鋼-混組合梁抗彎性能試驗(yàn)研究

魚安卿　歐陽輝來

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

中國分類號：U441 +.5

0引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)通過鋼結(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)則可以解決以上問題。同時，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而帶來的不便[2]。近年來，在我國橋梁設(shè)計中鋼-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內(nèi)外專家學(xué)者研究的重要課題[3]。本文以熱軋H型鋼鋼-混組合梁為研究對象，通過單梁荷載試驗(yàn)，對鋼-混組合梁受到荷載時的抗彎性能進(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，等級為D級，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，使組合梁受力時為一整體，同時提供一定剪力;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)方案及過程

2.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用MTS多通道結(jié)構(gòu)動態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)加載，作動器選用該系統(tǒng)中201.8型號，行程為500 mm，采用跨中對稱加載的方式。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。將作動器安置在分配梁正中，分配梁通過激光測距儀及尺量工具準(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，保證測點(diǎn)準(zhǔn)確無誤及作動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開始正式加載。本次試驗(yàn)正式加載時每30 kN加載一級，加載至鋼-混組合梁破壞時停止加載，研究試驗(yàn)梁從加載的彈性階段到鋼梁開始屈服時的抗彎性能[7]。

2.2試驗(yàn)測點(diǎn)布置

2.2.1混凝土及鋼梁表面應(yīng)變測點(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，此次測點(diǎn)分別在簡支鋼-混組合梁的跨中和四分點(diǎn)布置。混凝土及鋼梁采用表面電阻式應(yīng)變計，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)變測點(diǎn)布置

為了研究加載過程中鋼-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)现担謩e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)過程

本次加載采用兩點(diǎn)式對稱加載方式，在加載至535 kN時，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，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)，之后混凝土板開始慢慢屈服，直到加載至955 kN時，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)變試驗(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

由下頁圖5可知：

（1）鋼-混組合梁在荷載作用下，跨中正截面應(yīng)變在混凝土板頂部承受壓應(yīng)力，在鋼梁底部承受拉應(yīng)力。由于簡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。混凝土頂板處的應(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，此時說明混凝土應(yīng)變已經(jīng)開始進(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，在每級加載作用下，應(yīng)變的變化較小，說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，不同位置處的混凝土應(yīng)變開始出現(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）在加載過程中，混凝土頂板縱橋向各個位置均存在壓應(yīng)變，鋼梁梁底各個位置均存在拉應(yīng)變。這是由于簡支梁在跨中兩點(diǎn)加載時，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。這是由于簡支梁在受跨中位置荷載時，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)變越大，鋼梁梁底拉應(yīng)變越大。

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)過程中受力共分為兩個階段，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，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，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數(shù)之間間隔時間略短;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，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，并且其所對應(yīng)的荷載節(jié)點(diǎn)位置也大致相同。這說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

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

（1）試驗(yàn)梁在加載至535 kN時出現(xiàn)第一條裂縫，之后組合梁開始進(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)計荷載相比有很高的安全儲備。

（2）組合梁在加載過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)變曲線相對平滑，說明組合梁的整體性依然良好，延性也較好。

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

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