鋼-混組合梁抗彎性能試驗(yàn)研究

魚(yú)安卿　歐陽(yáng)輝來(lái)

摘要：文章以鋼-混組合梁為研究對(duì)象，對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行單梁加載試驗(yàn)，測(cè)定組合梁在靜力荷載作用下的應(yīng)變及撓度值，通過(guò)荷載試驗(yàn)對(duì)組合梁受力時(shí)的抗彎性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：鋼-混組合梁在加載過(guò)程中受力符合平截面假定，在加載過(guò)程中，組合梁交界面性能良好，鋼梁和混凝土板在加載時(shí)可以較好地共同工作;在鋼梁達(dá)到屈服時(shí)，整個(gè)梁體未產(chǎn)生破壞，說(shuō)明組合梁受力狀況較好。

關(guān)鍵詞：鋼-混組合梁;抗彎性能;應(yīng)變;撓度

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U441 +.5

0引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同受力發(fā)揮作用，從而充分發(fā)揮兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)在于鋼結(jié)構(gòu)具有良好的抗拉性能，而混凝土結(jié)構(gòu)具有較好的抗壓性能[1]。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)不僅用鋼量大而且抗壓性能差，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不僅自重大而且跨越能力小，鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)則可以解決以上問(wèn)題。同時(shí)，鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋具有施工速度快、適合工廠化大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，減少了因施工工期長(zhǎng)而帶來(lái)的不便[2]。近年來(lái)，在我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)中鋼-混組合梁橋的數(shù)量不斷增加，與城市其他結(jié)構(gòu)橋梁相比節(jié)約了建設(shè)成本和施工工期，因此鋼-混組合梁橋的研究成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者研究的重要課題[3]。本文以熱軋H型鋼鋼-混組合梁為研究對(duì)象，通過(guò)單梁荷載試驗(yàn)，對(duì)鋼-混組合梁受到荷載時(shí)的抗彎性能進(jìn)行分析。

1試驗(yàn)梁概況

試驗(yàn)梁所采用的是熱軋H型鋼鋼-混組合梁，跨徑為13 m，寬度為1.9 m，全梁簡(jiǎn)支放置于橡膠支座上，H型鋼的尺寸為708 mm×304 mm×15 mm×28 mm，現(xiàn)澆混凝土橋面板采用C40混凝土，H型鋼采用Q345D鋼，等級(jí)為D級(jí)，屈服強(qiáng)度為345 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591-2008）以及《碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼熱軋厚鋼板和鋼帶》（GB/T3274-2007），屬于低合金高強(qiáng)度鋼板。H型鋼是整座簡(jiǎn)支鋼-混組合梁的主梁，并作為主要承受荷載的構(gòu)件。橋面板混凝土采用C40補(bǔ)償收縮混凝土，綁扎鋼筋后現(xiàn)澆在模板中。橋面板內(nèi)鋼筋采用HRB400鋼筋，屈服強(qiáng)度為400 MPa;構(gòu)造筋和其他鋼筋采用HPB300鋼筋，屈服強(qiáng)度為300 MPa;栓釘采用圓柱形剪力釘，設(shè)置在混凝土和鋼主梁交界面，作為混凝土和鋼梁的連接件，使組合梁受力時(shí)為一整體，同時(shí)提供一定剪力;支座采用雙層橡膠支座，放置于端部橫梁橫截面正中位置，在加載過(guò)程中忽略橡膠支座的受力作用[4-5]。試驗(yàn)梁尺寸為12 920 mm×1 900 mm×220 mm，具體試件尺寸如圖1～2所示。

2試驗(yàn)方案及過(guò)程

2.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用MTS多通道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)加載，作動(dòng)器選用該系統(tǒng)中201.8型號(hào)，行程為500 mm，采用跨中對(duì)稱加載的方式。為了保證試驗(yàn)安全，荷載可以均勻地傳遞到組合梁且不出現(xiàn)偏心受壓現(xiàn)象。將作動(dòng)器安置在分配梁正中，分配梁通過(guò)激光測(cè)距儀及尺量工具準(zhǔn)確放在組合梁橋面板的正中。試驗(yàn)加載如圖3所示[6]。

