等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板力學(xué)性能研究

孫才志，何嬌陽，梁 健

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610041)

0 引言

為提升行車舒適性,多跨梁橋常采用橋面連續(xù)構(gòu)造或連續(xù)梁結(jié)構(gòu),然而由于橋墩頂部區(qū)域橋面板承受較大的負(fù)彎矩作用,易致橋面板混凝土頂部峰值拉應(yīng)力增加,發(fā)生受拉開裂[1-2],造成橋梁結(jié)構(gòu)承載力和耐久性降低。為避免橋面板混凝土受拉開裂,一般采用在板負(fù)彎矩區(qū)段施加預(yù)應(yīng)力和配置加強(qiáng)鋼筋。但是預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板的接縫多、自重大、預(yù)制吊裝節(jié)段數(shù)量多[3-5],增加了造價(jià)和工期,且接縫質(zhì)量難以保證;采用常規(guī)鋼-混凝土組合橋面板則預(yù)應(yīng)力構(gòu)造受橋面板高度限制[6-7],板內(nèi)難以滿足配置預(yù)應(yīng)力和負(fù)彎矩鋼筋所需空間。為了解決橋面板受負(fù)彎矩作用受力難題,在常規(guī)鋼-混凝土組合橋面板研究的基礎(chǔ)上[8-9],提出了等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)型式。

為研究等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板在車載作用下的負(fù)彎矩受力性能,本文開展了該型橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并通過模型試驗(yàn),進(jìn)行了3塊同規(guī)格組合橋面板的靜力試驗(yàn),測試在負(fù)彎矩作用下組合橋面板的變形性能、極限應(yīng)變和抗彎極限承載能力,提出了負(fù)彎矩承載能力實(shí)用計(jì)算公式,并與混凝土橋面板、常規(guī)混凝土組合橋面板進(jìn)行比較分析。

1 新型鋼-混凝土組合橋面板設(shè)計(jì)

等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板設(shè)計(jì)由底鋼板、帶孔T型加勁肋、縱橫向受力鋼筋,以及混凝土組成,如圖1所示。該橋面板采用在底鋼板上澆筑低收縮輕質(zhì)高韌性混凝土,底鋼板和混凝土板間通過焊接于底鋼板上間距40 cm的帶孔T型肋連接,達(dá)到底鋼板和混凝土板協(xié)同受力效果,帶孔T型肋布置方向?yàn)闃蛎姘逯魇芰Ψ较?混凝土板內(nèi)布置縱橋向和橫橋向受力鋼筋,橋面板厚度僅10 cm～15 cm且為等厚,取消了常規(guī)橋面板負(fù)彎矩區(qū)加厚承托構(gòu)造(見圖2)。底鋼板厚8 mm～10 mm,T型肋高度為8 cm～11 cm,T型肋翼緣寬度11 cm～13 cm,縱橫向鋼筋直徑12 mm～16 mm。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 試件設(shè)計(jì)

為研究等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板構(gòu)造實(shí)際工作性能,開展足尺橋面板模型靜載和疲勞試驗(yàn)。3塊試件板采用上述設(shè)計(jì)用橋面板板厚尺寸及構(gòu)造,試件平面尺寸選取實(shí)橋橋面板的支撐尺寸1 900 mm×400 mm,支承間距為1 800 mm,鋼筋采用HRB335熱軋螺紋鋼筋,橋面混凝土為C40鋼纖維混凝土,鋼板材質(zhì)為Q235B,各材料性能試驗(yàn)結(jié)果見表1—表3。

表1 混凝土強(qiáng)度實(shí)測值 MPa

表2 鋼筋性能測定結(jié)果

表3 鋼板材料試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試件加載和測點(diǎn)布置

采用跨中三分點(diǎn)雙荷載加載方式開展試驗(yàn)(如圖3所示),將試件模型翻轉(zhuǎn),對(duì)跨中底鋼板施加向下集中力,使試件處于負(fù)彎矩區(qū)段實(shí)際受力狀態(tài),邊界條件采用沿單向板短邊方向支承的簡支條件。試件根據(jù)設(shè)計(jì)荷載的10%進(jìn)行分級(jí)加載,每級(jí)荷載持續(xù)10 min,動(dòng)態(tài)測試結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)變;當(dāng)試件加載到設(shè)計(jì)荷載的1.2倍后,采用位移控制,直至結(jié)構(gòu)喪失承載能力。

3 負(fù)彎矩試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件破壞過程

等厚超薄鋼-混凝土組合橋面板試件跨中截面的荷載-位移關(guān)系如圖4所示,試件的荷載-位移曲線呈現(xiàn)出典型彎曲破壞模式,其受力過程為:

1)彈性階段(0 kN～30 kN):在荷載加載初期為彈性階段,荷載-撓度曲線呈線性關(guān)系,斜率反映了試件的初始剛度,鋼板、剪力鍵與混凝土共同工作,混凝土板內(nèi)無裂縫出現(xiàn)。

2)帶裂縫工作階段(30 kN～150 kN):此階段混凝土受拉側(cè)開始出現(xiàn)豎向和底面橫向裂縫,隨著荷載的增加,裂縫條數(shù)逐漸增多且向上發(fā)展,組合板剛度有一定程度的降低,但板截面應(yīng)變沿板厚仍然呈線性比例變化,表明該橋面板近似滿足“平截面假定”(見圖5)。

