钢一混组合梁负弯矩区应变控制研究 汪迎红 47 钢一混组合梁负弯矩区应变控制研究 汪迎红 (贵州交通职业技术学院,贵州贵阳550008) 摘要:为了解焊钉连接件和开孔板连接件对钢一混组合梁应变的影响,设计基于实桥的室内模型试验,以设置焊钉连接件 和开孔板连接件的模型试件为研究对象,通过在钢梁、混凝土板、连接件以及纵向受拉钢筋等部位布设应变片测量应变,分析 不同加载条件下2种模型试件组合梁截面的应变状态。研究结果表明:开孔板试验梁的临界荷载大于焊钉试验梁的临界荷 载,即开孔板连接件的钢一混组合梁能承受更大的荷载;焊钉试验梁和开孔板试验梁的危险截面在混凝土板的裂缝控制中应 予以考虑;针对该试验模型,开孔板连接件可以有效控制试验梁不同位置处的应变分布和裂缝的间距,并能提高试验梁的整 体刚度,在负弯矩区中能发挥出更好的作用。 关键词:组合梁桥;钢一混组合梁;桥面板;焊钉连接件;开孔板连接件;弯矩;应变;模型试验 中图分类号:U448.216;U441.5 文献标志码:A 文章编号:1671—7767(2O15)04—0047—06 1 前 言 钢一混组合梁负弯矩区混凝土桥面板开裂是困 鸯l 扰工程界的主要问题之一,至今尚未得到妥善的解 决。钢一混组合梁的支点附近承受负弯矩作用,靠 近下缘的钢梁在负弯矩作用下容易屈曲失稳,而靠 3 000 3 000 近上缘的混凝土桥面板易因受拉而开裂。混凝土桥 单位:into 面板的开裂不仅会导致负弯矩区钢筋锈蚀,而且会 图1跨中横截面 降低支座截面的强度和刚度,对桥梁的安全性和耐 久性造成严重的威胁。不少研究者对钢一混组合梁 开展了抗裂性能试验研究,并取得了一定的成 果口 ],但是,针对负弯矩区连接件对混凝土桥面板 的应变控制研究尚不深入。本文依托某钢一混组合 (a)立面 (b)横截面 梁桥的建设,重点研究焊钉连接件和开孔板连接件 单位:mm 对钢一混组合梁应变的影响。 图2模型试件 模型现浇桥面板混凝土采用C40钢纤维混凝 2 工程概况 土,中墩墩顶箱室内、边墩箱室底板以上50 cm采用 某钢一混组合梁桥为双箱单室等截面桥,箱梁 C4O微膨胀混凝土,钢板采用Q345D,钢筋型号为 高1.95 ITI,混凝土顶板宽12 ITI,混凝土顶板厚约22 HRB335,材料特性如表1所示[6-s]。 cm,跨中横截面如图1所示。 模型试件中分别设置焊钉连接件和开孑L板连接 件,连接件按照刚度等效原则布置,焊钉连接件间距 3模型试验方案 表1材料特性 3.1模型试件设计 基于钢一混组合梁的实桥设计,截取中支点附 近负弯矩区18 m长的梁段作为研究对象,按1/2缩 尺比成型的简支组合梁模型试件如图2所示。 收稿日期:2O15一O4—17 作者简介:汪迎红(1968--),女,副教授,1991年毕业于重庆交通学院(现重庆交通大学)公路与城市道路专业,工学学士(E-mail:769260723@ qq.corn)。 48 世界桥梁 2015,43(4) 和杆径分别按1:2和l: 比例模拟,采用≯16× 模型试件梁体应变测点布置如图5所示,分别 在钢梁上下翼缘的9个截面、混凝土顶底面及板中 土+.I 的7个截面布置单向应变片,测试不同位置弯曲作 120 mm圆柱头焊钉。开孔板连接件按照与焊钉抗 剪刚度等效原则,选用厚16 ram、板高70 mm的 Q345B钢板,贯穿钢筋采用HRB ̄I2,连接件基本参 用下的应变分布。 数如表2所示,连接件尺寸如图3所示[9,1o]。T ●● H表2连接件基本参数 mm I — (a)焊钥连接件 (b)开孔板连接件 单位:mm 图3连接件尺寸 3.2模型加载方案 模型试件的加载布置需要模拟原结构的边界条 件及内力状态,在模型两端设置竖向支座及门型自 平衡反力架,用于模拟反弯点截面接近简支的边界 条件,并提供支撑反力。模型中支点位置设置一个 150 t千斤顶,通过千斤顶顶升模型试件施加负弯矩 作用,加载装置如图4所示。