趙豪俊 徐海燕 許加其

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對(duì)公路橋梁的要求越來(lái)越高，橋面板作為橋梁的重要組成部分，直接影響了橋梁能否正常使用。現(xiàn)有橋面板出現(xiàn)大量的劣化情況［1］，在分析了各種橋面板加固的方法［2］，以及現(xiàn)有鋼—混凝土組合橋面的應(yīng)用后，結(jié)合波紋鋼這一材料，上官興教授提出了波紋鋼—鋼筋混凝土新型橋面板。

由于對(duì)這種橋面板無(wú)參考資料，所以本文通過(guò)探索性試驗(yàn)的形式對(duì)這種組合橋面板進(jìn)行了研究。由于受到場(chǎng)地，設(shè)備等條件的影響，試驗(yàn)工程采用應(yīng)力等效原則［3］并參考大量前人做組合板的試驗(yàn)［4-6］。研究波形鋼—鋼筋混凝土組合橋面板作為單向板，在簡(jiǎn)支狀態(tài)下兩點(diǎn)對(duì)稱加載的受力性能和破壞形態(tài)。

1 試件的制作

1.1 試件規(guī)格

試驗(yàn)設(shè)計(jì)一塊與實(shí)橋橫截面1∶1比例的波形鋼—鋼筋混凝土組合橋面板試件，試件以長(zhǎng)度為2 800 mm，寬度為600 mm，高度為150 mm，厚度為6 mm的波形鋼板為底板，并在其內(nèi)部鋪設(shè)HRB335鋼筋。組合橋面板構(gòu)件全長(zhǎng)2 800 mm，跨徑2 500 mm，板寬600 mm，板厚260 mm，其中波形板高150 mm，混凝土翼板高110 mm，在構(gòu)件的內(nèi)部鋪設(shè)。試驗(yàn)材料:425號(hào)普通硅酸鹽水泥，最大粒徑25 mm的連續(xù)級(jí)配的碎石，中砂，二級(jí)粉煤灰，超量系數(shù)取1.3，聚羧酸系列減水劑，減水率為28%，水灰比為3.1。

1.2 鋼筋布置

試驗(yàn)中選取的鋼筋為直徑16 mm的HRB335鋼筋，由于對(duì)這種異形板的認(rèn)識(shí)不夠，故按照鋼筋混凝土的構(gòu)件來(lái)布置鋼筋的位置:

1)為了協(xié)助底部鋼板和混凝土抵抗下部拉應(yīng)力，提升構(gòu)件的剛度和抗彎承載力，在波形鋼底板肋端縱向焊接2根鋼筋。

2)由于下部鋼板和鋼筋提供足夠的拉應(yīng)力，為防止其出現(xiàn)超筋破壞，在上部混凝土中縱向布置7根鋼筋，協(xié)助上部混凝土受壓。

3)對(duì)于用在實(shí)際中的橋面板來(lái)說(shuō)，必須考慮橫向分布的問(wèn)題，故在鋼板的頂部布置橫向分配筋，對(duì)集中荷載作用點(diǎn)的集中力分散，而且還可以防止溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的影響，還能固定上層縱筋。將其橫向布置在鋼板以上，與上部縱向鋼筋焊接，間距為100 mm，保護(hù)層厚度為25 mm，共29根。

4)當(dāng)波形鋼板作為連續(xù)板使用時(shí)，在其橫向方向也會(huì)承受很大的彎矩，但是在多個(gè)波段的連接處由于截面高度不夠可能引起橫向抗彎承載力不足，故在構(gòu)件波形鋼翼板之上橫向焊接600 mm長(zhǎng)的鋼筋，以提升其橫向抗拉能力，提升整體的受力性能。布置同橫向分布筋，共29根。

5)由于鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)中鋼板和混凝土的連接僅僅是依靠它們之間的化學(xué)粘結(jié)力，所以組合結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生縱向的剪切破壞，對(duì)于這種情況一般是依靠鋼板上的抗剪連接件的作用，但是在這個(gè)構(gòu)件的鋼板中沒有抗剪連接件，就沿板長(zhǎng)方向布置了豎向鋼筋，以抵抗它們的剪切滑移，同時(shí)，這些豎筋在剪跨段還能抵抗斜截面的破壞。豎筋分兩種，高度為134 mm和229 mm。高度134 mm豎筋布置在跨中位置共9根，間距100 mm，直接焊接在底部鋼板上，高度229 mm豎筋分別布置在構(gòu)件的兩側(cè)各10根。

