波形鋼腹板PC組合箱梁與普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剪力滯效應(yīng)對比試驗(yàn)

隗忠全，易利亞，王鵬，黃文雄(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

增加橋梁在公路中的使用比例，可以減少路基的開挖與回填，從而降低對公路沿線自然環(huán)境的影響。目前普通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁(普通梁)在橋梁建設(shè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，隨著建設(shè)者對“新技術(shù)、新材料、新工藝”理念的不斷追求，波形鋼腹板PC組合箱梁(波形梁)隨之應(yīng)運(yùn)而生。

目前關(guān)于波形梁的研究成果豐碩，Elgaaly等[1，2]研究了波形梁抗剪及抗彎性能，波形鋼腹板幾乎承受所有的剪力，波形鋼腹板的破壞主要是由屈曲破壞造成的。楊綠峰[3]采用撓度和附加撓度定義箱型梁截面的剪力滯系數(shù)，分析了箱型梁剪力滯效應(yīng)受不同支撐條件的影響，箱梁影響剪力滯效應(yīng)與箱梁支撐條件密切相關(guān)。李麗園和彭益[4，5]分別進(jìn)行試驗(yàn)與理論分析，比較了結(jié)構(gòu)參數(shù)寬跨比、懸翼比等的改變對剪力滯的影響。舒志云[6]及謝嵐[7]運(yùn)用有限元分析軟件模擬實(shí)際工程，分析了各種狀態(tài)下剪力滯效應(yīng)的變化情況。同時(shí)，國內(nèi)外眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)波形梁與普通梁相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：自重輕，跨越能力強(qiáng)；提高預(yù)應(yīng)力效率，改善結(jié)構(gòu)性能，有效減小腹板開裂程度，施工簡單，外形美觀[8，9]。

在實(shí)際工程中，若忽略剪力滯的影響，會(huì)低估箱梁結(jié)構(gòu)實(shí)際產(chǎn)生的應(yīng)力，從而造成結(jié)構(gòu)的不安全[10～12]。筆者以此為研究點(diǎn)，通過試驗(yàn)對比分析，研究波形梁與普通梁剪力滯效應(yīng)分布規(guī)律的異同點(diǎn)，發(fā)掘波形梁本身特有的力學(xué)特性，拉近波形梁與普通梁剪力滯效應(yīng)之間的研究距離，以更好為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)依據(jù)《公路波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(DB41/T643-2010)，并參照實(shí)際工程中的橋梁尺寸，最終按一定比例設(shè)計(jì)確定2片試驗(yàn)箱梁的幾何參數(shù)，并澆筑了2片結(jié)構(gòu)尺寸相同的單箱單室波形梁和普通梁。箱梁長4.1m,高3.8m，計(jì)算跨徑3.9m；箱梁頂板和底板采用C40細(xì)石混凝土，彈性模量為32.5GPa；試驗(yàn)采用直徑為8mm和12mm的一級鋼筋作為非預(yù)應(yīng)力筋，采用常規(guī)S15.2鋼絞線作為預(yù)應(yīng)力筋，2根鋼絞線設(shè)置在底板與腹板交界處；波形鋼腹板采用Q235鋼，實(shí)測厚度2.5mm,高265mm；為了保證連接質(zhì)量，減少焊接工作量，波形鋼腹板采用嵌入型連接法。波形梁和普通梁的截面尺寸分別如圖1和圖2所示。

圖1 波形梁截面尺寸(mm)

圖2 普通箱梁截面尺寸(mm)

圖3 箱梁加載裝置

1.1 試驗(yàn)加載形式和測點(diǎn)布置

1)加載形式。試驗(yàn)橫向加載采用三分點(diǎn)加載方式，縱向加載采用對稱加載方式，加載方式為逐級加載，每級加載穩(wěn)定5min后讀數(shù)，箱梁試驗(yàn)室加載裝置如圖3所示。

