混合梁結合部受力機理模型試驗研究

江祥林，劉玉擎，孫 璇

（1.長安大學 公路學院，西安 710064；2.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；3.江西省交通科學研究院，南昌 330038）

斜拉橋的主跨用鋼梁、邊跨用混凝土梁，形成混合梁組合體系，性能上將大幅度得以提高，并且具有跨越能力大的優點［1－2］。混合梁結合部是鋼梁與混凝土梁間的過渡段，也是兩種不同材料結合處。結合部兩側主梁的剛度相差大，格室內構造復雜，材料的差異性使得應力集中現象極易產生，是結構的薄弱部位［3－4］。格室中鋼與混凝土的受力性能、兩者間作用力的傳遞情況、結合面間的協同工作性，連接件的受力性能是影響混合梁結合段可靠性的重要因素［5－6］。過去的研究主要集中在結合段剛度過渡平穩性、鋼梁加勁過渡段承載能力及穩定性、混凝土加強過渡段抗裂性等方面，針對結合部承載性能及受力機理的研究較少［7－9］。

本文結合九江長江大橋工程實例［10］，對采用鋼格室承壓傳剪式結合部，設計制作了縮尺試驗模型，并與承剪式結合部進行了對比試驗分析。分析不同傳力類型結合部中鋼構件與混凝土構件的受力性能及兩者間作用力的傳遞特點，驗證了混合梁結合部構造的合理性。

1 混合梁結合部的構造特點

混合梁中鋼梁加勁過渡段和混凝土梁加強過渡段間的結合部是混合梁斜拉橋受力的關鍵部分。結合段將鋼梁所受軸力、剪力、彎矩通過鋼梁加勁段加以分散，再通過結合部鋼格室的承壓板、抗剪連接件的作用傳遞到格室填充混凝土中，再過渡到混凝土梁加強過渡段。

如圖1所示，依據傳力機理不同可將混合梁結合段分為承壓式、承剪式以及承壓傳剪式（以下簡稱“壓剪式”）3種類型。承壓式主要依靠鋼梁與混凝土梁之間的承壓板傳遞軸力，傳力直接，但需要較厚的承壓板，且結合段剛度突變較大。承剪式主要依靠結合部鋼格室內順橋向布置的抗剪連接件傳遞軸力，剛度過渡平穩，但傳遞軸力的能力有限，適用于小跨徑斜拉橋。壓剪式綜合了承壓式、承剪式的構造特征，以承壓板承壓作用和抗剪連接件傳剪作用共同傳遞軸力，剛度過渡均勻，應力擴散好，構造相對復雜。

圖1 混合梁傳力形式

九江長江公路大橋混合梁結合段構造如圖2所示，結合段長度為8.15m，其中混凝土梁加強過渡段2m，結合部2m，鋼梁加勁過渡段4.15m。鋼梁加勁過渡段采用U肋內插變高度T肋，同時在T肋端部延伸0.7m的板肋進行剛度過渡。混凝土梁加強過渡段采用變化頂、底、腹板的厚度進行過渡。

結合部在頂、底板及腹板上均設置鋼格室，鋼格室腹板上的抗剪連接件是鋼截面上的軸力及彎矩荷載分配到混凝土中的主要構件。為此，在腹板上開設圓孔并貫穿鋼筋，與進入圓孔的混凝土形成開孔板連接件。貫穿鋼筋后，圓孔中的混凝土處于三向約束狀態，形成銷栓作用，將鋼截面上的軸力分配到混凝土，使鋼截面應力得到分散，平順地向混凝土傳遞，并較好地限制鋼與混凝土之間的滑移［11－12］。為使混凝土與鋼格室緊密結合，在鋼格室與混凝土相貼的頂板、底板及承壓板上設置焊釘［13－14］。

圖2 結合段構造（單位：mm）

2 結合部格室局部模型試驗方案

2.1 模型試件設計

依據幾何、物理以及邊界條件相似理論對結合部格室進行設計，保證實橋和模型的應力相似［15］。根據實橋混合梁計算結果，選取結合部頂板一個完整格室和左右兩側各半個格室，在格室一端選取一段鋼梁過渡段，另一端澆筑混凝土底座分別用于加載和固定，制作縮尺比為1∶2壓剪式模型試件。為與壓剪式對比，選取承剪式結合部作為對照組。承剪式試件緊貼承壓板格室一側放置厚度為30mm的泡沫，用以模擬承壓板和混凝土的脫空情況，即不考慮承壓板的承壓作用。承剪式其它構造跟壓剪式完全相同。

