鋼混凝土連續組合梁剛度靜載試驗研究

該梁橋的組合充分利用了材料和混凝土的優點，具有很高的經濟技術優勢。當根據塑性理論設計連續組合梁時,可以獲得較大的跨高比,但撓度可能成為設計中的控制因素,如果需要通過構件起拱來消除恒載作用下的撓度,或對正常使用階段的撓度進行驗算時,就需要對組合梁的變形進行準確計算。大量試驗和數值分析表明,在正常使用荷載作用下,鋼-混凝土組合梁中的鋼梁和鋼筋一般處于彈性工作階段,正彎矩區混凝土板的壓應變尚處于應力-應變曲線的上升段,負彎矩區的混凝土翼板雖然在荷載很小時就會發生開裂,但組成負彎矩區截面的鋼筋和鋼梁仍處于彈性狀態,因此組合梁的撓度一般按彈性理論計算。聶建國等采用折減剛度法計算了考慮滑移效應的組合梁剛度;Manfredi等對負彎矩作用下組合梁的變形進行了試驗研究;Nie等給出了基于彈性理論的負彎矩作用下組合梁的剛度和變形計算方法。周凌宇等采用非線性方法分析了箱形截面組合梁的承載力及剛度。Martinelli等針對部分連接下的彎剪組合梁,給出了考慮剪切效應和滑移效應的剛度矩陣。目前,各國規范在組合梁的截面剛度計算中都考慮到了截面形狀、截面尺寸、材料的變形模量以及鋼梁與混凝土板之間的相對滑移的影響,但在連續組合梁中,由于負彎矩區混凝土板的開裂,使組合梁沿跨度方向的抗彎剛度不再相等。歐洲規范4的處理方法是:在連續梁跨中支座15%跨長范圍內的抗彎剛度按開裂截面(只有鋼梁和鋼筋,不考慮混凝土板的作用)的剛度取值,其余部分的抗彎剛度仍按未開裂時的剛度取值。根據文獻的研究結果,我國的《鋼結構設計規范》規定:組合梁的撓度應按彈性方法進行計算,并應考慮混凝土翼板和鋼梁之間的滑移效應對組合梁抗彎剛度的折減,按折減剛度進行計算。文獻規定:對于連續組合梁,在距中間支座兩側各0.15L(L為梁的跨度)范圍內,不計受拉區混凝土對剛度的影響,但應計入翼板有效寬度范圍內配置的縱向鋼筋的作用。可以看出,以上規范在連續組合梁負彎矩區的抗彎剛度計算中都是直接采用換算截面法,完全忽略混凝土翼板的作用,按照鋼梁和鋼筋通過完全抗剪連接形成的截面來進行。但是,組合梁混凝土翼板開裂后,雖然在裂縫截面混凝土對承載力已經不起作用,但混凝土的存在使裂縫間鋼筋的應力減小,平均應變小于裂縫截面的應變,從而提高了構件的剛度,即產生了受拉剛化效應,尤其是對于高跨比較一般混凝土梁要小的鋼-混凝土連續組合梁,在實際中有時會出現撓度控制設計的情況,在達到極限撓度之前,荷載一般不會超過極限荷載的1/2,此時受拉剛化效應的影響更大,因此必須考慮這一因素的影響。本文作者對反向加載的簡支組合梁和連續組合梁進行了模型加載試驗,研究了負彎矩作用下組合梁的變形特征和截面剛度變化規律。在試驗研究的基礎上,考慮混凝土開裂后受拉剛化效應的影響,給出了鋼-混凝土連續組合梁截面剛度的計算公式,并與試驗值進行了比較。1試驗與研究1.1無黏結體外預應力組合梁的結構形式圖1所示為SCB1～SCB6尺寸及加載方式。設計了3根負彎矩加載的簡支組合梁(SCB1～SCB3)和3根2跨連續組合梁(SCB4～SCB6)。其中,SCB2和SCB5均為折線布筋的無黏結體外預應力組合梁。全部試件的鋼梁均為180mm×100mm的箱形截面梁。SCB1的鋼梁頂板厚度為8mm,底板厚度6mm,其余截面構造與圖1所示的構件截面相同。根據EC4的規定,鋼梁截面均為第I類截面,滿足塑性設計的要求。混凝土翼板截面為600mm×70mm,采用C30混凝土,板內配筋率均為1.36%。均為完全抗剪連接。1.2橫向加載scb3為模擬連續組合梁的負彎矩區,對簡支組合梁SCB1～SCB3采用跨中單點反向加載;對連續組合梁SCB4和SCB5在2個梁跨的三分點處用分配梁施加豎向集中荷載,SCB6則只在單跨加載。各梁加載模式如圖2所示。1.3預應力對scb3抗彎性能的影響簡支組合梁試件的破壞形態均為彎曲破壞,混凝土板受拉開裂退出工作,縱向受拉鋼筋屈服,鋼箱梁上翼緣受拉屈服,下翼緣發生局部屈曲而向內鼓曲,兩側腹板發生側向局部屈曲而向外鼓曲。SCB3為SCB2的試驗對比梁,施加預應力后,SCB2的開裂荷載和剛度明顯提高。連續組合梁試件均在中支座處首先屈服并形成第1個塑性鉸。隨著荷載不斷增加,在跨內靠邊支座集中加載點處形成第2個塑性鉸,梁達到承載力極限狀態,表現出典型的受彎破壞形態。破壞時跨中撓度較大,延性良好。