不同剪力連接度下裝配式鋼-混組合箱梁受力性能試驗研究*

邵林海 李志峰 賀志啟 馬 增 劉 釗

(1.華匯工程設計集團股份有限公司 紹興 312000；2.東南大學土木工程學院 南京 211189 3.中交公路規劃設計院有限公司 北京 100088)

裝配式鋼-混組合梁橋可同時發揮快速預制拼裝及2種材料的優勢，成為橋梁工業化技術應用的一個重要方面[1-3]。

將預制好的橋面板利用開孔剪力槽與鋼梁進行現澆連接，不僅減少模板用量和混凝土澆筑工序，還有利于降低施工現場環境污染，加快橋梁建造速度，突出橋梁工業化的顯著優勢。同時，該類橋梁在后續維護上更為便利，損壞構件可以及時更換，提高了橋梁結構的耐久性，降低了維護成本。并且該類橋梁易于拆除，拆除階段的能耗及對環境的影響都較小，從而實現橋梁建設的可持續性。

本文所研究的鋼箱-預制混凝土板組合梁試件見圖1，該構型可以作為現階段裝配式小箱梁的比選方案，其經濟技術特點及優勢主要表現在：通過預留的剪力槽和簇釘群將預制的橋面板與多個并列鋼箱進行現澆連接，提高了全橋預制裝配化比例，進一步加快橋梁施工[4-5]。

圖1 采用簇釘群連接的裝配式鋼-混組合箱梁構造

剪力槽孔的縱橋向布置間距是該類橋梁設計時的重要因素。雖然剪力槽孔間距的增加有利于加快施工進度，降低現場混凝土澆筑的工作量，但過大的間距則會對組合梁的受力性能產生不利影響。因此，剪力槽孔的間距存在一個適合的范圍[6]。目前，美國AASHTO設計規范所給出的槽孔最小間距需小于610 mm[7]，但相關學者研究表明該數值過于保守，最小間距可以設計到1 220 mm[8-9]。

因此，鑒于目前對簇釘群剪力槽孔連接方式研究較少的現狀，本文進行了簇釘群連接鋼-混凝土組合梁的對比試驗，研究剪力連接度對裝配式組合梁受力性能的影響。

1 試驗設計

1.1 試件設計和制作

制作A、B、C、D 4片開口鋼箱-預制混凝土板組合梁，其中，試驗梁A試件[10]構造示意見圖2，試驗梁B、C、D除去剪力槽孔間距和槽孔內栓釘布置個數與試驗梁A不同(用以調整試驗梁的剪力連接度)外，其余構造尺寸基本相同。定義剪力連接度r為[11]

r=n/nf

(1)

式中：n為剪跨段栓釘個數；nf為保證橋面板或鋼梁進入全截面塑性的栓釘個數；r為組合梁的剪力連接度，當r<1時，為部分剪力連接，當r≥1時，為完全剪力連接。

試驗梁通過頂部開口鋼箱與預制橋面板形成組合截面。試件全長5 200 mm，支座間距4 800 mm，梁高380 mm，剪跨比為1.05；預制混凝土板厚80 mm(含20 mm板托高度)；鋼梁高300 mm，上翼緣與腹板均采用厚6 mm鋼板，底板厚8 mm，材質為Q235；為增大橫向剛度，沿縱橋向每隔300 mm設置1道豎向加勁肋，每隔600 mm設置1道K字形橫撐，其中，豎向加勁肋高50 mm、厚6 mm；同時，為防止支座處剪力過大對梁體產生不利影響，在支座處采用實腹式橫隔板，并設置底板縱向短肋加強端部區域穩定性。

4片試驗梁簇釘布置見圖3，簇釘群剪力鍵通過焊接方式與鋼箱梁上翼緣相連，所采用的栓釘外徑13 mm、高60 mm、材料為ML15AL。剪力連接件的設計參數見表1。

圖2 試驗梁A構造示意(單位：mm)

圖3 各試驗鋼梁的上翼緣簇釘布置圖(單位：mm)

表1 試驗梁簇釘剪力件設計參數

試件的加工制造過程包括以下幾點：開口鋼梁加工、混凝土板預制、剪力槽口混凝土澆筑和養護，具體操作流程見圖4。

圖4 試驗梁制作過程

1.2 試驗加載與測試

試驗加載儀器與測點的布置現場見圖5。

圖5 試加載設備及測點布置

加載設備為1 000 kN電液伺服MTS試驗機，采用四點彎曲對稱加載，通過在分配梁下面墊2塊帶T型厚鋼板實現荷載傳遞，每塊鋼板底部的面積為150 mm×600 mm，兩者間距為1 200 mm。主要包括以下3部分加載歷程。

1) 2次彈性階段加載，用以觀察梁體的彈性恢復能力。

2) 2次塑性階段加載，用以考察試驗梁的塑性變形特性。

3) 破壞階段加載，用以考察梁體的極限承載力、裂縫開展形態、撓度變形及應變發展趨勢等情況。

通過以上加載方式來研究循環荷載作用下組合梁的力學行為。采用這種試驗方法主要是考慮組合梁力學特性并在有限試驗條件下獲取更多數據。

試驗位移數據通過多個位移計進行測量，測點位置依次為支座處、1/4截面處和跨中處，兩邊對稱布置。將百分表對稱布置在試驗梁兩側進行混凝土板與鋼梁之間的相對滑移測量，觀測點設在槽孔處。