模型试验采用分级加 载:预加载施加0.4倍的换算设计荷载值6O kN,步 长为20 kN。通过记录数据,判断加载点是否对中, 及时调整加载装置、加载点位置以及试件位置。 3.3应变测点布置 2 000 1 500 图4加载装置 』 A B C D EF G H I j l1.1 ! (a)钢梁(9个截面) A B C E G H I 1 968.5 .769.600.600.600.600.1 33l 2 531.5 I 一 一 一 ’ I 一 。 一 . 一 .’ 一 (b)混凝土板(7个截面) 单位:mm 图5模型试件梁体应变测点布置 连接件应变测点布置如图6所示。在3排焊钉 中选择中央一排,取其中4个焊钉,分析其在不同受 力阶段的应变状态。开孔板上选择相同位置的4个 圆孔,测试孔前后钢板的应变。 2 193.5 . 1 969 . 2 531 2 756.5 (b)开孔板连接件 单位:mm 图6连接件应变测点布置 4试验结果及分析 4.I钢梁应变测试 钢梁A截面荷载~应变曲线如图7所示。 从图7可看出,随着荷载逐渐增加,采用焊钉连 接件和开孔板连接件的钢梁各测点应变变化趋势基 本相同,上翼缘受拉,而下翼缘受压,在施加荷载小 于1 200 kN时,上翼缘测点应变增长较快,下翼缘 测点应变增长相对较缓。在相同荷载下,开孔板试 验梁上翼缘和腹板中测点应变明显小于焊钉试验 梁,说明在负弯矩作用下,开孔板能承担一部分拉 力,改善上翼缘和腹板中应力分布。当施加荷载大 于1 200 kN时,开孔板试验梁各测点应变增加较 钢一混组合梁负弯矩区应变控制研究 委\ 娘 汪迎红 至\榻耀 49 枷 瑚 咖 啪 蝴 瑚0 伽 娜 啪 啪 啪 螂 瑚0 -2 000-1 000 0 1 000 2 000 3 000 4 000 应变( £) (a)焊钉试验梁 匝燹【p£) 蝴湖 啪姗伽批姗 (b)开孔板试验梁 图7钢梁A截面荷载~应变曲线 快,容易出现弯拉破坏。 4.1混凝土板应变测试 选取试件A~E五个截面为分析对象,混凝土 板荷载~应变曲线如图8所示。 从图8可看出,随着千斤顶荷载逐渐增大,混凝 土板各截面处的测点应变呈非线性增长。当荷载达 到12O~140 kN时,焊钉试验梁各截面荷载~应变 曲线出现反弯点,因此将120~140 kN定义为焊钉 试验梁混凝土板的临界荷载。而开孔板试验梁混凝 土板的临界荷载为160~180 kN。此外,焊钉试验 梁和开孔板试验梁应变值和应变增长率最大值分别 出现在C截面和E截面,在混凝土板裂缝控制中应 予以考虑。 不同荷载作用下,试件中心线上混凝土板上缘 正应变沿纵向分布如图9所示,以与钢梁上翼缘中 点对应的混凝土板位置为纵向位置的基点。 从图9中可看出,在施加荷载小于137 kN时, 焊钉试验梁和开孑L板试验梁的应变分布和应变值基 本相同,在荷载从137 kN增加到157 kN时,焊钉 试验梁应变从175/L ̄增加到345 ̄ ̄,开孔板试验梁 应变从175 £增加到300/ ̄ ̄,焊钉试验梁加载点附 近区域的混凝土应变增长率远大于开孑L板试验梁。 4.3混凝土板裂缝测试 分别在加载前后采用精度为0.01 mm的5倍 放大镜对模型混凝土表面各处进行裂缝观测,观测 口 3 趟 荷载/kN (a)焊钉试验梁 0 e 毯 一兰一 荷载/kN 姗姗娜瑚 (b)开孔板试验梁 ∞o 图8混凝土板荷载~应变曲线 1 O 1 2 纵向位置/m (a)焊钉试验梁 0 3 毯 纵同位置/加 (b)开孔板试验梁 图9试件中心线处混凝土板上缘正应变沿纵向分布 结果显示:随着荷载的增大,各试件混凝土表面裂缝 数量和长度均有不同程度的增加。加载至120 kN 时,焊钉连接件的混凝土板表面出现裂缝,在荷载达 到240 kN时裂缝贯通,600 kN时裂缝宽度达No.2 1Tim。开孔板连接件的混凝土板加载至160 kN时 出现首条裂缝,300 kN时出现贯通裂缝,700 kN时 50 裂缝宽度达到0.2 mm。