預應力組合梁與對比組合梁相比,開裂荷載明顯提高,說明預應力對控制裂縫開展的作用非常明顯。SCB1～SCB6的荷載-撓度曲線見圖3。2組合梁抗拉剛化效應對于所做的6個鋼-混凝土組合梁試件,根據其計算跨度,可得簡支組合梁SCB1-SCB3的極限撓度為L/600=6mm,連續組合梁SCB4-SCB6的極限撓度為L/600=7.5mm。各組合梁正常使用階段的荷載撓度曲線見圖4。圖4中計算開裂前的荷載-撓度關系時假設在整個負彎矩區內混凝土未開裂,整個截面全部參加工作,在組合梁全梁范圍內均采用考慮滑移影響的未開裂截面的折減剛度;計算開裂后的荷載-撓度關系時假設整個負彎矩區內混凝土全部退出工作,只有鋼筋和鋼梁參加工作,在負彎矩區采用開裂截面剛度,在連續梁正彎矩區采用未開裂截面的折減剛度。折減剛度B可按下式確定:其中:η0為剛度折減系數,按文獻取值;B0為完全連接組合梁的截面剛度。由圖4可知:混凝土開裂之前,組合梁表現出良好的彈性特征,荷載撓度曲線與按裂前剛度計算的彈性曲線基本重合;混凝土發生初始裂縫后,裂縫截面混凝土退出工作,截面剛度下降,撓度突增,荷載撓度曲線發生明顯的轉折,由于裂縫之間混凝土仍可承受拉力,使截面平均剛度大于完全開裂截面的剛度,因此荷載-撓度曲線并未立刻偏移到按裂后剛度計算的荷載-撓度曲線,而是隨著裂縫的進一步發展而逐漸靠近,表現出明顯的受拉剛化效應。因此在使用荷載作用下,達到正常使用極限狀態之前,計算組合梁撓度時需考慮受拉剛化效應的影響,直接按裂后剛度進行計算過于保守。2.1拉狀態下混凝土構件截面剛度的影響在組合梁中,混凝土板在達到開裂彎矩后出現初始裂縫,隨后進入裂縫發展階段,隨荷載增大,裂縫逐漸增多,當裂縫基本“出齊”之后,裂縫發展進入穩定階段,裂縫間距基本不再變化,但裂縫寬度仍隨荷載的增大而增大,在此過程中,組合梁的截面剛度或慣性矩隨彎矩值的增大而減小,混凝土開裂之前的剛度I0是其上限值,開裂后的剛度Icr是其下限值。受拉剛化效應對受拉狀態下混凝土構件截面剛度的影響在各國的混凝土規范中均有所體現,主要有剛度解析法、受拉剛化效應修正法和有效慣性矩法。《美國鋼筋混凝土房屋建筑規范》(ACI318M—89)采用有效慣性矩法,規定在計算鋼筋混凝土構件撓度時(M>Mcr)時采用截面的有效慣性矩,在I0和Icr之間進行插入:其中:M為荷載作用下按彈性理論計算的截面彎矩;Mcr為開裂彎矩。在組合梁中,目前各國規范尚未給出組合梁在負彎矩區考慮受拉剛化效應的剛度計算方法,但由前述分析可知,組合梁在正常使用范圍之內所表現出的受拉剛化效應還是非常明顯的,由于實際中常見高跨比的組合梁在達到正常使用極限狀態之前完全可以采用彈性理論進行計算,且式(2)給出的有效慣性矩形式簡單,不需過多的試驗參數,故本文將其應用于鋼-混凝土組合梁負彎矩區的剛度計算中,以考慮受拉剛化效應的影響,不同于混凝土構件的是,組合梁的有效剛度要考慮柔性栓釘滑移效應的影響,將式(2)中剛度的含義進行修正,令Icr表示混凝土開裂后由鋼梁與鋼筋組合的有效換算截面對其重心軸的慣性矩,I0表示完全連接的組合梁在混凝土開裂前對其重心軸的換算截面慣性矩,并考慮組合梁的界面滑移效應,將I0修正為I0′:2.2混凝土帶孔結構根據試驗結果,組合梁翼緣在負彎矩作用下開裂時,混凝土與鋼梁的應力水平都比較低,應變分布符合平截面假定,可以應用彈性方法計算開裂彎矩Mcr。與鋼筋混凝土梁不同的是,組合梁開裂時除了受外荷載的影響之外,混凝土的收縮也起到重要作用,考慮到混凝土收縮的影響,文獻中給出了組合梁開裂彎矩的計算方法:式中:ftk為混凝土抗拉強度標準值;εsh為沒有外荷載時混凝土板形心高度處混凝土的收縮應變,計算中取200με;z0混凝土板形心至組合截面形心的距離;ys0為鋼梁形心至組合截面形心的距離;A0(28)A0g(10)Ac/nsc,A0g(28)As(10)Ag/nsg,nsc(28)Es/Ec,nsg(28)Es/Eg,As,Ac和Ag分別為鋼梁、混凝土板及板內縱向受拉鋼筋的面積;Es,Ec和Eg分別為鋼梁、混凝土板及板內縱向受拉鋼筋的彈性模量。2.3鋼-混凝土組合梁荷載撓度曲線根據以上分析,圖5所示為正常使用階段采用有效剛度計算的各組合梁荷載撓度曲線與試驗值的比較。由圖5可知:采用有效剛度計算的各組合梁荷載撓度曲線與試驗曲線非常吻合,說明由式(2)給出的有效剛度計算方法完全適用于鋼-混凝土組合梁負彎矩區的截面剛度計算,能很好地反映出受