波紋腹板鋼?混組合箱梁抗震性能研究

蔣麗忠，鐘天璇，譚志化，周旺保，許添鑫，吳凌旭

波紋腹板鋼?混組合箱梁抗震性能研究

蔣麗忠1, 2，鐘天璇1, 2，譚志化3，周旺保1, 2，許添鑫1, 2，吳凌旭1, 2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410075；3. 深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

對3榀不同剪力連接度的波紋腹板鋼?混凝土組合箱梁進(jìn)行豎向低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能試驗研究，重點對組合箱梁的破壞形式、滯回曲線、骨架曲線、延性、耗能能力、剛度退化規(guī)律等抗震性能進(jìn)行試驗分析。研究結(jié)果表明：在低周反復(fù)荷載作用下，波紋腹板鋼?混凝土組合箱梁主要有彎曲破壞和彎剪破壞2種破壞形式；荷載?位移滯回環(huán)較為飽滿，無明顯捏縮現(xiàn)象，具有較好的抗震性能；骨架曲線可分為近似彈性、彈塑性和破壞3個階段；隨著剪力連接度的增大，極限位移、破壞位移顯著增大，試件耗能能力顯著增加，適當(dāng)增加波紋腹板鋼-混凝土組合箱梁的剪力連接度，可有效提高其耗能能力；具有較好的延性，有利于震后的正常使用和修復(fù)；由于損失積累，使得正向耗能能力高于反向耗能能力；剛度退化前期受參數(shù)影響較為敏感，后期退化規(guī)律趨于平緩。

波紋腹板；抗震性能；試驗研究；剪力連接度；延性

波紋腹板鋼?混凝土組合箱梁(以下簡稱波紋腹板鋼?混組合梁)是將傳統(tǒng)箱梁的腹板換為較薄的、帶波紋褶皺的鋼腹板[1]，這種改變可有效利用混凝土頂板抗壓性能和波紋腹板抗剪穩(wěn)定性能[2]。由于特殊的波紋狀腹板結(jié)構(gòu)，使構(gòu)件的失穩(wěn)模式和機(jī)理都與傳統(tǒng)鋼梁有所不同，其在低周往復(fù)荷載作用下會產(chǎn)生畸變屈曲的破壞形式[3]。因而對波紋腹板鋼?混組合梁在低周往復(fù)荷載作用下受力性能的研究顯得尤為重要。Taplin等[4?5]對普通鋼?混組合梁進(jìn)行反復(fù)荷載作用下的抗震性能試驗研究，重點研究了其滯回性能及剪力傳遞性能等。Moon等[6]研究得出波紋腹板H型鋼截面剪切中心和翹曲常數(shù)的求解方法，并對計算方法進(jìn)行了有限元驗證。Elgaaly 等[7]對多根波紋腹板鋼?混組合梁的破壞形式進(jìn)行實驗研究，同時基于波紋褶皺的局部屈曲或腹板的整體屈曲2種形式提出了屈曲計算公式。Leblouba 等[8]為研究梯形波紋腹板的剪切效應(yīng)，進(jìn)行了一系列荷載試驗，結(jié)果證實了3種剪切破壞形式的存在。聶建國等[9?10]進(jìn)行低周反復(fù)荷載作用下的鋼?混疊合板組合梁的力學(xué)性能研究，建立了其恢復(fù)力模型和滯回模型。薛偉辰等[11]對5根預(yù)應(yīng)力鋼?混組合梁進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗，對其抗震性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。牟開[12]利用Midas/Civil對波紋腹板鋼?混連續(xù)鋼構(gòu)橋進(jìn)行實體建模，研究其動力特性。李祖碩[13]對波紋腹板連續(xù)組合箱梁進(jìn)行靜載試驗，研究結(jié)果表明：波紋腹板連續(xù)組合梁存在邊跨變形滯后效應(yīng)，組合梁各截面應(yīng)變符合“擬平截面假定”。張紫辰等[14]針對腹板褶皺效應(yīng)對力學(xué)特性的影響問題，采用模型試驗和數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，結(jié)果表明褶皺效應(yīng)對下翼板應(yīng)力影響最大。劉強(qiáng)等[15]對波紋腹板連續(xù)箱梁在彈性階段的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行理論分析與試驗研究，研究成果可為波形鋼腹板組合梁橋的剪力滯系數(shù)的計算提供參考?，F(xiàn)有關(guān)于組合梁抗震性能的研究主要集中于普通鋼?混組合梁，關(guān)于波紋腹板鋼?混組合梁抗震性能方面的研究尚不多見。本文針對不同剪力連接度的3榀波紋腹板鋼?混組合梁開展抗震性能試驗研究，分析低周往復(fù)荷載作用下波紋腹板鋼?混組合梁破壞形式、荷載?撓度變化規(guī)律、荷載?應(yīng)變分布規(guī)律、延性、耗能能力、變形恢復(fù)性能等抗震性能，為波紋腹板鋼?混組合梁在實際工程中的應(yīng)用提供試驗參考。

