徐 晨 朱 勇 彭 瑋 李 華 甘 露

（1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092；2.上海浦興路橋建設(shè)工程有限公司，上海200120；3.上海城投航道建設(shè)有限公司，上海200082；4.上海市浦東新區(qū)建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，上海201206；5.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200125）

1 概 述

鋼-混凝土混合連續(xù)梁具有增大主梁跨越能力、改善邊中跨比例不協(xié)調(diào)時(shí)主梁的受力狀態(tài)、降低主梁高度等特點(diǎn)。由于鋼-混凝土混合梁具有較好的經(jīng)濟(jì)合理性、受力性能、技術(shù)可靠性，混合梁目前已經(jīng)應(yīng)用于斜拉橋、懸索橋、梁橋、拱橋等橋型中［1-5］。

結(jié)合段是保證混合主梁正常工作的關(guān)鍵，通?？捎蛇B接件、鋼承壓板、鋼筋混凝土組成，有時(shí)還包括預(yù)應(yīng)力鋼絞線。由于鋼材與混凝土間材料性能差異較大，鋼與混凝土梁段間剛度存在突變，傳力機(jī)理較為復(fù)雜，對(duì)混合梁的整體受力性能和極限狀態(tài)可能產(chǎn)生控制性影響，確保結(jié)合段構(gòu)造合理及受力安全對(duì)混合梁而言至關(guān)重要。

結(jié)合部主要可以分為有格室與無(wú)格室構(gòu)造形式兩大類(lèi)。有格室的構(gòu)造形式可以依據(jù)端承板的位置細(xì)分為前端承板、后端承板及其前后端承板3 種方式，并且在端承板上一般配置焊釘?shù)雀鞣N形式的連接件與混凝土結(jié)合。無(wú)格室結(jié)合的構(gòu)造形式依據(jù)端承板的位置有端承壓板、頂板、底板與端承板的組合等方式。

對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼混結(jié)合段的研究現(xiàn)狀［6-8］進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)鋼混結(jié)合段相關(guān)研究還存在一些問(wèn)題：①?lài)?guó)內(nèi)外鋼混結(jié)合段的研究主要以大跨徑纜索承重橋主梁為背景，混合連續(xù)梁中鋼混結(jié)合段研究相對(duì)較少，有關(guān)混凝土梁與組合梁間的鋼混結(jié)合段力學(xué)性能尚不明確；②已有鋼混結(jié)合段分析主要集中在結(jié)合段力學(xué)性能及傳力路徑特點(diǎn)，有關(guān)結(jié)合段破壞模態(tài)分析尚不全面；③采用有限元軟件對(duì)鋼混結(jié)合段進(jìn)行分析時(shí)，承載能力計(jì)算分析相對(duì)較少。

平申線航道（上海段）整治工程中泖港大橋位于大泖港航道，主橋?yàn)槿缱兏叨蠕?混凝土混合連續(xù)梁，總長(zhǎng)265 m，單幅橋?qū)?6 m?；旌现髁哼吙缈鐝?5 m，主跨135 m，主跨中間55 m為等高鋼箱組合梁，梁高3.2 m，頂板、底板及腹板厚分別為14 mm、16 mm 和14 mm。結(jié)合段主梁高3.2 m，鋼頂板、底板及腹板厚分別為20 mm，25 mm 和16 mm。組合箱梁與混凝土梁間通過(guò)結(jié)合段連接，結(jié)合段長(zhǎng)4.0 m、寬15.7 m，采用有格室與前后承壓板組合方式，采用了開(kāi)孔板及焊釘（Φ22 mm×150 mm）兩種連接件。前后承壓板厚50 mm。同時(shí)，結(jié)合段布設(shè)了預(yù)應(yīng)力。結(jié)合段立面構(gòu)造如圖1所示。

圖1 鋼混結(jié)合段立面構(gòu)造圖（單位：mm）Fig.1 Elevated view of steel-concrete hybrid joint（Unit：mm）

綜上所述，結(jié)合段是保證混合梁整體受力的關(guān)鍵，明確結(jié)合段的受力機(jī)理和破壞形式對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。泖港大橋主橋結(jié)合段包含了前、后端承壓板，開(kāi)孔板連接件，焊釘連接件，預(yù)應(yīng)力等。構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，傳力途徑及受力機(jī)理有待明確，為此本研究擬開(kāi)展相應(yīng)的靜力破壞試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件設(shè)計(jì)

