波紋鋼腹板與預應力混凝土梁橋的彎曲性能研究

韋世令

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

0 引言

波紋鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋是近年被提出的一種新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁［1］。在傳統(tǒng)的鋼-混凝土組合橋梁中，波紋鋼腹板可以代替扁平鋼腹板。與扁平鋼腹板相比，波紋鋼腹板具有更高的平面外剛度，并且不需要設置加勁肋，不僅可以減輕橋梁的重量，還具有較高的抗屈曲性、良好的橋面鋪裝性能等優(yōu)點。同時，波紋鋼腹板軸向壓縮剛度幾乎為零，可以顯著提高施工效率。波紋鋼腹板與預應力混凝土梁橋之間的連接部位是波紋鋼腹板組合橋的關鍵傳力部位，其結(jié)構(gòu)直接關系到橋梁的承載能力［2］。連接處通過剪力連接器實現(xiàn)鋼腹板與預應力混凝土梁橋的有效連接，連接器主要抵抗水平剪力和垂直拔力。目前，常用的連接件包括開孔板連接件（PBL）、螺栓連接件和嵌入式剪力連接件［3］。近年來的橋梁建設工程中，波紋鋼腹板組合箱梁橋通常采用較大的腹板間距，由于波紋鋼腹板的平面外彎曲剛度較大，對預應力混凝土梁橋的連接部位產(chǎn)生嚴重約束，連接部位在荷載作用下會產(chǎn)生較大的橫向轉(zhuǎn)角彎矩，因此連接部位必須具有足夠的橫向彎曲承載力和彎曲剛度。目前，對波紋鋼腹板與混凝土梁橋連接處在橫向彎矩作用下的彎曲性能的研究不夠豐富，并且近年來橋梁的車輛超載和重型車輛增多等問題日益嚴重。在重型車輛偏心載荷等非對稱載荷的反復作用下［4］，波紋鋼腹板與混凝土梁橋連接處通常會表現(xiàn)出嚴重的疲勞損傷。因此，研究波紋鋼腹板與混凝土梁橋連接處的靜力和疲勞性能具有重要的意義和實用價值。本文結(jié)合實際工程案例，設計了4組共8個1∶1的全尺寸波紋鋼腹板和混凝土梁橋連接試件，包括開孔板連接試件、螺栓連接件和嵌入型剪切連接件，并探討3種不同類型連接試件的橫向彎曲靜態(tài)和疲勞性能，此外分析了橫向預應力對雙開孔板連接試件橫向彎曲靜態(tài)和疲勞性能的影響，為進一步的工程應用提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣設計

對于波紋鋼腹板的箱梁橋，由于腹板的平面彎曲剛度大于普通平板，因此在預應力混凝土梁橋與腹板的連接位置存在較大的橫向轉(zhuǎn)角彎矩。根據(jù)波紋鋼腹板與預應力混凝梁橋連接處的實際結(jié)構(gòu)尺寸，本試驗設計了4 組連接試件，2 個試件為一組，共8 個試件。每組中的一個試件進行靜態(tài)載荷試驗，以確定極限承載力和載荷-撓度關系曲線，另一個試樣進行疲勞載荷試驗。本文采用的波紋鋼腹板為1600型［5］，鋼材為Q355C。連接件類型有3 種形式：開孔板連接試件（T-PBL）、嵌入型剪切連接件和螺栓連接件。試件參數(shù)見表1。采用表1 中的FPT 試件探討預應力對節(jié)點橫向彎曲靜態(tài)和疲勞性能的影響。由于缺乏連接件橫向抗彎能力的設計標準，試件的設計參考了實際工程，混凝土梁橋的尺寸為1 600 mm×1 220 mm×400 mm，內(nèi)部布置2 層鋼筋網(wǎng)。為了確保單一的實驗變量，3 個不同連接試件的配筋率相同，并且3 個不同的連接試件使用相同的材料［6-7］。此外，預埋連接接頭和T-PBL 接頭的孔間距相同，鋼板在混凝土中的埋深一致，均為200 mm。螺柱連接接頭中螺柱縱向布置的間距也與其他兩種類型接頭的孔距一致［8］。

表1 試件參數(shù)

