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(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043)

0 引言

鋼-混凝土組合梁具有承載能力大、剛度大、自重輕等優(yōu)點，在橋梁結構中得到了廣泛應用。由于道路線形的要求，通常需要將組合梁橋設計為曲線組合梁橋，因此會產生彎剪扭的復合作用。曲線組合梁在鋼梁內部需設置橫向連接系，國外通常選用內部撐桿，即“桁架式”，我國則常采用橫隔板，即“隔板式”。

關于曲線組合梁的彎扭效應已有較多研究。Thevendran et al[1-2]對5片不同曲率的工字型簡支曲線組合梁進行了模型試驗和非線性分析；lee et al[3]分析了扭矩作用下雙T形截面組合梁的受力性能；Tan 和Uy[4-5]對8片工字型簡支曲線組合梁進行了彎扭試驗研究；Kim et al[6]研究了“桁架式”鋼-混凝土組合箱梁的彎扭相關作用；聶建國 等[7-8]和張彥玲 等[9]分別進行了“隔板式”鋼-混凝土直線組合箱梁的彎扭試驗?？梢钥闯觯壳瓣P于“隔板式”曲線組合梁的研究還很少，我國各種規(guī)范中也無具體規(guī)定。

針對隔板式鋼-混凝土曲線組合梁，進行了跨中集中荷載下的受力全過程加載試驗，測試了其典型截面鋼梁及混凝土板的應變、變形、以及結合面相對滑移規(guī)律，并分析了跨徑比(計算跨徑L與曲線半徑R的比值)和橫隔板數目對其產生的影響。

1 試驗設計及加載方案

1.1 試驗目的及內容

試驗目的是為了研究曲線組合梁的彎扭受力特性，以及跨徑比和橫隔板數目對其產生的影響。試驗內容包括：①不同跨徑比和橫隔板數目下曲線組合梁的破壞形態(tài)和極限承載力；②不同荷載水平下截面應變沿高度和寬度方向的分布規(guī)律；③結合面滑移變形分布規(guī)律。

1.2 試驗設計與制作

以跨徑比和橫隔板數目為參數，設計了6片鋼-混凝土簡支曲線組合梁?？缍染鶠? 000 mm，全長6 200 mm；混凝土板寬度為700 mm，厚度為70 mm；鋼梁高200 mm，下翼緣寬400 mm，上翼緣寬60 mm，上下翼緣厚度均為8 mm，腹板厚度6 mm。鋼梁均采用Q235鋼，混凝土板采用C30混凝土；縱筋與箍筋采用 HPB235鋼筋，縱筋橫向間距120 mm，配筋率0.81%；箍筋縱向間距100 mm，配箍率0.27%。栓釘直徑13 mm，高50 mm，布置在鋼梁腹板上方，每列34個，每片梁布置兩列，共68個，均為完全連接。各試驗梁沿跨度方向設置不同數量的橫隔板，厚6 mm。試驗梁參數見表1，截面尺寸見圖1。

表1 試驗梁參數

表1中各梁橫隔板的位置為：2塊橫隔板的均設置在梁端支座處；3塊橫隔板的設置在兩個梁端及跨中處；5塊橫隔板的設置在支座、跨中和兩個1/4跨度處。

圖1 試驗梁截面尺寸及布置詳圖(單位：mm)

1.3 試驗裝置及加載方案

各試驗梁均采用跨中加載。支承條件為一端設固定鉸支座，一端設活動鉸支座，每個支座下方均在鋼梁腹板位置設置傳感器以測試支座反力。CCB55梁由于跨徑比較大，在曲線內側支座出現負反力，因此設計了反力架，將曲線內側支座傳感器設置在腹板上方，其他五片試驗梁及CCB55梁曲線外側的支座傳感器均設置在腹板下方，見圖2和圖3。

荷載分級施加，初期每10 kN荷載記錄一次數據，并實時記錄跨中截面的荷載-撓度曲線，當曲線斜率開始發(fā)生變化時，荷載等級減小為5 kN。加載過程中注意檢查鋼梁是否屈服，及混凝土板的裂縫開展情況，當混凝土有明顯壓碎或撓度過大時停止加載。試驗過程中測試支座截面、L/8、L/4、3L/8和跨中截面(為避開加載位置，偏移20 cm)鋼梁及混凝土板應變、豎向及徑向位移、以及鋼梁與混凝土板之間的相對滑移。加載布置圖見圖4。測點布置圖見圖5。

圖2 支座布置圖(除CCB55梁) 圖3 CCB55梁支座布置圖 圖4 加載布置圖

圖5 測點布置圖(單位：mm)