圖3 模型試件構造（單位：mm）

如圖3所示，模型試件長1430mm、寬1000mm、高800mm。開孔板連接件孔徑為32.5mm，圓孔中心距為62.5mm和75mm，孔中貫穿鋼筋直徑為10mm，在鋼腹板內共設置兩排圓孔。焊釘直徑13mm、長度80mm，頂板布置4×7根，底板布置4×11根。鋼板采用Q345鋼材，填充混凝土28d實測立方體抗壓強度平均值為62.3MPa，并根據配筋率和空間幾何位置進行普通鋼筋配置。

2.2 加載及測試方法

模型加載如圖4如所示，混合梁斜拉橋主梁受力以壓彎為主，截面彎矩轉化為在主梁上下格室的軸力，因此格室模型主要考慮軸向荷載作用下各構件的受力狀態，對兩試件進行軸向加載試驗。按相似比換算出模型在最不利工況組合下的軸力設計值Pd大小為1050kN。模型加載方式采用反復式加載，依次分級加載至1.0Pd、1.7Pd、2.5Pd、3.5Pd后再卸載，最后一次加載至破壞。

模型測點布置如圖5所示，測試內容包括加載端鋼板布置位移計測量試件軸向變形，應變片測試格室鋼板應變，振弦計測試混凝土內部應變，鋼與混凝土軸向相對滑移測試采用振弦計A、應變片B進行測試。將振弦計A的一端焊接到格室內鋼板上，另一端懸空，在相應位置鋼板外側布置應變片B，利用A與B應變讀數差，測量鋼－混結合面處的相對滑移。

圖4 模型試驗加載

圖5 模型測點布置（單位：mm）

3 模型試驗結果及分析

3.1 承載性能

圖6為壓剪式和承剪式試件荷載－位移曲線，其中位移表示試件的整體軸向壓縮量。壓剪式試件最大承載力約為17000kN，承剪式試件最大承載力約為8500kN，壓剪式試件承載力為承剪式試件承載力的2倍。壓剪式結合部能直接將承壓板軸力通過接觸承壓傳遞至混凝土，鋼格室的剛度增加，提高了格室的承載能力。因此實際工程結構中較好發揮承壓板傳力作用是該類型結合部設計和施工的關鍵，在澆筑格室混凝土時，應保證混凝土澆筑質量，保證承壓板與混凝土接觸密實，防止混凝土承壓面脫空。

圖6 荷載－位移曲線

混合梁中鋼梁加勁過渡段和混凝土梁加強過渡段的承載性能容易計算，屈曲現象以及裂縫等破壞容易發現，而結合部，其破壞機理復雜，格室內的破壞難以及時發現。壓剪式試件破壞形態表現為格室下部混凝土壓碎并剝落，同時伴隨格室末端焊釘連接件根部剪斷和縱向普通鋼筋屈服。承剪式試件破壞形態表現為兩列開孔板孔中混凝土發生剪切破壞，沿著上下兩列開孔板方向混凝土表面產生兩條比較明顯的縱向裂縫，同時格室末端焊釘連接件根部剪斷。

3.2 鋼格室與混凝土的應力狀態

圖7、圖8為壓剪式和承剪式試件鋼格室腹板和底板軸向應力的縱向分布。試件鋼板在各級荷載的作用下均受壓，壓應力隨著荷載增大不斷增大。底板與腹板應力隨著距承壓板距離的增加逐漸減小，表明應力通過連接件有效地從鋼板通過連接件傳遞至混凝土。

圖7 鋼格室腹板應力分布

承剪式試件在承壓板處由于無混凝土分擔軸力，軸力全部傳遞至格室頂底板和腹板，其應力大小約為壓剪式試件的兩倍。在3.5Pd荷載作用下，在距承壓板較近處，承剪試件腹板應力最大壓應力約為230MPa，底板最大壓應力約為290MPa。