以泖港大橋主橋結(jié)合段為基礎(chǔ)，按照結(jié)合段頂、底板應(yīng)力水平與原結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)部位吻合的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)制作結(jié)合段節(jié)段局部板件足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖2 所示。試驗(yàn)梁試件包含6.3 m 組合梁段、4 m 鋼-混結(jié)合段及6.3 m 混凝土主梁段，全長(zhǎng)16.6 m。主梁梁高1.2 m，混凝土梁段采用標(biāo)號(hào)為C55 的自密實(shí)混凝土，試驗(yàn)梁頂設(shè)有8 cm 標(biāo)號(hào)為C55 的混凝土層，梁寬80 cm，鋼-混凝土橋面板組合梁段的鋼板材質(zhì)為Q345。同理，試件中所施加的預(yù)應(yīng)力大小以確保結(jié)合段頂、底板應(yīng)力與實(shí)橋結(jié)構(gòu)頂、底板應(yīng)力吻合，且自重與預(yù)應(yīng)力組合作用下混凝土主梁標(biāo)準(zhǔn)段與混凝土主梁加強(qiáng)段交界面處頂、底板應(yīng)力均在-2 MPa 附近為準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉在試件混凝土澆筑完成養(yǎng)護(hù)2 周后進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)合段頂、底板應(yīng)力水平與原結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)部位吻合，試件預(yù)應(yīng)力頂板束采用1-Φ15.2 鋼束、底板束采用10-Φ15.2 鋼束，組合梁側(cè)預(yù)應(yīng)力束采用錨具錨固于后承壓板，并在混凝土主梁側(cè)采用千斤頂對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行單端張拉，張拉應(yīng)力為1 000 MPa。預(yù)應(yīng)力張拉采用頂板束與底板束交替張拉。

混凝土主梁段C55自密實(shí)混凝土試驗(yàn)當(dāng)天的立方體抗壓強(qiáng)度為65.9 MPa。鋼板的材性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)加載在同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)地震工程試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)梁兩端簡(jiǎn)支，跨中加載。在完成100 kN 預(yù)加載并卸載后，以50 kN 為一級(jí)進(jìn)行單調(diào)加載直至試件進(jìn)入彈塑性階段，后采用位移控制加載至試件破壞。

圖2 試件總體布置圖（單位：mm）Fig.2 Layout of specimens（Unit：mm）

表1 鋼板材性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Material properties of steel

試驗(yàn)梁在跨中、四分點(diǎn)以及結(jié)合段端部截面設(shè)置了位移計(jì)用于觀測(cè)荷載作用下的混合梁變形特點(diǎn)。在結(jié)合段區(qū)域內(nèi)的鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、焊釘以及鋼板上均布設(shè)了應(yīng)變片用于觀測(cè)荷載作用下結(jié)合段內(nèi)各部件的受力特點(diǎn)。試驗(yàn)過(guò)程中還詳細(xì)記錄了混凝土裂縫的發(fā)生與發(fā)展、最大裂縫寬度等。

圖3 結(jié)合段鋼構(gòu)件應(yīng)變片布設(shè)（mm）Fig.3 Strain distributions on steel parts of joint（mm）

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件破壞過(guò)程

圖4 試件加載狀態(tài)Fig.4 Loading status of test specimens

試驗(yàn)加載初期試件結(jié)合段混凝土裂縫長(zhǎng)度較短，主要集中在結(jié)合段混凝土下緣。隨著荷載的增大，混凝土梁在彎剪組合作用下裂縫的數(shù)量逐漸增加，自混凝土底緣沿豎向和斜向發(fā)展，裂縫寬度較小，最大裂縫長(zhǎng)約0.8 m。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)700 kN 時(shí)，如圖5（a）所示，組合梁段鋼板發(fā)出呲呲聲響，結(jié)合段附近混凝土裂縫繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)伴有新裂縫產(chǎn)生，最長(zhǎng)裂縫達(dá)1 m，裂縫分布范圍擴(kuò)大至距離鋼混結(jié)合面1.5 m 的混凝土主梁范圍內(nèi)。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)900 kN 時(shí)，如圖5（b）所示，結(jié)合段與混凝土梁交界面附近裂縫分布密集，裂縫寬度增大，最大可達(dá)8 mm。當(dāng)試驗(yàn)荷載增大至1 000 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)出巨大聲響，鋼混交界面處混凝土橋面板斷裂上拱，混凝土主梁段已有裂縫迅速發(fā)展并伴隨有新裂縫生成，混凝土主梁變截面處出現(xiàn)大量貫穿裂縫，裂縫寬度可達(dá)10 mm，底緣混凝土局部開(kāi)始剝離掉落，內(nèi)部鋼筋可見(jiàn)。繼續(xù)加載至1 060 kN 時(shí)，結(jié)構(gòu)變形迅速增大，跨中截面豎向位移快速增加；加載至1 195 kN 后，隨位移增大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的下?lián)希装寤炷亮芽p繼續(xù)發(fā)展，底板鋼筋受拉屈服，試件失效。上述破壞模式驗(yàn)證了結(jié)合段受力的可靠性，但也提示了結(jié)合段梁中結(jié)合段附近的混凝土可能是關(guān)鍵控制部位。