2)測點(diǎn)布置。本著應(yīng)變片能測出頂、底板上縱向正應(yīng)力及各典型截面處的上、下翼板的應(yīng)變值的布置原則，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诳v向位置布置A、B兩道應(yīng)變片。其中A道布置在距離荷載施加處80mm處,B道布置在跨中；鑒于橫向布置時(shí)腹板與頂板交界處應(yīng)力值變化可能較大，為更準(zhǔn)確測出應(yīng)力值，對該處應(yīng)變片作加密處理；而底板應(yīng)力與之相比較平緩，則未做加密處理。箱梁縱橫向測點(diǎn)布置如圖4和圖5所示。

圖4 箱梁縱向測點(diǎn)布置

圖5 箱梁橫向測點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)主要為彈性階段下的靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)加載控制參數(shù)主要為預(yù)應(yīng)力大小及豎向集中力的大小，分別進(jìn)行a、b 2種工況試驗(yàn)：a工況為預(yù)應(yīng)力為0時(shí)，對2種箱梁分別施加大小為5、10、15、20kN的集中荷載；b工況為預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)荷載1260N/mm2時(shí)，對2種箱梁分別施加荷載大小為10、20、30、40、50kN的集中荷載。

荷載施加順序分別為：①安置好縱向及橫向各分配梁；②儀器調(diào)試，應(yīng)變儀置零；③分級施加豎向集中荷載；④分別采樣收集數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 測點(diǎn)A、B頂、底板正應(yīng)力值對比分析

收集測點(diǎn)A、B的縱向正應(yīng)力值，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理。為了更直觀地看出A、B測點(diǎn)縱向正應(yīng)力分布規(guī)律，選取工況b情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析波形梁與普通梁縱向正應(yīng)力分布規(guī)律。圖6～圖9為工況b情況下波形梁與普通梁頂、底板縱向正應(yīng)力值對比圖。

圖6 波形梁與普通梁測點(diǎn)A頂板縱向正應(yīng)力值 圖7 波形梁與普通梁測點(diǎn)B頂板縱向正應(yīng)力值

圖8 波形梁與普通梁測點(diǎn)A底板縱向正應(yīng)力值 圖9 波形梁與普通梁測點(diǎn)B底板縱向正應(yīng)力值

由圖6～圖9可知，就總體縱向正應(yīng)力值分布規(guī)律而言，在不同集中荷載作用時(shí)，測點(diǎn)A處2種箱梁頂?shù)装宓目v向正應(yīng)力大小沿橫截面均有不同程度的變化；而測點(diǎn)B處，2種箱梁頂?shù)装蹇v向正應(yīng)力沿箱梁橫截面均呈直線分布，無明顯變化。

就縱向正應(yīng)力最大值、最小值出現(xiàn)的的位置而言，對于測點(diǎn)A頂板，2種箱梁最大縱向正應(yīng)力出現(xiàn)在翼緣板邊緣處，最小縱向正應(yīng)力值出現(xiàn)在頂板與腹板交界位置處；對于測點(diǎn)A底板，最大縱向正應(yīng)力值出現(xiàn)在底板邊緣處，最小縱向正應(yīng)力值出現(xiàn)在底板中點(diǎn)。對于測點(diǎn)B的2種箱梁頂板和底板的縱向正應(yīng)力值，均大致成“一”字型，縱向正應(yīng)力值變化不明顯，但是由于施加預(yù)應(yīng)力較大，在集中荷載為10kN時(shí)，底板混凝土仍處于受壓狀態(tài)，導(dǎo)致底板出現(xiàn)負(fù)應(yīng)力。

2種箱梁在相同的集中荷載作用時(shí)，普通梁測點(diǎn)A頂、底板處的縱向正應(yīng)力值整體均大于波形梁的縱向正應(yīng)力值；而在測點(diǎn)B頂板處，普通梁的縱向正應(yīng)力值則整體小于波形梁的縱向正應(yīng)力值；在測點(diǎn)B底板處，普通梁的縱向正應(yīng)力值整體大于波形梁的縱向正應(yīng)力值。

2.2 剪力滯系數(shù)對比分析

從試驗(yàn)結(jié)果及有限元分析可知，測點(diǎn)A處剪力滯效應(yīng)較明顯，測點(diǎn)B處剪力滯效應(yīng)不太明顯，且集中荷載對箱梁剪力滯效應(yīng)影響不明顯[11]。因此，僅對集中荷載為20kN時(shí)測點(diǎn)A的剪力滯系數(shù)進(jìn)行對比分析，預(yù)應(yīng)力為0，集中荷載為20kN時(shí)2種箱梁測點(diǎn)A頂板及底板試驗(yàn)值如圖10和圖11所示。