1 試件概述

表1 試件參數(shù)

波紋腹板鋼?混組合梁的橫截面圖見圖1，縱向剖面圖見圖2，波紋鋼腹板尺寸見圖3。

圖1 波紋腹板鋼?混組合梁橫截面圖

試件中栓釘、鋼梁上翼緣、波紋腹板和鋼底板由專業(yè)人員進(jìn)行焊接加工。混凝土采用C30商品混凝土進(jìn)行一次性完全澆筑，根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2016)[16]的要求，在澆筑試件構(gòu)件的同時，分別制作3組標(biāo)準(zhǔn)的立方體抗壓試塊和棱柱體試塊，在同等養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行材料試驗。實測混凝土彈性模量c為3.06×104MPa；混凝土軸心抗壓強(qiáng)度c為20.1 MPa；混凝土軸心抗拉強(qiáng)度t為2.01 MPa；混凝土立方體抗壓強(qiáng)度cu為30.6 MPa。鋼板抗拉強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)試件的拉伸試驗確定，鋼材材性試驗結(jié)果如表2所示。

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表2 鋼材材性試驗結(jié)果

1.1 試驗裝置

擬靜力試驗加載裝置示意圖及實物圖如圖4及圖5所示。首先，采用鋼梁和錨桿在混凝土墩上固定試件的兩端，然后將錨桿固定于實驗室地槽處。最后，在組合梁試件的1/3和2/3處放置分配梁進(jìn)行2點集中加載，分配梁上采用錨桿與1 000 kN的MTS電液伺服作動器進(jìn)行連接，進(jìn)行豎向低周往復(fù)加載。

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1.2 加載制度及測試內(nèi)容

根據(jù)《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ/T101—2015)[17]，采用力?位移混合控制加載方法對組合梁進(jìn)行低周往復(fù)加載。正式加載前，以25%的混凝土開裂荷載對組合梁試件進(jìn)行預(yù)加載1次，檢查加載裝置和數(shù)據(jù)采集裝置的工作是否正常，消除試件安裝過程的安裝間隙；正式加載后按圖6所示的加載制度進(jìn)行加載；當(dāng)采用力控制時，荷載循環(huán)1次；當(dāng)采用位移控制時前3級循環(huán)3次，之后循環(huán)2次，直至荷載下降至極限荷載的85%左右或試件破壞時，結(jié)束試驗。

圖5 擬靜力試驗加載裝置實物圖

為研究波紋腹板鋼?混組合梁的荷載?位移曲線，在混凝土和鋼梁的支座處、1/4位置處以及1/2位置處布置激光位移計，詳圖見圖7，荷載數(shù)據(jù)為MTS讀數(shù)。

為研究波紋腹板鋼?混組合梁的應(yīng)變分布規(guī)律，在混凝土板和鋼梁的支座處、1/4位置處布置應(yīng)變片，鋼筋應(yīng)變片布置于5根縱向鋼筋的跨中位置，其他應(yīng)變片的布置位置見圖8。

圖6 加載制度

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2 試件破壞模式

CSWCB1試件在前期加載過程中，試件基本處于彈性階段，無裂縫產(chǎn)生；隨著不斷加載，支座附近混凝土板開始產(chǎn)生裂縫；當(dāng)荷載達(dá)到400 kN左右時，試件出現(xiàn)脆響，加載點處的混凝土板和鋼梁產(chǎn)生縱向滑移；當(dāng)試件跨中位移達(dá)到20 mm左右時，梁端橫向裂縫增大，出現(xiàn)明顯的縱向滑移，混凝土開始剝落；當(dāng)試件跨中位移達(dá)到?32.6 mm左右時，梁端的混凝土掉落，栓釘裸露，且可以看到栓釘逐漸被剪斷，加載點處混凝土板底部出現(xiàn)橫向裂縫。最終，梁端栓釘被剪斷，加載點出混凝土板底部劈裂破壞，如圖9所示。

CSWCB2試件在前期加載現(xiàn)象與CSWCB1相似；當(dāng)荷載達(dá)到440 kN左右時，試件出現(xiàn)脆響，加載點處的混凝土板和鋼梁產(chǎn)生縱向滑移；當(dāng)荷載達(dá)到?380 kN左右時，梁端橫向裂縫不斷增大，出現(xiàn)明顯的縱向滑移；當(dāng)試件跨中位移達(dá)到41.5 mm左右時，加載點處混凝土板被壓碎，構(gòu)件破壞，如圖10所示。

圖9 CSWCB1破壞形態(tài)

