趙雪芹 古 松,2 王新龍

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621000；2.長(zhǎng)安大學(xué)舊橋檢測(cè)與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710061)

目前廢舊鉆桿應(yīng)用形式多為鉆桿平鋪在橋墩上，橫向進(jìn)行簡(jiǎn)單焊接。此種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，鉆桿截面剛度小，使用跨徑多為2～3 m，當(dāng)重型機(jī)械設(shè)備經(jīng)過(guò)時(shí)，橋梁撓度較大且端部鉆桿上翹明顯，車輛行駛安全性和舒適性差，不滿足實(shí)際工程需要，需要對(duì)新型的廢舊鉆桿結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，提高其使用跨徑，以更好地應(yīng)用于短跨橋涵工程中。

疊合梁結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的一種預(yù)制構(gòu)件，具有施工簡(jiǎn)便、工期短、造價(jià)低廉、整體性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)疊合梁的研究大都集中于混凝土材料中。結(jié)合疊合梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，文章以截面抗彎剛度較大的“品”字形鉆桿疊合梁為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析和疊合單梁室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其規(guī)范允許的最大承載力以及抱箍約束效果進(jìn)行研究。

1 廢舊鉆桿疊合梁構(gòu)造設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[1]指出，提高單梁截面剛度對(duì)整體鉆桿橋的撓度減小最有效?！捌贰弊中委B合梁，顯著增大了鉆桿單梁的截面剛度，但在荷載作用下疊合梁會(huì)發(fā)生彎曲變形，鉆桿之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，荷載較大時(shí)，下部鉆桿還會(huì)產(chǎn)生橫向位移，導(dǎo)致截面形狀改變，影響疊合梁整體性，減小其承載力。為減小這些因素的影響，在疊合梁中部設(shè)置抱箍，如圖1所示。抱箍和鉆桿之間設(shè)置5 mm厚橡膠墊，增大兩者局部摩擦力，提高整體性，構(gòu)成本文研究的廢舊鉆桿疊合梁(圖2)。此種結(jié)構(gòu)形式疊合梁發(fā)生彎曲變形時(shí)，理論上抱箍可以很好地限制下部?jī)筛@桿的橫向分離，保持其截面形狀基本不變，抱箍作用處產(chǎn)生的局部較大摩擦力對(duì)限制鉆桿之間的相對(duì)滑移有一定的作用，可以提高承載力。

圖1 抱箍橫截面Fig.1 The cross section of the hoop

圖2 廢舊鉆桿疊合梁Fig.2 The composite beam of waste drill pipes

2 組合梁撓度計(jì)算理論

國(guó)內(nèi)外常用組合梁形式為鋼-混凝土組合梁，它充分利用了混凝土抗壓及鋼梁的抗彎拉特性，在建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

2.1 鋼-混凝土組合梁撓度計(jì)算方法

目前已有大量針對(duì)鋼-混凝土組合梁撓度計(jì)算方法的理論和試驗(yàn)，撓度計(jì)算方法主要有換算截面法、折減剛度法、解析法。

(1)換算截面法。將鋼材和混凝土材料組成的實(shí)際截面按照它們彈模的比例關(guān)系進(jìn)行換算，形成一種勻質(zhì)截面后開(kāi)展計(jì)算。該法概念清晰、使用簡(jiǎn)單，我國(guó)原GBJ 17—1988《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》便是采用此方法。

(2)折減剛度法。聶建國(guó)[2]等考慮不同材料的組合梁發(fā)生彎曲變形時(shí)界面的相對(duì)滑移效應(yīng)，建立了微分方程，通過(guò)推導(dǎo)，得出了不同荷載作用下組合梁由于相對(duì)滑移效應(yīng)導(dǎo)致的變形的理論計(jì)算公式，進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)化以及修正，最終提出組合梁位移計(jì)算的折減剛度法。我國(guó)目前的GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》便采用了該方法。

(3)解析法。蔣麗忠和余志武等[3]開(kāi)展了集中荷載及均布荷載作用對(duì)組合梁的變形影響及滑移的研究，最終得出組合梁的撓度和滑移計(jì)算解析式。

