替內(nèi)襯混凝土達(dá)到提高鋼腹板剪切穩(wěn)定性，是一種新型增強(qiáng)方法。研究結(jié)果表明，波形鋼腹板剪切強(qiáng)度可通過(guò)垂直和水平加勁肋來(lái)提高，豎直加勁肋不會(huì)影響波紋鋼腹板“手風(fēng)琴效應(yīng)”，同時(shí)，水平加勁肋會(huì)增加波紋鋼腹板在局部區(qū)域的軸向剛度，并抵抗上下翼緣所傳遞的彎矩。與內(nèi)襯混凝土相比，采用垂直和水平加勁肋，可有效降低自重，且保證梁體剪切穩(wěn)定性。

5.2 空間力學(xué)行為

2019年，在波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁的研究中，空間力學(xué)行為研究占比較多，集中在剪力滯效應(yīng)、橫向受力行為(如圖29)。此外，腹板采用鋼管混凝土桁架的特殊波形鋼腹板組合梁也被關(guān)注(如圖30)。

圖29 波形鋼腹板組合梁橫向受力[54]Fig.29 Transverse analysis of composite beams with corrugated steel webs [54]

圖30 波形鋼腹板+鋼管桁+混凝土組合梁[55]Fig.30 Composite box girder bridges with corrugated steel webs and trusses[55]

文獻(xiàn)[53]對(duì)波形鋼腹板組合箱梁剪力滯影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)寬跨比是其主要影響因素，波形鋼腹板厚度和頂、底板厚度影響較小，其余參數(shù)在常規(guī)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)可不予考慮，進(jìn)而研究組合箱梁剪力滯影響因素可重點(diǎn)著眼于結(jié)構(gòu)寬跨比。

波形鋼腹板組合箱梁可通過(guò)預(yù)制拼裝方式進(jìn)行施工，文獻(xiàn)[54]在對(duì)車輛荷載作用下節(jié)段組合箱梁橫向力學(xué)性能的研究中發(fā)現(xiàn)，組合箱梁橫向彎曲剛度比具有混凝土腹板結(jié)構(gòu)的橫向彎曲剛度弱，同時(shí)，相關(guān)研究結(jié)果表明，組合箱梁發(fā)生破壞是頂板混凝土發(fā)生彎曲破壞，而不是腹板剪切屈曲破壞。此外，預(yù)制分段組合箱形梁具有較高的安全系數(shù)和良好的塑性變形能力。研究揭露了另外一種組合箱梁破壞形態(tài)，頂板混凝土彎曲破壞，因此，可對(duì)其受力破壞機(jī)理深入研究。

底板采用鋼管混凝土桁架的特殊波形鋼腹板組合梁，是一種增強(qiáng)改進(jìn)組合結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[55]對(duì)其剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)部是否填充混凝土對(duì)剪力滯效應(yīng)影響不大，剪力滯效應(yīng)與寬跨比有關(guān)，寬跨比越大，剪力滯效應(yīng)越大。因而在計(jì)算該種組合梁剪力滯效應(yīng)時(shí)，對(duì)內(nèi)填混凝土可不予考慮。

5.3 動(dòng)力特性

圖31 波形鋼腹板疲勞易損部位[56]Fig.31 The fatigue and vulnerable parts of corrugated steel webs [56]

5.4 抗彎性能

波形鋼腹板管翼緣組合梁較一般工字型組合結(jié)構(gòu)剛度更高、承載力更大、穩(wěn)定性更好。文獻(xiàn)[58]研究表明，波形鋼腹板高度及翼緣鋼管管壁厚度對(duì)組合梁跨中截面應(yīng)變影響較大，且組合截面含鋼率對(duì)其承載力也有較大影響，研究結(jié)果表明，鋼腹板高度及翼緣管壁厚度變化最大可減少跨中截面應(yīng)變的59%，含鋼率變化最大可提高承載力的78%。

對(duì)于波形鋼腹板組合梁撓度計(jì)算方法一般有5種，即經(jīng)典梁法、Timoshenko梁法、彈性剪切變形法、有效剛度法、三角級(jí)數(shù)理論。文獻(xiàn)[59]研究結(jié)果表明，Timoshenko 梁法適用于跨高比大于10的簡(jiǎn)支梁(跨中集中力荷載工況)，跨高比大于14.5的簡(jiǎn)支梁(均布荷載工況)，三角級(jí)數(shù)理論適用于跨高比大于4.5的懸臂梁(跨中集中力荷載工況和均布荷載工況)，其他理論則需具體問(wèn)題具體分析。該研究全面分析了波形鋼腹板組合梁不同撓度計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，較為清晰地闡釋了不同計(jì)算方法的適用范圍。

6 結(jié)論

4)在鋼管混凝土橋梁研究方面，鋼管混凝土桁架管節(jié)點(diǎn)的力學(xué)行為、大跨鋼管混凝土桁架的精細(xì)分析和新型鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能將成為研究熱點(diǎn)。