表1 中，F(xiàn)T 和FPT 試件為T-PBL 接頭，波紋鋼腹板為1600 型，高度為220 mm，厚度為20 mm。穿孔鋼板的厚度為20 mm，高度為200 mm，2 塊穿孔鋼板之間的間距為320 mm，穿孔鋼筋的直徑為28 mm，法蘭板寬420 mm，厚25 mm。FPT 試件使用的預應力筋為1 mm×7 mm 低應力松弛鋼絞線，其直徑為15.2 mm。FS試樣為螺栓連接接頭，螺栓為150 mm（長）×22 mm（直徑），法蘭板寬420 mm，厚25 mm。FE試件為嵌入型剪切連接件，波紋鋼腹板為1600型，高度為220 mm，厚度為20 mm。從波紋鋼腹板兩端80 mm 處開始，每隔160 mm 開一個孔，孔的直徑為50 mm，穿孔鋼筋的直徑為20 mm，孔的中心距波紋鋼腹板上端120 mm。采用直徑為16 mm 的HRB400 帶肋鋼筋作為約束鋼筋［9］。

1.2 材料特性

混凝土強度等級為C55，在澆筑過程中制作8 塊150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試件，試件的加載速率為0.6 MPa/s。養(yǎng)護28 d 后，混凝土的平均立方體抗壓強度為72.6 MPa。表2為混凝土的具體配合比。

表2 混凝土配合比（單位：kg·m-3）

1.3 試驗方法

試驗使用100 t 的MTS 試驗機進行加載實驗。根據(jù)橫向彎曲靜態(tài)加載試驗確定每個試件的橫向彎曲極限載荷（Mu），并以此確定疲勞加載振幅。最大疲勞極限載荷為0.35 kN·m，最小疲勞極限載荷為0.25 kN·m。加載頻率為5 Hz，采用正弦加載。在正式加載之前，要進行預加載，檢查測試儀器是否正常工作。在正式加載過程中，分10級施加靜載荷至最大疲勞極限載荷，然后卸載至0；再次施加靜載荷至最大疲勞極限載荷，卸載至中值疲勞載荷；再施加頻率為5 Hz 的正弦疲勞載荷。在疲勞試驗前的靜態(tài)載荷狀態(tài)下記錄裂紋情況，當疲勞循環(huán)次數(shù)達到0、50、100、150、200 次時，試驗停止并卸載至0［10］。分10 級施加靜載荷至最大疲勞極限載荷，然后進入下一次疲勞循環(huán)。觀察試件隨時間變化的應力變化和變形情況，并記錄每個測量點的撓度和鋼材的應變。經(jīng)過200次疲勞循環(huán)后，如果試件表面沒有出現(xiàn)明顯的大裂紋，試件的殘余撓度沒有明顯增大，載荷-撓度曲線仍能保持線性關系，剛度也沒有明顯降低，則說明試件沒有損壞，試件狀態(tài)良好，則應繼續(xù)進行靜態(tài)加載試驗，直到試件損壞為止。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 靜態(tài)試驗的極限承載力

表3 為靜態(tài)試驗中4 組試件的開裂載荷、極限載荷和相對分離值。開裂荷載是指加載過程中試件表面第一條裂紋對應的荷載值，在一定程度上可以反映構(gòu)件在荷載作用下的整體抗裂性。極限載荷是指試件在加載過程中所能承受的最大載荷，可以反映構(gòu)件的極限承載力。相對分離值表示加載過程中受拉側(cè)混凝土與T-PBL 接頭和螺柱連接接頭中的鋼法蘭板之間的最大相對分離值。

表3 實驗結(jié)果

由表3中的結(jié)果可以看出，預埋連接試件的開裂荷載略小于FT、FPT和FS試件，并且每個連接試件的開裂載荷相似，開裂荷載受縱向配筋率的影響。FT、FPT 和FS 試件的縱向配筋率相同，因此開裂荷載大致相同。與FT 試件相比，F(xiàn)PT 試件施加了橫向預應力，對混凝土縱向受壓側(cè)的開裂影響不大，因此兩組試件的開裂荷載相似。觀察實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PT 試件橫向側(cè)的開裂載荷遠大于FT 試樣，表明施加橫向預應力可以抑制連接處中裂紋的發(fā)展，進一步提高連接處的抗裂性。通過比較各試件的極限載荷，4 組試件的橫向抗彎承載力順序為FT＞FPT＞FS＞FE。其中，T-PBL 連接件的極限承載力明顯高于其他兩種連接件。FT 和FPT 試件的承載力大致相等。根據(jù)試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，施加橫向預應力可以提高連接件的抗裂性，但對連接件的橫向抗彎極限承載力影響不大。從表3中的相對分離值可以看出，每個試件的相對分離大致相同，這表明受拉側(cè)混凝土與翼板之間的相對分離主要受鋼板與混凝土之間的黏結(jié)性能影響，而連接件的形式和預應力對相對分離值的影響很小。