以上3種方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。換算截面法概念清晰，使用簡(jiǎn)單方便，但忽略了組合梁材料接觸面之間的滑移效應(yīng)，導(dǎo)致截面抗彎換算剛度偏高，使得計(jì)算的撓度小于實(shí)際值，偏不安全。聶建國(guó)等提出的組合梁撓度計(jì)算的折減剛度法概念清晰，便于工程師對(duì)其掌握和應(yīng)用，然而，徐榮橋等[4]研究發(fā)現(xiàn)此法存在隨著抗剪連接程度增大截面抗彎剛度反而減小的情況。解析法計(jì)算準(zhǔn)確，但公式極為復(fù)雜，不便于推廣應(yīng)用。因此需要一種簡(jiǎn)單、精確的組合梁撓度計(jì)算方法。

2.2 有效剛度法

周東華[5]等針對(duì)聶建國(guó)提出的折減剛度法適用范圍有限、精確度不高的缺陷，結(jié)合Wang[6]的以抗剪切連接件剛度為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，提出了組合梁撓度計(jì)算的有效剛度法。上、下層梁軸向剛度是否發(fā)揮作用是此方法的核心。受力特點(diǎn)可以用兩彈簧的聯(lián)接模型形象表示，如圖3所示。

無(wú)剪切連接時(shí)，兩彈簧之間是斷開(kāi)的，上下截面相對(duì)自由移動(dòng)，剛性連接時(shí)，兩彈簧串聯(lián)在一起，疊合梁是一個(gè)完全整體結(jié)構(gòu)，此時(shí)，上、下截面的軸力達(dá)到最大值。彈性剪切連接時(shí)，在k1和k2之間又串聯(lián)了1個(gè)彈簧k3，k3為中部所有彈性剪切件的折減剛度。

圖3 3種剪切連接的彈簧力學(xué)模型Fig.3 Spring model for three types of connections

3個(gè)彈簧串聯(lián)后的剛度為：

(1)

式中EAeff為組合梁的有效軸向剛度，EcAc,EsAs分別為上、下層梁的軸向剛度。k3越大，EAeff越大，反之EAeff越小。利用公式(1)得到截面的有效軸向剛度EAeff，通過(guò)公式(2)確定組合系數(shù)β和全截面的有效抗彎剛度EIeff，繼而計(jì)算組合梁撓度。

(2)

式中d為上下層梁中性層之間的垂直距離，EI為無(wú)剪切連接時(shí)截面的抗彎剛度。

當(dāng)界面之間有多個(gè)彈性剪切連接件作用時(shí)，因?yàn)榛剖遣痪鶆虻?，滑移大的地方連接件發(fā)揮的作用大，反之小，所以要對(duì)連接件的剪切剛度進(jìn)行折減得到k3。曹興貴[7]等對(duì)彈性剪切件的布置和折減強(qiáng)度進(jìn)行研究，提出k3應(yīng)按公式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中K為單個(gè)剪切連接件的剛度；n為剪切連接件的個(gè)數(shù)；e為連接件沿梁長(zhǎng)的間距；1/π2為折減系數(shù)。

有效剛度法計(jì)算簡(jiǎn)便、力學(xué)概念清晰、計(jì)算精度高，其與精確解析解的誤差不超過(guò)1.0%，此外，還能給出組合系數(shù)的值，非常直觀地評(píng)價(jià)組合梁組合作用的大小。該方法對(duì)剪切連接件的剛度無(wú)任何限制，其變化范圍可以從趨近0到無(wú)窮大。本文對(duì)鉆桿疊合梁的理論計(jì)算將采用此方法。