試驗(yàn)采用雙點(diǎn)式分級(jí)加載，分配梁間距為2 000 mm。在正式加載前進(jìn)行預(yù)加載，目的是為了保證試驗(yàn)安全性，保證測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確無(wú)誤及作動(dòng)器和采集裝置等可以正常運(yùn)行，待預(yù)加載結(jié)束后，卸載至0 kN開(kāi)始正式加載。本次試驗(yàn)正式加載時(shí)每30 kN加載一級(jí)，加載至鋼-混組合梁破壞時(shí)停止加載，研究試驗(yàn)梁從加載的彈性階段到鋼梁開(kāi)始屈服時(shí)的抗彎性能[7]。

2.2試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

2.2.1混凝土及鋼梁表面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

為了使數(shù)據(jù)可以更好地反映出鋼-混組合梁的受力特性，此次測(cè)點(diǎn)分別在簡(jiǎn)支鋼-混組合梁的跨中和四分點(diǎn)布置?；炷良颁摿翰捎帽砻骐娮枋綉?yīng)變計(jì)，電阻為350Ω，靈敏度為0.43，試驗(yàn)采用東華DH3816 N和晶明JM3812數(shù)據(jù)采集儀[8]。各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

2.2.2混凝土橋面板內(nèi)鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

為了研究加載過(guò)程中鋼-混組合梁橋面板與鋼主梁之間的整體性，在混凝土橋面板內(nèi)部鋼筋上布置電阻應(yīng)變片，分別在關(guān)鍵位置處布設(shè)上下兩層應(yīng)變片。

2.2.3撓度測(cè)點(diǎn)布置

撓度大小是可以反映鋼-混組合梁整體受力性能的重要因素，為了研究靜載持續(xù)加載情況下鋼-混組合梁的下?lián)现?，分別在組合梁的支點(diǎn)、1/4點(diǎn)、跨中位置加載布點(diǎn)。

2.3試驗(yàn)過(guò)程

本次加載采用兩點(diǎn)式對(duì)稱加載方式，在加載至535 kN時(shí)，混凝土橋面板產(chǎn)生裂縫;隨著荷載的不斷增加，裂縫的寬度及條數(shù)也不斷增加，但加載至鋼梁屈服階段時(shí)，混凝土板的裂縫寬度也未超限。在加載值為535 kN之前處于完全彈性工作狀態(tài)，之后混凝土板開(kāi)始慢慢屈服，直到加載至955 kN時(shí)，鋼梁底緣達(dá)到屈服。

3結(jié)果與分析

應(yīng)變是反映橋梁在荷載作用下某一截面處變形量的重要參量，在試驗(yàn)結(jié)果中起到代表性作用，而撓度是反映橋梁整體變形的重要參量，二者能比較直觀地反映鋼-混組合梁的抗彎性[9]。

3.1鋼-混組合梁應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

3.1.1跨中截面沿梁高的應(yīng)變變化規(guī)律

由下頁(yè)圖5可知：

（1）鋼-混組合梁在荷載作用下，跨中正截面應(yīng)變?cè)诨炷涟屙敳砍惺軌簯?yīng)力，在鋼梁底部承受拉應(yīng)力。由于簡(jiǎn)支梁在加載作用下為受彎構(gòu)件，即梁頂混凝土受到壓力的作用，在梁底表現(xiàn)為受拉。

（2）鋼-混組合梁在加載過(guò)程中，由于鋼梁處于彈性工作階段，跨中截面應(yīng)力隨高度大致為線性變化?；炷另敯逄幍膽?yīng)力隨著荷載的不斷變大，在加載前期相鄰荷載間應(yīng)變間距大致相同，說(shuō)明應(yīng)變處于線性均勻遞增狀態(tài);在加載到660 kN后相鄰荷載間應(yīng)變間距增大，此時(shí)說(shuō)明混凝土應(yīng)變已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入非線性變化階段。

3.1.2跨中截面混凝土頂板橫橋向應(yīng)變變化規(guī)律

由圖6可知，在每級(jí)加載作用下，應(yīng)變的變化較小，說(shuō)明組合梁橫橋向剛度較好，由于尺寸及剪力等各方面影響，剪力滯后效應(yīng)不明顯;隨著荷載的增加，混凝土頂板應(yīng)變處于均勻遞增狀態(tài);當(dāng)加載至300 kN時(shí)，不同位置處的混凝土應(yīng)變開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微差別，之后差別逐漸增大。這是因?yàn)榧虞d方式為兩點(diǎn)加載，跨中混凝土板在其加載時(shí)出現(xiàn)不均勻受壓的現(xiàn)象，使得應(yīng)變分布不均。