2 試驗結果分析

2.1 破壞過程及受力特性

各試驗梁跨中截面的荷載-撓度曲線如圖6所示。

圖6 跨中荷載-撓度曲線的比較

由圖6可以看出：①不同跨徑比和橫隔板數目的試驗梁，其全過程受力特征均經歷了彈性階段-彈塑性階段-塑性階段的發(fā)展過程；②橫隔板數目相同時，直線梁的抗彎剛度、極限荷載和屈服荷載都最大，隨跨徑比增加上述指標均逐漸減小，跨徑比為0.5的CCB55梁最小，說明跨徑比的增大使曲線組合梁抗彎剛度下降，承載力降低；③跨徑比相同時，橫隔板數目的不同對曲線組合梁的整體彎曲受力性能影響不大，但從圖中仍能夠顯示只有兩個端橫隔板的CCB12梁的剛度較其他兩片有中橫隔板的CCB13和CCB15梁略有減小；而CCB13和CCB15梁之間則幾乎沒有差別。

5片曲線組合梁跨中截面的荷載-扭轉角曲線和荷載-徑向位移曲線如圖7和8所示。

圖7 跨中荷載-扭轉角曲線 圖8 跨中徑向荷載-位移曲線

由圖7可知，相同荷載下，隨著跨徑比的增大，跨中截面扭轉角也隨之增大，說明截面扭轉剛度隨跨徑比的增大而減??；跨徑比均為0.1，但橫隔板數目不同的3片梁曲線比較接近，只設兩個端橫隔板的CCB12梁扭轉剛度最小，但橫隔板數目對跨中截面扭轉角影響不大。

從圖8可知，相同荷載下，跨中截面的徑向位移隨著跨徑比的增大而增大；跨徑比均為0.1的3片梁因橫隔板數量不同，徑向位移也略有差別，隨著橫隔板數量的增加，徑向位移隨之減小。

2.2 應變測試結果

2.2.1 切向應變沿截面豎向的分布

六片試驗梁距跨中截面20 cm處在各級荷載下曲線外側的切向應變沿截面高度的變化如圖9所示，圖中Pu指極限荷載。

圖9 切向應變沿截面豎向的分布

由圖9可知：①在0.6Pu之前，切向應變沿截面豎向的分布近似為一條直線，到0.8Pu時鋼梁下翼緣的應變增加較多，但整體上切向應變沿截面豎向基本符合平截面假定；②雖然試驗梁均采用了完全連接，但從應變圖中可以看出，在鋼梁與混凝土結合面處，切向應變圖形都出現了不同程度的水平臺階，說明結合面存在相對滑移；③由于圖中所示為試驗梁曲線外側跨中截面附近的切向應變，因此從圖中大致可以看出，隨跨徑比增大，切向應變有增大的趨勢。

2.2.2 切向應變橫向分布

分析橫隔板數相同(均為5塊)，跨徑比不同的4片試驗梁(SCB、CCB15、CCB25、CCB55)，在50 kN跨中集中荷載作用下，鋼梁底板、混凝土板上表面和上層鋼筋(沿寬度方向共6根)的切向應變沿截面橫向分布的規(guī)律。

(1) 距跨中截面20 cm處。距跨中截面20 cm處沒有橫隔板，SCB、CCB15、CCB25、CCB55梁的切向應變如圖10所示，圖中橫坐標y表示橫截面上混凝土上表面或鋼梁下表面距曲線內側邊緣的距離，以下同。由圖10可知，在相同荷載下，距跨中截面20 cm處鋼梁底板、混凝土板上表面和上層鋼筋的切向應變均隨跨徑比的增大而增大，且沿截面寬度方向均表現出曲線內側較大，曲線外側較小的趨勢，與一般曲線梁豎向荷載下受力曲線外側大、內側小的受力特性有所區(qū)別。其中直線的SCB梁切向應變沿截面橫向基本對稱，但也呈現中間小兩端大，表現出一定的剪力滯現象。其他曲線梁則隨跨徑比的增大，切向應變沿截面橫向的不均勻性漸趨明顯。

圖10 距跨中截面20 cm處切向應變的橫向分布

(2)L/4截面處。L/4截面處設有橫隔板，該截面SCB、CCB15、CCB25和CCB55梁的切向應變如圖11所示。 由圖11可知，設有橫隔板的L/4截面，其鋼梁底板、混凝土上表面和上層縱筋的切向應變均隨跨徑比的增大而增大，除直梁SCB仍沿截面橫向基本為對稱分布外，其他三片梁均與沒有橫隔板的距跨中截面20 cm處截面的應變分布不同，呈現出內側小外側大的分布規(guī)律，這一點與一般曲梁在曲線內側應力小，外側大的彎扭耦合特征相同。

圖11 L/4截面切向應變的橫向分布

(3)3L/8截面處。3L/8截面處沒有橫隔板，處于有橫隔板的跨中截面和L/4截面之間，該截面SCB、CCB15、CCB25和CCB55梁的切向應變如圖12所示。 由圖12可知，3L/8截面的切向應變分布與有橫隔板的L/4截面有明顯差別。鋼梁底板、混凝土上表面和上層鋼筋的切向應變均表現出相反的分布規(guī)律，即曲線內側大，而曲線外側小，且隨跨徑比的增加，切向應變沿截面橫向分布的不均勻性增大。