結(jié)合段與混凝土梁交界處頂、底部破壞細(xì)節(jié)如圖5（c）和圖5（d）所示，試件整體的極限狀態(tài)如圖4（b）所示。

圖5 試件裂縫發(fā)展與分布Fig.5 Crack development and distribution

3.2 荷載位移關(guān)系

圖6（a）所示為試件跨中及四分點(diǎn)處的荷載-撓度關(guān)系曲線。撓度曲線分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為彈性階段，持續(xù)范圍為從加載開(kāi)始至底板混凝土開(kāi)裂。在此過(guò)程中鋼板、混凝土、鋼筋應(yīng)力均較小，試件的豎向位移與荷載呈線性關(guān)系，撓度隨荷載增大而線性增大。當(dāng)試驗(yàn)荷載超過(guò)600 kN后，底部混凝土開(kāi)裂，試件進(jìn)入第二階段，即彈塑性階段。在此階段中，混凝土開(kāi)裂范圍逐漸擴(kuò)大，裂縫寬度逐漸增加，受壓區(qū)高度逐漸減小，截面剛度隨著混凝土開(kāi)裂退出工作逐漸減小，荷載位移曲線斜率逐漸減小，曲線趨于平緩，表明由于試件中部分混凝土開(kāi)裂或鋼筋屈服，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，撓度增速變大。圖6（b）所示為試件加載過(guò)程中試件撓度沿縱向的分布狀況。從撓度分布曲線可知，混凝土側(cè)的變形相比鋼組合梁側(cè)要大，最大值沒(méi)有發(fā)生在跨中加載點(diǎn)，而是偏向混凝土側(cè)，結(jié)合段混凝土側(cè)開(kāi)裂導(dǎo)致的剛度退化是其中的重要原因。

3.3 構(gòu)件應(yīng)力分布特性

圖6 加載中試件變形Fig.6 Specimen deformation

圖7 各級(jí)荷載作用下鋼頂板縱向應(yīng)變分布Fig.7 Longitudinal strain distribution at steel top flange

如圖7 所示，鋼頂板應(yīng)變自組合梁側(cè)往結(jié)合段后承壓板壓應(yīng)變逐步增大，在后承壓板所在截面壓應(yīng)變達(dá)到最大值，經(jīng)過(guò)后承壓板進(jìn)入結(jié)合段后應(yīng)力水平顯著降低，由于荷載由鋼板向混凝土傳遞以及前承壓板的支撐作用，兩承壓板間頂板應(yīng)變由壓應(yīng)力快速減小。整個(gè)加載過(guò)程中鋼頂板最大縱向壓應(yīng)力根據(jù)應(yīng)變換算后為-119 MPa，出現(xiàn)在1 200 kN荷載作用下后承壓板截面。

圖8 所示為各級(jí)荷載作用下鋼底板縱向應(yīng)變分布圖，可以看出，鋼底板應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的山峰狀分布：組合梁段鋼底板應(yīng)力由支點(diǎn)向結(jié)合段靠近時(shí)拉應(yīng)變逐漸增大，到達(dá)后承壓板所在截面時(shí)底板拉應(yīng)力達(dá)到最大，到達(dá)結(jié)合段后應(yīng)變逐步下降，在結(jié)合段端部截面達(dá)到最小值。整個(gè)加載過(guò)程中鋼頂板最大縱向拉應(yīng)力根據(jù)應(yīng)變換算后為164 MPa，出現(xiàn)在1 200 kN 荷載作用下后承壓板截面。