2.2 殘余撓度

在4組試件的疲勞試驗中，每隔一定循環(huán)次數(shù)對試件進行卸載，記錄連接件受壓側(cè)底部的中跨撓度，即殘余撓度。殘余撓度是反映連接件在橫向彎矩疲勞循環(huán)載荷作用下長期性能的重要指標之一。圖1為疲勞加載過程中連接件殘余撓度隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化曲線。連接件殘余撓度的發(fā)展大致可分為兩個階段：第一階段為殘余撓度快速增長期和第二階段為緩慢增長期，表明連接件的疲勞累積損傷在疲勞過程中會緩慢發(fā)展。從圖1 中可以看出，4 組試件殘余撓度的發(fā)展趨勢大致相同：撓度在0～200次循環(huán)之間快速增大，撓度在100～200 次循環(huán)之間緩慢增大，斜率基本相同。FT、FPT、FS 和FE 試樣的最終殘余撓度分別為3.03 mm、3.04 mm、2.90 mm和3.31 mm。3種不同連接器類型的連接件殘余撓度差異不大，F(xiàn)T 和FPT試件的殘余撓度基本相同。殘余撓度受連接件類型和預應力的影響較小。

圖1 殘余撓度變化曲線

2.3 剛度退化

圖2 為4 組試樣在不同疲勞循環(huán)后的載荷-撓度曲線。在橫向彎矩作用下，試件的抗彎剛度可以反映連接件在正常使用情況下的抗彎性能。復合材料結(jié)構(gòu)在彈性階段的應力狀態(tài)與其密切相關，彎曲剛度可以通過荷載-撓度曲線的斜率反映。在實際測試過程中，受設備誤差、材料不連續(xù)性和試樣鑄造誤差等不確定因素的影響，試件彈性階段測得的載荷-撓度曲線不是一條直線，因此其剛度可能不是一個固定值。為了便于分析，將彎曲剛度定義為圖2中荷載-撓度曲線的割線斜率。對圖2 中載荷-撓度曲線剛度進行計算和分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)T、FPT和FE試件的曲線斜率沒有顯著變化，表明這3組試樣的彎曲剛度沒有隨著疲勞循環(huán)加載次數(shù)的增加而顯著降低。經(jīng)過200次疲勞循環(huán)后，F(xiàn)T、FPT和FE組試件的彎曲剛度分別下降了2.35%、5.5%和9.14%，并且可以觀察到經(jīng)過100次疲勞加載循環(huán)后，3 組試件的剛度略有改善，主要是在疲勞加載初期，開孔與混凝土的接觸不緊密，在早期疲勞加載后，骨料和孔洞之間的接觸更緊密，因此剛度將略有提高。當疲勞循環(huán)次數(shù)為0 時，試件的撓度增量為6.7 mm，經(jīng)過200 次疲勞加載循環(huán)后，試件的撓曲增量為9.4 mm，試件的剛度降低了28.72%。然而，在疲勞加載過程中，螺柱連接件的載荷-撓度曲線始終保持線性關系，沒有明顯的屈服，其疲勞性能也能滿足設計要求。同時，各試件的荷載-撓度曲線在撓度方向上由稀疏變?yōu)槊芗诧@示了殘余撓度的變化規(guī)律。

圖2 載荷-撓度曲線

3 結(jié)論

本文結(jié)合實際工程案例，設計了4 組共8 個1∶1的全尺寸波紋鋼腹板和混凝土梁橋連接試件，包括開孔板連接試件、螺栓連接件和嵌入型剪切連接件，并探討3 種不同類型連接試件的橫向彎曲靜態(tài)和疲勞性能。主要結(jié)論如下：①疲勞損傷將對連接件的抗彎性產(chǎn)生不利影響。T-PBL 試件和嵌入式試件受疲勞損傷的影響較小，而螺柱連接試件受疲勞損壞的影響較大。預應力可以在一定程度上減少疲勞損傷的不利影響。②在疲勞加載作用下，殘余撓度隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增大，這表明試件的累積疲勞損傷會在疲勞加載過程中緩慢增加。③在疲勞加載期間，T-PBL 試件和嵌入式試件的抗彎剛度沒有明顯下降，而螺栓連接件的剛度則明顯下降，進一步反映出T-PBL 連接件和嵌入式連接件的橫向抗彎疲勞性能優(yōu)于螺柱連接件。本文重點研究波紋鋼腹板與預應力混凝梁橋連接處在橫向彎矩作用下的靜力和疲勞性能，但未考慮連接處的抗震性能。在高發(fā)地震區(qū)域，連接處的抗震性能對建筑安全極為重要，下一步工作應重點研究連接處的抗震性能。