圖12 3L/8截面切向應變的橫向分布

(4)L/8截面處。L/8截面處也沒有橫隔板，處于有橫隔板的L/4截面和支座截面之間。該截面SCB、CCB15、CCB25和CCB55梁的切向應變如圖13所示。由圖13可知，沒有橫隔板的L/8截面和3L/8截面相同，鋼梁底板、混凝土上表面和上層鋼筋的切向應變也表現出曲線內側大，曲線外側小的趨勢，且隨跨徑比的增大，切向應變沿截面橫向分布的不均勻性增大。

圖13 L/8截面切向應變的橫向分布

由以上分析可知，有橫隔板的L/4截面與沒有橫隔板的其他三個截面，其切向應變沿截面橫向的分布規(guī)律是不同的，有橫隔板時切向應變在曲線內側小，外側大，與一般曲線梁的受力規(guī)律相同，而無橫隔板處卻完全相反。這是由于曲線組合梁在豎向荷載下除產生豎向變形外，還產生扭轉變形和徑向變形，而橫隔板在扭轉和徑向變形過程中起到了一種彈性約束作用，在有橫隔板的位置，由于彈性約束的影響切向應力增大，而無橫隔板的位置處于相鄰兩個橫隔板產生的彈性約束之間，反而有一種“卸載”的趨勢，這種現象在曲線外側和曲線內側正好相反，因此出現有橫隔板處切向應力在曲線內側小外側大，而無橫隔板處則內側大外側小。無論有無橫隔板，切向應變隨跨徑比的增大而增大。

2.3 滑移測試結果

各試驗梁在L/8截面曲線外側鋼梁與混凝土板之間的相對切向滑移隨荷載的變化規(guī)律見圖14。

圖14 荷載-切向滑移曲線

由圖14可知：①對于跨徑比均為0.1的3片試驗梁，切向滑移非常接近，3條荷載-滑移曲線幾乎重合，其中CCB12梁由于橫隔板數量最少，滑移量與存在中橫隔板的CCB13和CCB15相比較大；②對于橫隔板數目相同(均為5塊橫隔板)，但跨徑比不同的4片試驗梁，在相同荷載下，隨著跨徑比的增大，相同位置的滑移逐漸增大。直線梁的最大滑移量最小，為0.63 mm；跨徑比為0.5的CCB55梁最大滑移量最大，為1.25 mm。

各試驗梁在不同荷載下切向滑移沿梁軸的分布規(guī)律如圖15所示，圖中橫坐標x表示距梁端的距離。

圖15 切向滑移沿軸向的分布

由圖15可以看出，隨著荷載增大，切向滑移隨之增大。6片試驗梁切向滑移沿梁軸的分布規(guī)律基本相同，由于切向滑移是栓釘受到鋼梁與混凝土板結合面上的水平剪力所致，而結合面水平剪力和梁截面豎向剪力之間存在線性關系，因此對于等截面梁，理論上切向滑移沿梁軸的分布與豎向剪力沿梁軸的分布規(guī)律相同。圖中顯示的切向滑移沿梁軸的分布規(guī)律與承受跨中集中荷載的試驗梁的豎向剪力基本相同，但由于支座處的反力增加了混凝土板與鋼梁結合面上的局部壓力，使摩擦力增大，抑制了該處的滑移，因此梁端滑移反而較小。

3 結論

以跨徑比和橫隔板數量為參數，進行了6片簡支曲線組合梁的模型試驗，所得的主要結論如下：

(1) 鋼-混凝土板曲線組合梁極限荷載、屈服荷載和跨中截面扭轉角均隨跨徑比的增加逐漸減小，說明跨徑比的增大使曲線組合梁抗彎剛度和抗扭剛度都隨之下降；橫隔板數目的不同對曲線組合梁的整體彎曲受力性能影響不大，但端橫隔板對跨中截面扭轉角影響較大，中橫隔板影響較小。

(2) 在0.6Pu之前，切向應變沿截面豎向的分布近似為一條直線，到0.8Pu時鋼梁下翼緣的應變增加較多，但整體上切向應變沿截面豎向基本符合平截面假定；在鋼梁與混凝土結合面處，切向應變圖形都出現了不同程度的水平臺階，說明結合面存在相對滑移；隨跨徑比增大，曲線外側切向應變有增大的趨勢。

(3) 有橫隔板的截面與沒有橫隔板的截面相比，其切向應變沿截面橫向的分布規(guī)律不同，有橫隔板時切向應變在曲線內側小，外側大，無橫隔板處則相反；無論有無橫隔板，切向應變均隨曲梁跨徑比的增大而增大。

(4) 鋼梁與混凝土板結合面上的切向滑移隨跨徑比的增大而增大，橫隔板數目對其影響很小。切向滑移沿梁軸的分布規(guī)律與承受跨中集中荷載的試驗梁的豎向剪力基本相同，但由于支座處的反力增加了混凝土板與鋼梁結合面上的局部壓力，使摩擦力增大，抑制了該處的滑移，因此梁端滑移反而較小。

參 考 文 獻

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