鋼—ECC組合橋梁負彎矩區(qū)受彎性能研究

賴世錦,左海平,張 釗,梁慶慶

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院,廣西 柳州 545616）

0 引言

鋼—混凝土組合連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)因具有剛度大、自重輕、跨越能力強等優(yōu)點，在實際工程中得以廣泛應用[1]。然而，鋼—混連續(xù)梁橋負彎矩區(qū)混凝土易開裂，降低橋梁的耐久性[2]。因此，提高橋梁負彎矩區(qū)混凝土抗裂性能是研究的熱點。

現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)調(diào)整混凝土澆筑順序、調(diào)節(jié)負彎矩下支座、強配筋法、施加預應力法等方法[3]，在一定程度上解決負彎矩區(qū)混凝土的開裂問題，但未能克服混凝土抗拉強度低、韌性差等本質(zhì)力學性能缺陷。相比于普通混凝土，超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）具有更高的抗拉強度和韌性，出現(xiàn)鋼－UHPC組合連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)[4]，該結(jié)構(gòu)方式能有效克服混凝土易開裂的缺陷，然而，UHPC的控裂性能已無法滿足使用需求，亟須變形及控裂性能更優(yōu)的混凝土材料來進一步優(yōu)化。工程水泥基復合材料（Engineering Cementitious Composite，ECC）具有更高的拉伸延展性、更強的裂縫抑制能力、良好的自愈合能力、抗侵蝕性強等優(yōu)異特性[5]。將ECC應用于鋼—混連續(xù)梁橋負彎矩區(qū)，有望從根本上攻克鋼—混連續(xù)梁橋負彎矩區(qū)易開裂的問題，提升鋼—混連續(xù)梁橋在大跨徑及復雜環(huán)境作用下的適用性。

基于此，為研究鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)受彎性能，該文對鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)建立了有限元模型，基于荷載－撓度曲線驗證了有限元模型的正確性。在此基礎上，研究了ECC翼緣板縱筋配筋率、ECC翼緣板ECC強度及工字鋼梁翼緣強度等因素對鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)受彎性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

該文對樊健生等[6]開展的鋼—ECC組合梁（編號SEB-1）負彎矩區(qū)四點彎曲試驗進行有限元模擬。該次模擬的組合梁試件尺寸及配筋等信息如圖1。試件長寬高分別為3 200 mm、600 mm及250 mm。鋼梁采用Q235級的H型工字鋼，ECC翼緣板縱筋采用HRB335鋼筋，直徑為12 mm或8 mm，橫筋采用HPB235鋼筋。組合梁布置有兩列抗剪栓釘，縱向間距50 mm，高度為45 mm，直徑為8 mm。組合梁采用加載梁進行靜力單調(diào)4點彎曲加載，加載方式示意圖如圖2所示。

圖1 試件設計（mm）

圖2 加載方式示意圖（mm）

1.2 材料性能

鋼—ECC組合梁試驗前測得其立方體抗壓強度為55.8 MPa，抗拉強度為3.7 MPa，其彈性模量為22.05 GPa。鋼材及鋼筋的材料力學性能參數(shù)見表1。

表1 材料力學參數(shù)

2 有限元模型的建立

該文采用有限元軟件ABAQUS建立鋼—ECC組合梁有限元模型。為了保證有限元分析的收斂性，該次模擬采用位移加載，加載點和支座位置設置剛性墊塊，墊塊頂面中心設置參考點與墊塊頂面中心耦合，位移荷載加載到參考點上。支座處采用簡支梁約束。ECC翼緣板、工字型鋼梁及栓釘均采用C3D20R二次減縮積分單元，縱筋和橫筋均采用T3D2桁架單元。所有鋼筋及栓釘與ECC翼緣板之間采用內(nèi)置約束，栓釘與鋼梁之間采用綁定約束。鋼—ECC組合梁有限元網(wǎng)格劃分及模型如圖3所示。

圖3 ABAQUS有限元模型

參考蔡向榮等提出的受壓本構(gòu)模型[7]及Han等提出的ECC受拉本構(gòu)模型[8]，采用塑性損傷模型模擬ECC在四點彎曲荷載下的力學行為，鋼筋采用雙折線彈塑性本構(gòu)。