2 主要試驗結果與分析

2.1 荷載-位移曲線

4片試驗梁的荷載-位移曲線見圖6。在彈性加載階段完成后，4片試驗梁的荷載-位移曲線近乎重合。由此可見，當組合梁剪力連接度r≥0.65時，部分剪力連接對組合梁彈性受力性能影響很小，但對受彎性能有一定影響。相比于試驗梁B(r=0.98)，試驗梁D(r=0.74)的受彎承載力降低了9%，試驗梁C(r=0.65)的受彎承載力下降了17%。試驗梁A的剪力連接度超過1(r=1.22)，但抗彎承載力并沒有增加，且延性相比試驗梁B(r=0.98)有所下降。

圖6 試驗梁的荷載-位移曲線

2.2 界面剪力-滑移特性

4片試驗梁的剪力-滑移曲線見圖7，曲線編號表示滑移測點到支座的距離，其中0號曲線表示支座上方設置的滑移測點數據。由圖7可見：

1) 支座位置和純彎段的層間滑移較小，整個加載過程，滑移量隨荷載增加變化不大。試驗梁與支座接觸面為一矩形墊板，由于試驗梁變形受到支座的約束作用，支座位置的層間滑移受到限制，滑移量并非最大。純彎段為在距支座1 800～2 400 mm范圍內，該區段無剪力作用，但隨著荷載增加，試驗梁彎曲變形增大，剪力連接件受到混凝土板的斜壓作用，斜壓力的水平分力引起剪力件的變形，進而發生層間滑移。

2) 剪跨段為距支座0～1 800 mm范圍內，該區段承受水平剪力，出現較大層間滑移。隨著荷載增加，滑移量不斷增大。試驗梁滑移增長速率為：試驗梁C>試驗梁D>試驗梁B>試驗梁A。試驗梁A剪力連接度最大，層間滑移最小，加載至400 kN時，滑移量為0.059 mm；試驗梁C剪力連接度最低，加載至400 kN時，滑移量為0.378 mm，為試驗梁A的6.4倍。

3) 試驗梁的荷載-滑移曲線大致可按400 kN分成2個階段，加載至400 kN之前，滑移量增長較慢，基本呈線性變化。超過400 kN后，滑移量增長速度明顯加快。這是由于剪力槽孔下緣混凝土出現開裂，對剪力件的約束作用有所降低，混凝土板滑移加快。

圖7 試驗梁的界面剪力-滑移曲線

當加載到200 kN和400 kN時，各片試驗梁從支座到跨中半跨長度內的滑移規律見圖8。由圖8可以看出：①剪力連接度是影響組合梁層間滑移的重要因素，剪力連接度越大，則層間滑移越小；②層間滑移量在支座和跨中處數值較小，在剪跨段數值較大；當剪力連接度較小時，從支座到跨中處的滑移量分布逐漸下降，剪跨段滑移量較為平穩。

圖8 特定荷載下不同試驗梁界面從支座到跨中滑移量沿程分布的規律

2.3 破壞模式

4片試驗梁最終都呈現為典型的受彎破壞模式，其現場照片見圖9。

圖9 試驗梁的典型破壞模式

統計各試驗梁主要破壞部位見表2。

表2 各試驗梁主要破壞部位

試驗梁的破壞過程主要包括：混凝土板縱向劈裂及局部壓潰、鋼梁上翼緣及腹板屈曲、底板受拉屈服、栓釘剪斷等。

由試驗分析可知，試驗梁A剪力連接度最大，破壞過程主要表現為混凝土板壓潰，鋼筋屈服；試驗梁B隨著加載歷程在混凝土板左右兩側加載位置出現塑性鉸區，具有良好的塑性性能，當荷載進一步增加至破壞荷載，最終表現為栓釘剪斷和箱梁底板屈服；試驗梁C的剪力連接度最小，層間滑移較為明顯，在破壞荷載加載階段首先發生栓釘剪斷，其次出現混凝土面板開裂、鋼梁底板屈服；試驗梁D的剪力連接度介于試驗梁B和C之間，且剪力槽孔間距最大，破壞特征為栓釘剪斷和鋼梁底板屈服。

3 結論

1) 當裝配式組合梁剪力連接度大于0.65時，采用部分剪力連接對組合梁彈性階段的受力性能影響很小。

2) 采用部分剪力連接對裝配式組合箱梁的受彎承載力和破壞形態有一定影響。當組合梁剪力連接度由1下降至0.65時，抗彎承載力減少了大約17%；而當組合梁剪力連接度超過1時，受彎承載力不但沒有增加，結構的延性反而有所下降。

3) 組合梁界面間的相對滑移受剪力連接度的影響較大，當剪力連接度越小時，界面滑移越明顯。