与焊钉连接件相比,配置 开孔板连接件的混凝土板裂缝出现的荷载等级较 高,且裂缝间距相对较大,宽度较小,说明开孔板延 缓了混凝土板中裂缝的出现,提高了负弯矩截面的 抗裂性能。 4.4连接件应变测试 加载过程中连接件荷载~应变曲线如图10所示。 口 荷载/kN (a)焊钉连接件 至\ 糖 瑚 ㈣ 咖 啪 伽 瑚 口 荷载/kN (b)开孔板连接件 图10连接件荷载~应变曲线 从图1O可看出,在加载初期(荷载小于200 kN),2种连接件荷载~应变曲线斜率较小,轴向应 变值不大;随着荷载的增加,轴向应变线性增大,直 至混凝土板结构开裂破坏。在荷载施加过程中,试 验梁中焊钉连接件和开孔板连接件应变值一直处于 较低水平,说明2种连接件与混凝土板和钢梁连接 可靠。 4.5梁体挠度测试 为测试梁体挠度,在梁体控制截面的下缘布置 7个位移计,位移测点如图11所示。 对挠度曲线进行分析可以得到梁体挠度分布状 况,进而对组合梁在不同受力阶段的刚度变化进行 判断分析。图12和图13分别为在各级荷载作用 下,钢梁下翼缘竖向位移的变化曲线和钢梁截面曲 率随弯矩作用的变化曲线。 由图12、图13可看出,各曲线的斜率变化可以 分为3个阶段:①未开裂阶段。此时组合梁刚度由 钢一混凝土组合截面决定,基本处于弹性受力状态, 世界桥梁 2.015,43(4) A B C E G H I ・ : 532 I 1 l l 54I ● 17 I.542 ̄543754 4575467 5487 l 『 5I35 :lf 5 . 1 l ll— l 9 OO0 l 单位:mm 图ll位移测点布置 最大荷载1 200 kN 一 钢筋屈服。。。 ,,//厂 /// /缝。. mm对应荷载 。。kN :/ 初裂 厂 .. . . .0 10 委\ 框 2O 30 40 50 6O 竖向位移/mm ∞4 2 0 ∞∞Ⅺ(a)焊钉连接件 ∞6 4 2 ∞∞ 钢 5okN//厂\ : 应 … [ 棚。 … . . .. U lU U U 4U bU bU 竖向位移/mm (b)开孔板连接件 图l2荷载~挠度曲线 各曲线斜率较为接近;②开裂至钢筋屈服。由于混 凝土在开裂后仍有一定的粘结作用,导致这一阶段 斜率有所减小,且焊钉试验梁的斜率小于开孔板试 验梁,说明开孑L板自身的抗弯刚度有助于增大组合 梁整体抗弯刚度;③钢筋屈服后至破坏。此阶段斜 率呈迅速下降趋势,塑性应变迅速增长,此后增加的 荷载完全由钢梁承担,直至钢梁屈曲后,结构失效。 5 结 论 (1)试验梁的破坏形态均为典型弯曲破坏,钢 梁能够承受较大的荷载,施加荷载在1 200 kN范围 内时,钢梁并没有出现破坏迹象,说明负弯矩区混凝 土开裂后钢梁可以继续有效地承担荷载。 (2)以混凝土板荷载~应变曲线出现反弯点为 判据,焊钉试验梁的临界荷载为120~140 kN,开孑L 板试验梁的临界荷载为160~180 kN,说明与焊钉 钢~混组合梁负弯矩区应变控制研究 3 000 汪迎红 3 2 E.z】I\ j} 2 1 1 51 0 ∞ O ∞ ∞ ∞ ∞ 的 0 0 O 0 度均大于设置焊钉连接件的试件。 (4)焊钉连接件和开孑L板连接件可以使混凝土 板和钢梁有效地连接,达到组合梁截面形心上移、混 凝土板受拉区中心与截面形心距离减小的目的,从 2 500 g 2 000 。。… 1 500 /. 2 。. 裂缝弯矩 。 。 . 舯1 000 500 :// 矩 。 . 初始开 。。 . / 4 6 8 1O 而控制桥面板拉应力的大小并限制裂缝的开展。针 对该试验模型,开孔板连接件可以有效控制试验梁 不同位置处的应变分布和裂缝的间距,在负弯矩区 中能发挥出更好的作用。 参 考 文 献: O 曲率/mm (a)焊钉连接件 I 腓 。 。…。 [1]刘文会,常大宝.组合梁混凝土板抗裂性能试验研究 rJ].吉林建筑工程学院学报,2008,25(3):1—3. [2]亓路宽,潘桂清,王海涛.