6)為了提升構(gòu)件的抗剪承載力，在剪跨段布置了4根彎起鋼筋，彎起角為45°，布置在構(gòu)件兩端，底部與鋼板焊接。

2 試驗(yàn)測(cè)試和加載程序

2.1 試驗(yàn)測(cè)試

鋼板和混凝土表面均貼應(yīng)變片，內(nèi)部鋼筋的應(yīng)變片在澆筑混凝土前進(jìn)行粘貼，其余則在模型制作完后再粘貼。數(shù)據(jù)采集采用DH3815N靜態(tài)自動(dòng)電阻應(yīng)變儀，電腦自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)加載采用500 t液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)通過(guò)分配梁進(jìn)行，具體加載程序如下:

1)預(yù)加載:

0 kN→50 kN→100 kN，共重復(fù)加載三次，以消除非彈性變形，同時(shí)檢查儀表和機(jī)器的工作狀態(tài)。

2)靜載:

0 kN→400 kN按每級(jí)50 kN加載，以后每級(jí)按30 kN加載，觀察板的變形和是否有裂縫出現(xiàn)。

3)靜力破壞試驗(yàn):

參照加載程序2)，加載到設(shè)計(jì)荷載后，繼續(xù)加載至破壞。在各級(jí)荷載作用下，持荷5 min，進(jìn)行應(yīng)變和位移的測(cè)量，并仔細(xì)觀察變形及裂縫情況。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果分析

前期按50 kN加載，構(gòu)件處于彈性工作階段，當(dāng)加載至400 kN時(shí)，按每級(jí)30 kN加載，當(dāng)荷載達(dá)到460 kN時(shí)，底部鋼板的應(yīng)變達(dá)到1 261個(gè)微應(yīng)變，達(dá)到了鋼板的屈服應(yīng)變值，底部鋼板進(jìn)入屈服階段，繼續(xù)加載，在荷載達(dá)到640 kN時(shí)，構(gòu)件的左端出現(xiàn)了縱向相對(duì)滑移0.11 mm，再加一級(jí)荷載到670 kN時(shí)，距腹板高30 mm的波形鋼腹板位置達(dá)到屈服，并且突然發(fā)出縱向化學(xué)粘結(jié)破壞響聲。荷載到達(dá)730 kN之前，組合板的跨中撓度一直在緩慢增加，但在730 kN停荷時(shí)，跨中撓度在持續(xù)的增大，由此判斷此時(shí)構(gòu)件達(dá)到屈服，730 kN為構(gòu)件的屈服荷載。為了防止構(gòu)件的突然損壞破壞下部百分表，故撤掉百分表后繼續(xù)加載至構(gòu)件破壞。當(dāng)荷載達(dá)到1 070 kN時(shí)，構(gòu)件跨中區(qū)波形鋼翼緣上部混凝土出現(xiàn)微小裂縫，前后對(duì)稱。當(dāng)荷載達(dá)到1 150 kN時(shí)，左側(cè)剪跨區(qū)混凝土出現(xiàn)45°的斜裂縫，之后，對(duì)稱位置斜裂縫相繼出現(xiàn)，當(dāng)荷載達(dá)到1 210 kN時(shí)跨中純彎段受壓區(qū)混凝土壓碎，承載力下降，構(gòu)件并無(wú)大的下?lián)犀F(xiàn)象(見圖1)。

圖1 組合面板跨中截面應(yīng)變沿截面高度分布圖

構(gòu)件的撓度曲線在730 kN之前近似為一條直線，說(shuō)明構(gòu)件一直處在彈性階段，在730 kN時(shí)構(gòu)件在停荷狀態(tài)下，撓度不斷增大，進(jìn)入彈塑性階段。從圖2中可以看出，曲線的斜率在變小，這是因?yàn)橄虏炕炷吝_(dá)到極限強(qiáng)度產(chǎn)生了開裂，波形鋼板和混凝土產(chǎn)生了滑移，以及下部的部分波形鋼板已經(jīng)進(jìn)入屈服階段造成了構(gòu)件的剛度降低，所以撓度曲線斜率在變小。