3)強(qiáng)化階段(150 kN～250 kN):鋼板與混凝土之間的協(xié)同工作減弱,試件撓度增長加快,混凝土裂縫向頂面擴(kuò)展且裂縫逐漸加寬。

4)破壞階段(250 kN～280 kN):加載點(diǎn)位置處底鋼板受壓屈曲,與混凝土發(fā)生剝離,在荷載達(dá)到峰值后,試件的承載能力并未迅速喪失(見圖6),而是隨著承載力的下降變形迅速增長,表現(xiàn)為曲線平緩下降。橋面板試件裂縫分布圖見圖7。

3.2 力學(xué)性能指標(biāo)分析

采用有限元軟件ANSYS對(duì)等厚超薄鋼-混凝土組合橋面板進(jìn)行精細(xì)化模擬分析,計(jì)算模型采用耦合方式連接鋼板與混凝土,由圖8—圖11可知,鋼筋和T型肋均達(dá)到屈服應(yīng)力,混凝土達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度,僅橋面板鋼底板最大應(yīng)力為36 MPa。

試件極限承載能力、屈服荷載、撓度的有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 鋼-混凝土組合橋面板有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較

由表4可見,試件極限承載能力、屈服荷載、撓度的有限元計(jì)算值均小于試驗(yàn)值,結(jié)果偏差率為7%～15%,表明等厚超薄鋼-混凝土組合橋面板計(jì)算模型較為準(zhǔn)確地模擬了橋面板受力。

4 承載能力計(jì)算方法

精細(xì)有限元計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明,T型肋的布置使橋面板負(fù)彎矩區(qū)有效含筋率增加,截面中性軸向頂板側(cè)移動(dòng),橋面板負(fù)彎矩極限承載能力較采用傳統(tǒng)PBL加勁肋的鋼混組合橋面板顯著提升?；谪?fù)彎矩受彎試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了等厚超薄鋼-混凝土組合橋面板的加載過程變形、應(yīng)力、裂縫等發(fā)展規(guī)律。根據(jù)平截面假定和力學(xué)平衡原理,通過計(jì)入T型加勁肋對(duì)負(fù)彎矩受力的貢獻(xiàn),建立了等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板的截面抗彎承載能力計(jì)算公式如下:

工況1:當(dāng)中性軸位于橋面板混凝土內(nèi)時(shí),負(fù)彎矩抗彎承載力按式(1)計(jì)算,計(jì)算圖示見圖12。

(1)

工況2:當(dāng)中性軸位于橋面板的底鋼板內(nèi)時(shí),負(fù)彎矩抗彎承載力按式(2)計(jì)算,計(jì)算圖示見圖13。

(2)

根據(jù)上述公式計(jì)算橋面板負(fù)彎矩抗彎承載力,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表5所示。

表5 負(fù)彎矩抗彎承載力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表5可知,當(dāng)材料性能取值與實(shí)測結(jié)果一致時(shí),按照公式計(jì)算得到的負(fù)彎矩極限承載力與試驗(yàn)實(shí)測承載力吻合度較好,偏差為1%～8%;若考慮材料安全儲(chǔ)備,將材料參數(shù)取為強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,試驗(yàn)實(shí)測承載力為公式計(jì)算值的1.27倍～1.36倍;表明利用上述公式計(jì)算等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板的截面負(fù)彎矩抗彎承載能力具有適宜的安全儲(chǔ)備,具有工程設(shè)計(jì)實(shí)用價(jià)值。

5 與常規(guī)橋面板對(duì)比

基于合理材料用量和負(fù)彎矩區(qū)橋面板受力狀態(tài)[10],對(duì)混凝土橋面板、普通鋼-混凝土組合橋面板、等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比分析,分析結(jié)果見表6。

表6 橋面板的材料用量和負(fù)彎矩受力對(duì)比

與普通鋼-混凝土橋面板相比,由于取消橋面板負(fù)彎矩區(qū)加厚承托,等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板重量降低28%,負(fù)彎矩區(qū)橋面板受拉峰值應(yīng)力降低22%;同時(shí),采用T型肋上翼板構(gòu)造增加了橋面板負(fù)彎矩區(qū)的有效含筋量,提升了橋面板負(fù)彎矩區(qū)承載能力30%以上,可以有效解決工程實(shí)踐中40 m～60 m跨徑橋梁橋面板負(fù)彎矩承載力低的難題。

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究和理論分析,得到主要結(jié)論如下:

1)負(fù)彎矩作用下等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板呈現(xiàn)出典型彎曲破壞模式,破壞過程可分為:彈性階段、帶裂縫工作階段、強(qiáng)化階段和破壞階段。在65%極限承載力范圍內(nèi),橋面板近似滿足平截面假定。

2)T型肋構(gòu)造增加了橋面板負(fù)彎矩區(qū)的有效含筋量,取消常用橋面板負(fù)彎矩區(qū)的加厚承托,減輕了橋面板結(jié)構(gòu)自重,降低了負(fù)彎矩區(qū)橋面板彎曲內(nèi)力和受拉峰值應(yīng)力,提升了橋面板負(fù)彎矩抗彎承載能力,為橋梁橋面板負(fù)區(qū)段受彎開裂問題,提供了一種新的橋面板解決方案。

3)提出了該新型鋼-混凝土組合橋面板截面承載能力實(shí)用計(jì)算公式,公式計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差為1%～8%,吻合度較好,具有工程設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)用價(jià)值。