圖10 箱梁測點(diǎn)A頂板試驗(yàn)值對比分析(預(yù)應(yīng)力為0，集中荷載20kN) 圖11 箱梁測點(diǎn)A底板試驗(yàn)值對比分析(預(yù)應(yīng)力為0，集中荷載20kN)

預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)荷載1260N/mm2，集中荷載為20kN時(shí)2種箱梁測點(diǎn)A頂板及底板試驗(yàn)值如圖12和圖13所示。

圖12 箱梁測點(diǎn)A頂板試驗(yàn)值的對比分析(預(yù)應(yīng)力1260N/mm2，集中荷載20kN) 圖13 箱梁測點(diǎn)A底板試驗(yàn)值的對比分析(預(yù)應(yīng)力1260N/mm2，集中荷載20kN)

2種箱梁測點(diǎn)A剪力滯系數(shù)極值如表1所示。

表1 2種箱梁測點(diǎn)A剪力滯系數(shù)極值

由圖10～圖13及表1數(shù)據(jù)可知，在預(yù)應(yīng)力為0時(shí)，相同情況下波形梁頂板剪力滯效應(yīng)比普通梁弱，但前者底板剪力滯效應(yīng)比后者明顯。在預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)荷載時(shí)，2種箱梁測點(diǎn)A頂板剪力滯系數(shù)橫向分布規(guī)律大致相同，波形梁頂板剪力滯效應(yīng)比普通梁弱，但底板剪力滯效應(yīng)比后者強(qiáng)。

3 有限元值與試驗(yàn)值對比分析

預(yù)應(yīng)力為設(shè)計(jì)荷載1260N/mm2，且集中荷載為20kN工況下，選用ANSYS有限元分析軟件建立實(shí)體模型，將波形梁測點(diǎn)A、B頂板及底板有限元值和試驗(yàn)值進(jìn)行對比分析。波形梁測點(diǎn)A、B頂、底板試驗(yàn)值與有限元值分別如圖14～圖17所示。

圖14 波形梁測點(diǎn)A頂板試驗(yàn)值與有限元值 圖15 波形梁測點(diǎn)A底板試驗(yàn)值與有限元值

圖16 波形梁測點(diǎn)B頂板試驗(yàn)值與有限元值 圖17 波形梁測點(diǎn)B底板試驗(yàn)值與有限元值

由圖14～圖17可知，2種方法的剪力滯系數(shù)變化趨勢相同，測點(diǎn)A頂板最大值兩者相差0.8%，最小值兩者相差2.3%；測點(diǎn)A底板兩者最大值相差2.4%，兩者最小值相差6.6%。測點(diǎn)B試驗(yàn)值與有限元值均在1.0附近，試驗(yàn)值與有限元值吻合較好，有限元結(jié)果與試驗(yàn)值均可靠。

4 結(jié)論

1)2種箱梁測點(diǎn)A頂板和底板在不同集中荷載作用下沿箱梁橫截面縱向正應(yīng)力都有不同程度的變化，但測點(diǎn)B頂板及底板沿箱梁橫截面縱向正應(yīng)力呈直線分布，無明顯變化。

2)預(yù)應(yīng)力的施加有利于減弱2種箱梁頂板的剪力滯效應(yīng)，但普通梁的剪力滯效應(yīng)的減弱程度高于波形梁；預(yù)應(yīng)力的施加導(dǎo)致2種箱梁底板的剪力滯效應(yīng)增強(qiáng),普通梁剪力滯效應(yīng)的增強(qiáng)程度弱于波形梁。

3)2種箱梁頂板剪力滯效應(yīng)在支座附近均有增強(qiáng)，波形梁頂板剪力滯系數(shù)增大較快；2種箱梁底板在荷載施加處和支座處，波形梁底板剪力滯系數(shù)均大于普通梁底板剪力滯系數(shù)。

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