圖10 CSWCB2破壞形態(tài)

CSWCB3試件加載前期現(xiàn)象與CSWCB1試件基本吻合，但隨著荷載增大，兩者試驗現(xiàn)象開始有所區(qū)別；CSWCB3試件中混凝土板和鋼梁基本共同工作，無縱向滑移產(chǎn)生；當(dāng)試件跨中位移達(dá)到40 mm左右時彎剪段的縱向裂縫開始貫通整個截面；當(dāng)試件跨中位移增大到57 mm左右時，加載點處混凝土板被壓碎破壞，梁端混凝土出現(xiàn)較大的豎向斜裂縫，試件破壞，如圖11所示。

圖11 CSWCB3破壞形態(tài)

綜上可知，剪力連接度對波紋腹板鋼?混組合梁的承載能力有較為顯著的影響，適當(dāng)增大剪力連接度能夠有效提高試件的承載能力，同時能提高混凝土板與鋼梁的協(xié)同工作性能，使構(gòu)件破環(huán)形式由縱向剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐摹?/p>

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載?撓度滯回曲線

試件的撓度為跨中實測位移扣除支座沉降，組合梁的荷載?撓度滯回曲線見圖12。

(a) 組合梁CSWCB1；(b) 組合梁CSWCB2；(c) 組合梁CSWCB3

從圖12可看出，試件的破壞過程可以分為3個階段。

1) 近彈性階段，波紋腹板鋼?混組合梁試件加載至屈服荷載之前，荷載–撓度曲線基本成線性關(guān)系，試件整體撓度較小，卸載后基本不會產(chǎn)生殘余變形。

2) 彈塑性階段，從波紋腹板鋼?混組合梁試件屈服之后至極限荷載之前，跨中撓度值隨荷載的增加逐漸增大，荷載?撓度曲線開始呈曲線形狀，且其滯回環(huán)比較飽滿，沒有明顯捏縮現(xiàn)象，試件的抗彎剛度開始退化，其卸載后產(chǎn)生較大的殘余變形。

3) 破壞階段，當(dāng)荷載到達(dá)極限荷載后，波紋腹板鋼?混組合梁跨中位移急劇增大，但荷載開始呈下降趨勢，其卸載后產(chǎn)生的殘余變形越來越大。荷載?位移曲線無近似平臺段，說明當(dāng)鋼梁和鋼筋都達(dá)到屈服后，由于波紋腹板軸向剛度較小，導(dǎo)致承載力急劇下降。3榀波紋腹板鋼?混組合梁試件的反向承載力下降速度均高于正向承載力下降速度，說明組合梁正向變形能力強(qiáng)于反向變形能力。

3.2 延性

如圖13所示，波紋腹板鋼?混組合梁試件的–曲線沒有明顯屈服點，采用幾何作圖法來確定其屈服荷載和屈服位移。

圖13 屈服點判定法

首先，過原點作–曲線的切線與過–曲線峰值點的水平線交于點；然后過點作軸的垂線與–曲線交于點；再作原點和點的延長線交直線于點；最后，過點作垂線與–曲線交于點，該交點即為波紋腹板鋼?混組合梁試件的屈服點，3榀波紋腹板鋼?混組合梁試件延性試驗結(jié)果見表3。

表3 波紋腹板鋼?混組合梁延性

由表3可得，在往復(fù)荷載作用下，試件梁的正向破壞延性比系數(shù)為2.89～4.19，負(fù)向破壞延性比系數(shù)為1.80～2.86，正向極限延性比系數(shù)為2.14～3.30，負(fù)向極限延性比系數(shù)為1.44～1.98。表明波紋腹板鋼–混凝土簡支組合梁的具有較好延性性能、正向變形性能明顯優(yōu)于負(fù)向變形性能、正向變形性能隨剪力連接度的增大顯著增大，負(fù)向變形性能隨剪力連接度的增大無明顯變化規(guī)律，歸其原因為負(fù)向荷載作用下，隨著剪力連接度的增大，混凝土板更易發(fā)生縱向及橫向裂縫。

3.3 結(jié)構(gòu)耗能能力

結(jié)構(gòu)的荷載?撓度滯回曲線能較清晰的反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的耗能能力，滯回環(huán)的面積可反映結(jié)構(gòu)耗能能力的大小，耗能能力越大，結(jié)構(gòu)對地震能量的吸收能力也越好。3榀波紋腹板鋼?混組合梁試件的耗能與位移關(guān)系曲線如圖14所示。