预应力钢一混凝土连续叠合梁 负弯矩区裂缝试验研究EJ].公路,2008,12(12):95— 1OO. 。 /。.。 裂缝弯矩 。 . / / 0 开裂。 . 设计弯萼 。。 . .2 E3]周 安,戴 航,刘其伟.体内预应力钢纤维混凝土一钢 10 ,4 6 . 8 组合梁负弯矩区抗裂及裂缝宽度试验研究[J].建筑结 构学报,2007,28(3):81~85. 曲率/mm (b)开孔板连接件 E4]聂建国,樊健生,王挺.钢一压型钢板混凝土组合梁裂 图l3弯矩~钢梁曲率曲线 缝的试验研究[J].土木工程学报,2002,35(1):15—2O. 连接件相比,采用开孔板连接件的钢一混组合梁能 承受更大的荷载。焊钉试验梁和开孔板试验梁应变 值和应变增长率最大的部位分别为C截面和E截 面,在混凝土板的裂缝控制中应予以考虑。 [5]石挺丰,胡狄,陈政清.预应力混凝土桥梁徐变模型试 验相似关系研究[J].华东交通大学学报,2007,24(4): 30—35. [6]黄侨.桥梁钢一混凝土组合结构设计原理[M].北 京:人民交通出版社,2003. (3)混凝土板裂缝首先在加载点附近出现,并 沿横向扩展而贯穿顶面,然后裂缝数量沿纵向增多, [7]张鸿,田 唯,王65. 敏,等.大跨径斜拉桥组合梁节段 匹配制造足尺模型试验[J].桥梁建设,2014,44(3):6i 一裂缝宽度也逐渐增大。配置开孔板与配置焊钉的组 合梁相比,其混凝土板开裂荷载较大,裂缝间距较大 而宽度较小,说明开孔板延缓了混凝土板中裂缝的 出现,提高了负弯矩区组合截面的抗裂性能。且设 置开孑L板连接件的试件在正常使用状态(裂缝宽度 为0.2 ram)以及非弹性状态(钢筋屈服)的整体刚 [8]张丽丽,孙全胜.双曲拱桥钢板加固前、后实桥试验对比 分析[J].世界桥梁,2013,41(6):86—89. [9]聂建国.钢一混凝土组合梁结构试验、理论与应用[M]. 北京:科学出版社,2005. [1O]聂建国.钢一混凝土组合结构桥梁[M].北京:人民交 通出版社,2011. Control of Strain in Hogging Moment Zone of Steel—Concrete Composite Girder WANG Ying—hong (Guizhou Polytechnic College of Communications,Guiyang 550008,China) Abstract:To examine the influence of welding stud connectors and perforbond rib connectors on the strain of the steel—concrete composite girder,the indoor model test was designed based on real bridge,taking the model samples respectively with welding stud connectors and perforbond rib connectors as the study objects.The strain conditions of the cross section of the composite girder of the two model samples under different loading conditions were analyzed by the data collected 52 世b界.