圖2 構(gòu)件撓度變化曲線

構(gòu)件在屈服荷載時(shí)的撓度為10.41 mm，是計(jì)算跨徑的L/250。而根據(jù)JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，鋼筋混凝土受彎梁式構(gòu)件的最大撓度不應(yīng)超過(guò)計(jì)算跨徑的L/600，當(dāng)按照規(guī)范的要求使用時(shí)，此構(gòu)件的正常使用極限為400 kN，撓度為4.51 mm。由于構(gòu)件為鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)，按照GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，主梁的容許撓度值可以達(dá)到計(jì)算跨徑的L/400，此時(shí)正常使用的極限為520 kN，撓度為6.51 mm，又因?yàn)闃?gòu)件將作為板結(jié)構(gòu)來(lái)使用，所以在運(yùn)用橋梁規(guī)范時(shí)，可將范圍適當(dāng)擴(kuò)大。

最終的破壞特征:跨中撓度迅速的增大，在撤掉百分表之前，下?lián)蠟?0.41 mm。兩端的波形板和混凝土之間的縱向剪切滑移量一端為0.23 mm，另一端無(wú)滑移，滑移量較少。構(gòu)件跨中上部混凝土出現(xiàn)多條微小裂縫，長(zhǎng)度最長(zhǎng)6 cm。構(gòu)件剪跨區(qū)混凝土對(duì)稱出現(xiàn)微小斜裂縫，自下向上沿45°方向向加載點(diǎn)處延伸，長(zhǎng)度最長(zhǎng)為15 cm。最終跨中區(qū)混凝土被壓碎，總體判斷為構(gòu)件正截面受彎破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

1)隨著荷載增加，直到達(dá)到屈服荷載時(shí)，波形鋼板和混凝土的應(yīng)變沿截面高度分布基本保持直線，基本滿足平截面假定，因此在波形鋼—鋼筋混凝土組合橋面板的抗彎承載力計(jì)算時(shí)可以采用平截面假定。

2)在荷載作用的初期，下部波形鋼板和上部受壓區(qū)鋼筋、混凝土變形相協(xié)調(diào)，處于彈性工作狀態(tài)，組合截面的應(yīng)變沿高度方向呈現(xiàn)明顯線性變化(見圖3)，由此可知，組合結(jié)構(gòu)的整體工作性能良好。

圖3 底部鋼板荷載—應(yīng)變曲線

3)在荷載大于150 kN后，波形鋼底部測(cè)點(diǎn)的曲線有明顯的轉(zhuǎn)折，此時(shí)底部鋼板的應(yīng)變只用500個(gè)微應(yīng)變，應(yīng)力103 MPa，尚未達(dá)到屈服階段，但是下部混凝土的拉應(yīng)力卻達(dá)到了17.25 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.55 MPa，表明此時(shí)底部混凝土已經(jīng)出現(xiàn)了開裂，開裂部分的混凝土退出工作，將所承受的拉應(yīng)力傳給底部鋼板，使底部鋼板的應(yīng)力增加，應(yīng)變也就增大了。

4)加載直至破壞荷載1 210 kN，在這個(gè)過(guò)程中，波形鋼翼緣上部混凝土出現(xiàn)微小裂縫，波形鋼腹板陸續(xù)達(dá)到屈服，最終上緣混凝土被壓碎構(gòu)件破壞。

本文對(duì)波紋鋼—鋼筋混凝土組合橋面板的應(yīng)用提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

［1］ 韓學(xué)義.關(guān)于混凝土橋面板裂縫［J］.東北公路，2001(6):13-15.

［2］ 姚國(guó)文.橋涵維護(hù)與加固技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 姚振綱，劉祖華.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.

［4］ 聶建國(guó).鋼—混凝土組合梁結(jié)構(gòu)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［5］ 聶建國(guó)，余志武.鋼—混凝土組合梁在我國(guó)的研究及應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1999(12):66-68.

［6］ 易衛(wèi)華.閉口型壓型鋼板—混凝土組合板的試驗(yàn)研究［D］.北京:清華大學(xué)土木工程系，2003.