由圖14可知，在試件梁未屈服前，滯回曲線的包絡(luò)面積較小，說明結(jié)構(gòu)的正向和負(fù)向的耗能較小；在構(gòu)件發(fā)生彈塑性變形后，鋼梁和鋼筋發(fā)生不可恢復(fù)變形，隨著位移的增大，試件耗能能力也隨之增大；由混凝土板的損傷效應(yīng)，試件的負(fù)向耗能能力顯著弱于正向耗能能力；隨著剪力連接度的增大，試件耗能能力顯著增加，適當(dāng)增加波紋腹板鋼?混組合梁的剪力連接度，可有效提高其耗能能力。

圖14 耗能與位移關(guān)系

3.4 剛度退化規(guī)律

波紋腹板鋼?混組合梁試件在低周往復(fù)荷載作用下，試件塑性位移隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，剛度隨塑性位移的增大發(fā)生顯著退化，3榀波紋腹板鋼?混組合梁試件在低周往復(fù)荷載作用下的剛度退化規(guī)律如圖15所示，圖中為試件割線剛度。

圖15 剛度退化規(guī)律

由圖15可看出：

1) 波紋腹板鋼–混組合梁試件屈服后，混凝土開裂、鋼梁和鋼筋屈服后產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形以及混凝土板和鋼梁出現(xiàn)縱向滑移，隨著加載位移的不斷增大，波紋腹板鋼?混組合梁的正負(fù)向的剛度均逐漸減小；當(dāng)試件荷載開始下降后，剛度退化趨勢也趨于平緩狀態(tài)。

2) 波紋腹板鋼–混組合梁的剛度大小受剪力連接度的影響較大，但其剛度退化趨勢受剪力連接度影響較小，3榀組合梁的退化趨勢幾乎相同。

4 結(jié)論

1) 波紋腹板鋼?混組合梁具有較好的耗能能力，低周反復(fù)荷載作用下，荷載?撓度滯回曲線接近于梭形，滯回環(huán)較為飽滿，無明顯的捏縮現(xiàn)象，構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段之后，耗能能力與位移基本呈線性增長關(guān)系。

2) 波紋腹板鋼–混組合梁骨架曲線明顯分為3個階段，分別是近似彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，構(gòu)件在低周往復(fù)荷載作用下主要有彎曲破壞和彎剪破壞2種破壞形式。

3) 波紋腹板鋼–混組合梁的延性性能較好，具有良好的變形能力，且波紋腹板鋼?混組合梁的極限位移、破壞位移均隨剪力連接度的增大顯著增大。

4) 試件的負(fù)向耗能能力顯著弱于正向耗能能力；隨著剪力連接度的增大，試件耗能能力顯著增加，適當(dāng)增加波紋腹板鋼?混組合梁的剪力連接度，可有效提高其耗能能力。

5) 加載初期組合梁剛度退化速率較大，進(jìn)入破壞階段后，隨著混凝土板的開裂和栓釘?shù)募魯?，組合梁試件的抗彎剛度顯著退化并最終趨于平緩。

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Study on seismic performance of steel-concrete composite box girder with corrugated web

JIANG Lizhong1, 2, ZHONG Tianxuan1, 2, TAN Zhihua3, ZHOU Wangbao1, 2, XU Tianxin1, 2, WU Lingxu1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China;3. Shenzhen Metro Construction Group Limited Company, Shenzhen 51800, China)

The mechanical properties of 3 trusses of corrugated webs steel-concrete composite box girders with different shear connections were tested under vertical low cyclic loading. The seismic properties of the composite box girders, including failure mode, hysteresis curve, skeleton curve, ductility, energy dissipation capacity and stiffness degradation, were analyzed. The results show that the corrugated web steel-concrete composite box girder under low cyclic loading has two failure modes: Bending failure and bending shear failure. The load-displacement hysteresis loop is full, without obvious shrinkage, and has good seismic performance. The skeleton curve can be divided into three stages: Approximate elasticity, elastic-plastic and failure. With the increase of shear connection degree, the ultimate displacement and failure displacement increase significantly, and the energy dissipation capacity of the specimen increases significantly. If the shear connection degree of corrugated web steel-concrete composite box girder is appropriately increased, the energy dissipation capacity can be effectively improved.The better ductility is beneficial to the normal use and repair after the earthquake. Due to the accumulation of loss, the forward energy dissipation capacity is higher than the reverse energy dissipation capacity. Stiffness degradation is sensitive to the influence of parameters in the early stage, and the degradation tends to be gentle in the late stage.

corrugated web;seismic behavior;experimental investigation; shear connection degree;ductility

TU389.9

A

1672 ? 7029(2021)03 ? 0555 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200902

2020?09?24

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金資助項目(51778630，52078487，U1934207)；湖南創(chuàng)新型省份建設(shè)專項經(jīng)費(fèi)資助項目(2019RS3009)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(502501006)

周旺保(1982?)，男，湖南岳陽人，副教授，博士，從事結(jié)構(gòu)工程研究：E?mail：zhouwangbao@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)