桥梁 2015,43(4) from strain gauges installed on the steel beam,concrete slabs,connectors and the 1ongitudinal ten— sile reinforced bars.The results of the study show that the threshold load of the sample girder with perforbond rib connectors is greater than that of the sample beam with welding stud connec— tors,indicating that the steel—concrete composite beam with perforbond rib connectors is able to bear heavier loads.The dangerous cross section in both the sample beam with welding stud con— nectors and the one with perforbond rib connectors should be considered during the cracking con— trol of the concrete slabs.In light of the testing model,perforbond rib connectors can effectively control the strain distribution and the spacing among cracks in different locations of the testing beam,and can improve the overall stiffness of the testing beams,which are able to exert more fa— vorable effects on the hogging moment zone. Key words:composite girder bridge;steel—concrete composite girder;bridge deck;welding stud connector;perforbond rib connector;bending moment;strain;mode1 test (编辑:赵兴雅) ,,,ml,'’'’●mmlm,,’,m,mlm,’’.1-●m,m,m,,,》.1.mmm,mllm,Ill’Im'm,,'' 欢迎订阅201 5年度 桥梁建设 《桥梁建设》是中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊、中国精品科技期刊、百种中国杰出学术期刊、 美国《工程索引》(Ei Compendex)收录期刊、中国科学引文数据库来源期刊、中国学术期刊综合评价数据库 统计源期刊、中国核心期刊(遴选)数据库收录期刊、中国学术期刊(光盘版)入编期刊、中国科技期刊网入网 期刊、万方数据数字化期刊群收录期刊、中文科技期刊数据库收录期刊、《CAJ—CD规范》执行优秀期刊、美 国《剑桥科学文摘》(CSA)收录期刊、俄罗斯《文摘杂志》(AJ,VINITI)收录期刊。 《桥梁建设》国际标准连续出版物号ISSN 1003--4722,国内统一连续出版物号CN 42—1191/U,邮发 代号38—54。《桥梁建设》为双月刊(双月28日出版),大16开本(120页),每册定价20.00元・全年定价 12O.00元。 全国各地邮局订阅,编辑部亦可办理邮购。 《桥梁建设》持有广告经营许可证,代办设计,收费合理,时效持久,欢迎洽谈。 编辑部地址:武汉市建设大道103号 电话:(027)83519506(编辑部),83550081(广告部) E—mail:qlj s@ztmbec.corn qiaoliangJianshe@yeah.net 邮编:430034 传真:(027)83360005 《桥梁建 设》编辑部 2015 年7月