圖9為壓剪式和承剪式試件格室內混凝土軸向壓應力縱向分布。隨著距承壓板的距離增加，焊釘與開孔板連接件通過受剪的方式逐漸將軸力傳遞至混凝土，混凝土應力逐漸增大。

壓剪式試件由于承壓板通過承壓接觸的方式，已將一部分軸壓力傳至格室混凝土，荷載相同的情況下同位置處的混凝土應力壓剪式試件比承剪式試件大。承剪式試件混凝土一開始不參與受力，軸力必須全部通過連接件逐漸傳遞，因而混凝土應力沿軸向變化趨勢比壓剪式試件大。說明壓剪式試件能使承壓板后混凝土直接參與受力，充分發揮格室內混凝土承壓作用。

圖8 鋼格室底板應力分布

圖9 格室混凝土應力分布

3.3 相對滑移變化狀態

圖10為測點1處壓剪式和承剪式試件格室內部鋼板與混凝土相對滑移量隨荷載的變化。荷載由1.0Pd增至3.5Pd時，測點位置處鋼－混凝土相對滑移逐漸增大，表示混凝土相對鋼格室向承壓板滑移。3.5Pd作用下，承剪式試件測點位置相對滑移量最大約為0.1mm，較壓剪式試件相應位置處大。說明壓剪式試件鋼－混凝土間結合性能較好，承壓板承壓有效地限制了鋼－混凝土間相對滑移，提高了格室鋼－混凝土間結合性能。

圖10 格室內相對滑移量的變化

3.4 傳力機理分析

圖11為壓剪式結合部軸力作用從鋼梁至混凝土梁的傳力路徑。軸力通過鋼梁頂（底）板和U肋、T肋傳遞至承壓板和鋼格室頂（底）板，其中一部分通過承壓板與格室混凝土間接觸承壓作用向混凝土傳遞，另一部分通過格室頂（底）板上的焊釘連接件和格室腹板上的開孔板連接件，以連接件剪切作用逐步向混凝土傳力。圖11示出6條傳力路徑，其中R1、R2、R5路徑為承壓傳力，R3、R4和R6為剪切傳力。承壓傳力的路徑較短，傳力較為直接，剪切傳力延長了結合段傳力路徑，增加了傳力面積，使得結合部傳力更為平緩。

圖11 壓剪式結合部傳力路徑

承剪式結合部無承壓傳力，軸力直接通過格室中布置的抗剪連接件以剪切作用傳遞到混凝土。

壓剪式與承剪式結合部不同構件軸力傳力比例如表1所示，通過近承壓板斷面鋼格室應力得到格室腹板和頂底板承剪傳遞軸力，通過總加載力和鋼格室軸力差得到承壓板承壓傳力比例。壓剪式結合部承壓板承壓傳力約占總軸力的62.5%，其余部分通過格室腹板和頂底板上連接件以承剪傳遞，承剪式結合部軸力全部由格室腹板和頂底板上的連接件傳遞，其傳力比例分別約為46.8%和53.2%，對比表明壓剪式結合部能充分利用承壓板和連接件的復合傳力作用，減小了連接件的傳力比例，使結合部受力更合理。

表1 軸力傳力比例 %

4 結論

以九江長江公路大橋混合梁結合部局部格室為研究對象，進行了壓剪式和承剪式結合部縮尺模型承載性能試驗，研究了不同傳力類型結合部的承載性能、應力分布及受力機理，得出以下結論。

1）壓剪式結合部承載能力是承剪式結合部的2倍，表明承壓板是結合部的重要傳力構件，承壓板接觸承壓對提高格室承載能力作用明顯。

2）壓剪式結合部利用鋼格室中承壓板和連接件共同來傳遞軸力，剛度變化勻順，傳力順暢。在3.5倍設計荷載時，結合部仍處于彈性受力狀態，各受力構件均具有較大的安全儲備。

3）壓剪式結合部承壓板傳力作用明顯，降低了格室鋼板應力水平，能充分發揮格室內混凝土承壓作用，限制了鋼－混凝土間相對滑移，提高了格室鋼－混凝土間結合性能。

4）通過試驗得出了壓剪式和承剪式結合部不同構件軸力傳力比例，其中壓剪式結合部承壓板傳力約占總軸力的62.5%，壓剪式結合部能充分利用承壓板和連接件復合傳力作用，減小連接件傳力比例，使結合部受力更合理。

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