鋼—混凝土組合連續(xù)梁裂縫的試驗(yàn)研究

周慶東

1 概述

簡支組合梁橋能充分發(fā)揮鋼材抗拉和混凝土抗壓強(qiáng)度高的材料特性,但連續(xù)組合梁橋作為一種超靜定結(jié)構(gòu)在其中間支點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)承受負(fù)彎矩,使混凝土橋面板因承受較大拉應(yīng)力而開裂,引起鋼筋及鋼梁腐蝕等嚴(yán)重問題,影響了結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久性。因此,有必要對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土板開裂機(jī)理進(jìn)行細(xì)致研究,以利于采取有效措施防止裂縫的產(chǎn)生或發(fā)展,來保證組合結(jié)構(gòu)橋梁優(yōu)越性的充分發(fā)揮,促進(jìn)它在我國的應(yīng)用和發(fā)展。

本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)鋼—混凝土組合連續(xù)梁有關(guān)裂縫的問題進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)共進(jìn)行3根(SCB1,SCB2,SCB3)鋼—混凝土組合梁的模型試驗(yàn)。考慮到實(shí)驗(yàn)室空間和加載設(shè)備的能力,根據(jù)簡化塑性理論進(jìn)行截面設(shè)計(jì),將試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)成2×2.9 m的兩跨連續(xù)組合梁,采用完全剪力連接,試件編號(hào)分別為SCB1,SCB2和SCB3。試驗(yàn)梁截面形式如圖1所示。

試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。每級(jí)荷載加載完成時(shí),要仔細(xì)查看試驗(yàn)梁是否出現(xiàn)裂縫。在小于0.7Pu(Pu為塑性極限荷載)前每間隔5 kN量測(cè)混凝土的最大裂縫寬度;其后連續(xù)加載至梁的破壞。同時(shí)通過混凝土和鋼梁上的電阻應(yīng)變片和位移計(jì)自動(dòng)量測(cè)各點(diǎn)的應(yīng)變值或變形值。

試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn),在荷載達(dá)到大概0.17Pu時(shí),首先在中支座負(fù)彎矩截面附近的混凝土翼緣上表面中部出現(xiàn)第一條裂縫,并向板邊緣發(fā)展。裂縫在寬度小于0.7 mm以前發(fā)展緩慢,鋼筋處于彈性階段;當(dāng)裂縫寬度大于0.7 mm以后,部分梁的鋼筋已經(jīng)屈服,裂縫發(fā)展迅速,很快超過1.6 mm,同時(shí)梁的剛度急劇下降,達(dá)到或接近極限承載力。

3 開裂彎矩

現(xiàn)行的組合梁的彈性分析方法是把組合梁截面換算成同一種材料的截面,再根據(jù)材料力學(xué)的公式進(jìn)行計(jì)算。

在計(jì)算中采用以下假定:

1)變形符合平截面假定;2)鋼材與混凝土為理想的彈性體;3)鋼與混凝土相互之間的連接是可靠的,雖有較微小的滑移,可忽略不計(jì);4)受拉區(qū)混凝土不提供抗拉作用。

截面換算根據(jù)總正應(yīng)力不變和正應(yīng)變相同的條件,將面積為Ac,彈性模量為 Ec,在應(yīng)力σc時(shí)有應(yīng)變?chǔ)與的混凝土部分換算成彈性模量為 Es,在應(yīng)力為σs時(shí)有應(yīng)變?chǔ)舠的等價(jià)鋼截面As,即:

其中,αE為鋼材的彈性模量Es與混凝土彈性模量Ec的比值,即Es/Ec在此等價(jià)原則下退出的截面面積和應(yīng)力的等價(jià)關(guān)系為:

式(3)的意義是:若將由等價(jià)鋼截面求得的鋼材的應(yīng)力σs除以αE,則又可還原到原來的混凝土應(yīng)力σc。

式(4)的意義是:根據(jù)應(yīng)變相同且總內(nèi)力不變的條件,將混凝土單元的面積 Ac除以αE即可將混凝土截面部分換算成與之等價(jià)的鋼截面。

開裂彎矩:

其中,ftk為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度;I0為中支座截面對(duì)中性軸的慣性矩。

模型梁開裂荷載實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比如表1所示。

表1 模型梁開裂荷載對(duì)比表 kN

4 結(jié)語

結(jié)果表明,影響組合梁裂縫的因素比較復(fù)雜,需要采取有效的措施加以控制。同時(shí),結(jié)合試驗(yàn)和理論分析,進(jìn)一步完善了鋼—混凝土連續(xù)組合梁混凝土翼緣開裂彎矩和最大裂縫寬度的計(jì)算方法,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。

[1]聶建國.鋼—混凝土組合梁結(jié)構(gòu):試驗(yàn)、理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[2]王連廣.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[3]王 剛,王福建.應(yīng)用Goodman彈性夾層法對(duì)雙層組合梁彈性階段變形的理論分析[J].中國鐵道科學(xué),2006,27(5):66-70.

[4]GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].