3 有限元模型驗證

圖4為靜力單調(diào)荷載下鋼—ECC組合梁的荷載－跨中撓度曲線的有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比。有限元模擬的荷載－跨中撓度曲線和試驗曲線較為吻合，曲線趨勢基本一致，但試驗組合梁后期出現(xiàn)下降趨勢，這是由于實際試驗中，鋼梁存在初始缺陷，破壞前發(fā)生下翼緣屈曲，從而導致承載力下降。該文有限元分析得到的鋼梁在靜力單調(diào)荷載下的極限荷載為160.0 kN，試驗鋼—ECC組合梁在靜力單調(diào)荷載下的極限荷載為171.0 kN，有限元模擬結(jié)果比試驗結(jié)果高出6.9%，誤差滿足要求。有限元分析結(jié)果和試驗結(jié)果的對比驗證了該文建立的有限元模型的合理性。

圖4 有限元分析與試驗荷載撓度曲線對比

4 鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)受彎性影響因素分析

4.1 不同配筋率

以文獻[6]的鋼—ECC組合梁試驗為基準，研究1.0%、2.0%、3.0%及4.0%四組配筋率對鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)受彎性能的影響。ECC翼緣板縱筋四種配筋率靜力單調(diào)荷載下荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。由圖5可知，隨著翼緣板縱筋配筋率的增大，鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的承載力隨之增大：配筋率從1.0%增加到2%時，承載力提升3.1%；配筋率從2.0%增加到3%時，承載力提升1.7%；配筋率從3.0%增加到4%時，承載力提升2.0。由此可見，在1.0%~2%之間屈服和極限荷載提升較為明顯。

圖5 配筋率影響下的荷載-撓度曲線

圖6 ECC抗拉強度影響下的荷載-撓度曲線

4.2 ECC強度

探究2.7 MPa、3.7 MPa、4.7 MPa及5.7 MPa四組ECC抗拉強度對鋼—ECC組合梁受彎性能的影響，四種強度對應靜力單調(diào)荷載下鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示，隨著ECC抗拉強度的增大，鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的承載力略有增大，但不明顯，ECC在負彎矩區(qū)主要是利用其控裂能力。

4.3 工字鋼梁翼緣強度

以文獻[6]的試驗為基準，保持原有模型參數(shù)不變，選取374.5 MPa、424.5 MPa、474.5 MPa及524.5 MPa四組工字鋼梁強度，研究分析工字鋼梁強度對鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)受彎性能的影響。四種工字鋼梁翼緣強度靜力單調(diào)荷載下鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的荷載-跨中撓度曲線如圖7所示。隨著工字鋼強度的增大，鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的承載力隨之增大；工字鋼梁翼緣強度從354.5 MPa增加到414.5 MPa時，承載力提升6.2%，工字鋼梁翼緣強度從414.5 MPa增加到474.5 MPa時，承載力提升8.2%，工字鋼梁翼緣強度從474.5 MPa增加到534.5 MPa時，承載力提升5.0%，鋼梁翼緣強度在314.5~474.5 MPa之間承載力提升較為明顯。

5 結(jié)語

采用有限元軟件對鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)進行模擬分析，將有限元模擬分析得到的荷載—跨中撓度曲線與試驗進行對比，有限元模擬與試驗結(jié)果吻合良好，驗證了建模方法的合理性，分析了鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)在不同配筋率、工字鋼梁翼緣板強度及ECC強度等因素對結(jié)構(gòu)受彎性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）隨著ECC翼緣板縱筋配筋率的提高，鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的承載力增大，當配筋率取值2.0%左右時，結(jié)構(gòu)受彎性能較好。

（2）隨著ECC抗拉強度的增大，鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的承載力略有增大，但增長幅度不大。ECC在結(jié)構(gòu)中主要提升結(jié)構(gòu)延性，設計時不建議通過增大ECC抗拉強度來提高鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的承載力。

（3）隨著工字鋼梁翼緣強度的提高，鋼—ECC組合梁負彎矩區(qū)的承載力隨之增大，當鋼梁翼緣強度取值474.5 MPa左右，效果較好。