2.3 鉆桿疊合梁撓度理論計(jì)算

材料參數(shù)：鉆桿外徑D=140 mm，內(nèi)徑d=100 mm，彈性模量E=2.1×105MPa，3根鉆桿彈性模量一樣。

(1)無(wú)剪切連接

無(wú)剪切連接時(shí)，鉆桿間光滑連接，在荷載作用下可自由滑移，上下梁?jiǎn)为?dú)工作，有各自的中性層，此時(shí)梁的截面抗彎剛度最小，梁之間按剛度之比分配集中荷載。疊合梁截面慣性矩Imin=4.17×10-5m4，跨中集中荷載作用下，根據(jù)《裝配式公路鋼橋》，8 m跨徑最大允許撓度ω=L/120=66.7 mm，對(duì)應(yīng)的跨中最大集中荷載54.9 kN。

(2)完全剛性連接

完全剛性剪切連接時(shí)，疊合梁是一個(gè)整體，此時(shí)截面抗彎剛度最大，截面慣性矩為Imax=11.47×10-5m4，8 m跨徑鉆桿疊合梁跨中允許最大撓度為ω=66.4 mm，最大集中荷載為149.9 kN。

(3)彈性剪切連接

疊合梁中部設(shè)置抱箍，可增大鉆桿之間及抱箍作用處摩擦力，約束鉆桿相對(duì)滑移，抱箍越多，約束效果越好，因此把抱箍等效為彈性剪切連接件，用有效剛度法對(duì)鉆桿疊合梁進(jìn)行變形計(jì)算。有抱箍作用時(shí)，局部力通過(guò)抱箍傳遞到橡膠墊，約束鉆桿的滑移，不考慮鉆桿之間的摩擦力作用。取板式橡膠支座[8]抗剪彈模G=1 MPa，與抱箍和鉆桿的接觸面積相乘，得出抱箍等效剪切剛度K=G×A=8.8×104N。鉆桿軸向剛度為EcAc=1.58×109N，EsAs=3.16×109N，和抱箍的等效剪切剛度相差5個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)大于抱箍的等效抗剪剛度，所以鉆桿軸向剛度基本不發(fā)揮作用，組合系數(shù)為0。

通過(guò)組合梁撓度計(jì)算的有效剛度法得出廢舊鉆桿疊合梁的最大承載力在54.9 kN(無(wú)剪切連接)和149.9 kN(完全剛性剪切連接)之間；抱箍等效剪切剛度較小，不足以使鉆桿軸向剛度發(fā)揮作用，對(duì)約束鉆桿之間的相對(duì)滑移無(wú)明顯作用。

3 鉆桿疊合梁試驗(yàn)

中部抱箍作用的廢舊鉆桿疊合梁實(shí)際工作狀態(tài)介于無(wú)剪切連接和完全剛性剪切連接之間，理論分析得出抱箍對(duì)約束鉆桿的相對(duì)滑移無(wú)明顯作用，所以對(duì)抱箍約束的“品”字型廢舊鉆桿疊合梁實(shí)際承載力無(wú)法用有效剛度法計(jì)算。下面通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)鉆桿疊合梁的實(shí)際承載力和抱箍約束效應(yīng)進(jìn)行研究。

3.1 荷載加載工況

試驗(yàn)采用液壓千斤頂進(jìn)行加載，采用地錨栓將支座與反力地坪錨在一起，防止支座翹起，如圖4所示。根據(jù)理論計(jì)算確定荷載加載等級(jí)：40 kN前每級(jí)加載8 kN，40 kN后每級(jí)加載5 kN，每級(jí)加載后穩(wěn)壓2 min，疊合梁充分變形后采集撓度數(shù)據(jù)，跨中撓度達(dá)到66.67 mm左右時(shí)，停止加載。逐級(jí)卸載，采集數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。試驗(yàn)主要測(cè)取跨中撓度數(shù)據(jù)，在疊合梁跨中安裝2個(gè)量程100 mm的電子數(shù)顯位移計(jì)，取平均值。

圖4 加載裝置Fig.4 The loading device

3.2 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)構(gòu)件共4組，凈跨8 m，中部分別設(shè)置0,1,3,5個(gè)中部抱箍(A-0,A-1,A-3,A-5)，沿梁長(zhǎng)均勻分布，如圖5所示。