3.1.3混凝土頂板及鋼梁梁底縱橋向應(yīng)變變化規(guī)律

由圖7～8可知：

（1）在加載過(guò)程中，混凝土頂板縱橋向各個(gè)位置均存在壓應(yīng)變，鋼梁梁底各個(gè)位置均存在拉應(yīng)變。這是由于簡(jiǎn)支梁在跨中兩點(diǎn)加載時(shí)，頂部為受壓狀態(tài)，底部為受拉狀態(tài)。

（2）在相同荷載作用下，壓（拉）應(yīng)變最大值位于跨中位置處，支點(diǎn)處最小。這是由于簡(jiǎn)支梁在受跨中位置荷載時(shí)，跨中彎矩和撓度是最大的，則跨中應(yīng)力最大。由胡克定律可知，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，所以跨中的應(yīng)變是最大的。

（3）在不同荷載作用下，荷載越大，混凝土頂板和鋼梁梁底變形越大，即混凝土頂板的壓應(yīng)變?cè)酱?，鋼梁梁底拉?yīng)變?cè)酱蟆?/p>

3.2鋼-混組合梁撓度試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1鋼-混組合梁跨中荷載-位移曲線

由圖9可知：

（1）組合梁整體在試驗(yàn)過(guò)程中受力共分為兩個(gè)階段，即線彈性階段和非線彈性階段。從應(yīng)變角度看，在660 kN前處于線彈性工作階段，荷載-位移曲線為一斜直線，應(yīng)力和應(yīng)變符合胡克定律，在此工作階段混凝土及鋼梁在荷載作用下受力分布為線性。

（2）在加載到660 ～960 kN時(shí)，組合梁處于屈服工作狀態(tài)，斜率逐漸減小;加載至鋼梁屈服時(shí)，鋼梁最大下?lián)现禐?5.72 mm，組合梁曲線較為平滑，因此在受力過(guò)程中具有較好的延性;在加載前期，曲線不平順?biāo)a(chǎn)生的原因在于加載級(jí)數(shù)之間間隔時(shí)間略短;在鋼梁進(jìn)入屈服之前，從荷載-位移曲線上已能看出鋼-混組合梁有進(jìn)入屈服階段的前兆。

3.2.2鋼-混組合梁縱橋向位移變化曲線

由圖10可知，位于支點(diǎn)附近的梁底位移變化很小，當(dāng)加載至960 kN時(shí)，支點(diǎn)位移為4.03 mm;不管是支點(diǎn)、四分點(diǎn)、加載點(diǎn)還是跨中位置，均有鋼梁屈服的前兆，并且其所對(duì)應(yīng)的荷載節(jié)點(diǎn)位置也大致相同。這說(shuō)明組合梁縱橋向整體性和傳力性較好，且未出現(xiàn)內(nèi)部破損斷裂的現(xiàn)象。

4結(jié)語(yǔ)

本文以鋼-混組合梁為研究對(duì)象，通過(guò)單梁荷載試驗(yàn)，對(duì)鋼-混組合梁受到荷載時(shí)的抗彎性能進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)梁在加載至535 kN時(shí)出現(xiàn)第一條裂縫，之后組合梁開(kāi)始進(jìn)入非線彈性階段，直到加載至955 kN鋼梁屈服，試驗(yàn)與規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)荷載相比有很高的安全儲(chǔ)備。

（2）組合梁在加載過(guò)程中受力符合平截面假定，屈服后組合梁跨中橫橋向和縱橋向梁底應(yīng)變曲線相對(duì)平滑，說(shuō)明組合梁的整體性依然良好，延性也較好。

（3）在加載過(guò)程中，組合梁交界面性能良好，鋼梁和混凝土板在加載時(shí)可以較好地共同工作;在鋼梁達(dá)到屈服時(shí)，整個(gè)梁體未產(chǎn)生破壞，說(shuō)明組合梁受力狀況較好。

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