圖5 抱箍數(shù)量設(shè)置Fig.5 Settings for the number of hoops

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

鉆標(biāo)疊合梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，荷載-撓度曲線如圖6所示。

表1 鉆桿疊合梁撓度數(shù)據(jù)Table 1 The deflection data of Composite beam of drill pipes

圖6 荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve

(1)由圖6看出，當(dāng)荷載較小時(shí)，4條曲線接近，隨著外荷載的增大，荷載-撓度曲線開(kāi)始有較明顯區(qū)別。可以得到荷載較小時(shí)，疊合梁變形小，抱箍無(wú)明顯作用，隨著荷載慢慢變大，變形隨之增大，抱箍開(kāi)始發(fā)揮作用，撓度曲線開(kāi)始有區(qū)別，隨著抱箍數(shù)量增多，疊合梁承載力有不同程度的提高。

(2)A-0構(gòu)件曲線較其它3條曲線線性關(guān)系較差，承載力最低，說(shuō)明在變形過(guò)程中其截面抗彎剛度發(fā)生了較大改變。由于A-0構(gòu)件中部沒(méi)有抱箍作用，隨著荷載的增大，疊合梁變形增大，下部鉆桿產(chǎn)生了較大的橫向位移，導(dǎo)致截面形狀發(fā)生改變，抗彎剛度減小，撓度增長(zhǎng)變快，最大承載力變小。試驗(yàn)最大荷載45 kN，比理論計(jì)算無(wú)剪切連接時(shí)的55 kN還小。

(3)A-1構(gòu)件較A-0構(gòu)件最大荷載提高了10 kN，且線性關(guān)系較好。因?yàn)樵谧冃巫畲蟮目缰形恢迷O(shè)置抱箍，限制了下部鉆桿的分離，保持截面形狀不變，提高承載力，跨中抱箍有關(guān)鍵作用。

(4)A-3構(gòu)件較A-1構(gòu)件最大承載力提高了10 kN，且線性關(guān)系很好，基本上為直線。隨著抱箍的增多可以更好地限制下部鉆桿之間的橫向位移，保持截面形狀不變，提高疊合梁整體性，增大承載力。最大承載力較無(wú)抱箍時(shí)提高了44.5%，較無(wú)剪切連接理論計(jì)算值提高了18%。

(5)A-3和A-5構(gòu)件曲線基本重合，說(shuō)明多設(shè)置的2個(gè)抱箍基本上沒(méi)有作用。抱箍增多可以增大鉆桿之間和抱箍作用處的摩擦力，但是和鉆桿的軸向剛度相比此力很小，不足以讓軸向剛度發(fā)揮明顯作用，所以抱箍對(duì)約束鉆桿之間相對(duì)滑移無(wú)明顯作用，和理論分析一致。

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)“品”字型廢舊鉆桿疊合梁理論分析和試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：(1)鉆桿疊合梁中部設(shè)置抱箍可以明顯提高其整體性，增大承載力。(2)8 m跨徑廢舊鉆桿疊合梁，沿梁長(zhǎng)均勻設(shè)置3個(gè)抱箍即可，承載力比無(wú)抱箍時(shí)提高了44.5%，繼續(xù)增加抱箍數(shù)量對(duì)承載力提高不明顯。根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)最大承載力，建議“品”字型抱箍約束的鉆桿橋使用跨徑不超過(guò)8 m。(3)抱箍的主要作用是限制下部鉆桿的橫向位移，保持截面形狀不變，提高承載力；跨中變形最大，跨中抱箍有關(guān)鍵作用。抱箍對(duì)約束鉆桿之間的相對(duì)滑移無(wú)明顯作用。(4)根據(jù)跨中撓度理論值與試驗(yàn)值對(duì)比可知，有效剛度法適用于不同截面形狀、不同跨徑的廢舊鉆桿疊合梁撓度計(jì)算。對(duì)于跨中抱箍約束的鉆桿疊合梁最大承載力取無(wú)剪切連接理論計(jì)算值的1.2倍；鉆桿之間可通局部焊接或剛度較大的彈性剪切連接件連接，提高其承載力，此時(shí)用有效剛度法進(jìn)行承載力和變形計(jì)算。