圖8 各級(jí)荷載下鋼底板縱向應(yīng)變分布Fig.8 Longitudinal strain distribution at steel bottom flange

圖9 所示為結(jié)合段鋼構(gòu)件格室內(nèi)開(kāi)孔腹板應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)力發(fā)展特點(diǎn)，可以看出，PBL 連接構(gòu)造附近腹板應(yīng)力水平根據(jù)應(yīng)變換算后在-85～37 MPa 之間，荷載作用下腹板處于彈性狀態(tài)。對(duì)于SW-1 測(cè)點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)荷載小于500 kN 時(shí)，壓應(yīng)變隨荷載線性增加；試驗(yàn)荷載達(dá)到500 kN 后，由于混凝土主梁變截面段裂縫發(fā)展，受拉區(qū)域向上延伸，SW-1處逐漸由受壓向受拉轉(zhuǎn)變，并在試驗(yàn)荷載達(dá)到1 200 kN 時(shí)測(cè)到最大拉應(yīng)力根據(jù)應(yīng)變換算后為19 MPa。SW-2～SW-4 測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在整個(gè)加載階段均表現(xiàn)出應(yīng)力與荷載呈正相關(guān)關(guān)系，且PBL 構(gòu)造附近腹板呈現(xiàn)出前箱室測(cè)點(diǎn)受拉，后箱室測(cè)點(diǎn)受壓的特點(diǎn)。

圖10 所示為距后承壓板不同距離截面混凝土縱向應(yīng)力分布，橫軸以混凝土主梁側(cè)為正，鋼主梁側(cè)為負(fù)?？梢钥吹?，混凝土頂板應(yīng)變分布呈明顯上凸，組合梁段混凝土頂板應(yīng)變由支點(diǎn)往跨中有增大的趨勢(shì)，到達(dá)距離后承壓板-1.2 m截面時(shí)，混凝土頂板應(yīng)變壓應(yīng)變達(dá)到最大并開(kāi)始減小，到前承壓板截面達(dá)到最小，說(shuō)明結(jié)合段內(nèi)鋼板與混凝土間協(xié)同作用性能良好。經(jīng)過(guò)前承壓板截面后，由于缺乏承壓板支撐，橋面板壓應(yīng)力開(kāi)始增大，并在混凝土梁側(cè)結(jié)合段端部截面達(dá)到最大，進(jìn)入混凝土梁增強(qiáng)段后壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為減小。

圖9 結(jié)合段鋼構(gòu)件格室內(nèi)開(kāi)孔腹板局部應(yīng)變發(fā)展Fig.9 Perforated web strain development

圖10 各級(jí)荷載下混凝土頂板縱向應(yīng)變分布Fig.10 Strain distribution on the concrete top flange

圖11 所示為距后承壓板不同距離截面混凝土距離頂部鋼板150 mm處的縱向應(yīng)變分布，橫軸以混凝土主梁側(cè)為正，鋼主梁側(cè)為負(fù)。可以看到，荷載作用下前、后承壓板間結(jié)合段混凝土梁側(cè)壓應(yīng)力根據(jù)應(yīng)變換算后均小于-10 MPa，經(jīng)過(guò)前承壓板后壓應(yīng)力增大，在前承壓板1.2 m處取得最大壓應(yīng)力，破壞荷載作用下最大壓應(yīng)力根據(jù)應(yīng)變換算后為-19 MPa。經(jīng)過(guò)最大壓應(yīng)變截面后梁側(cè)混凝土向受拉轉(zhuǎn)變，破壞荷載作用下，裂縫發(fā)展成為貫穿裂縫，在結(jié)合段端部截面取得最大拉應(yīng)力，局部效應(yīng)是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因。后兩級(jí)荷載作用下該測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片損壞失效。

圖11 各級(jí)荷載下混凝土梁側(cè)縱向應(yīng)變分布Fig.11 Strain distribution on the concrete web side

圖12 所示為圖2（a）中結(jié)合段部位3-3 截面在不同荷載等級(jí)下的截面應(yīng)變分布圖，可以發(fā)現(xiàn)截面的應(yīng)變分布與平截面假定基本吻合，提示結(jié)合段部位也可以按照梁理論來(lái)分析內(nèi)力。

圖12 圖2（a）中3-3截面應(yīng)變分布圖Fig.12 Strain distribution along 3-3 section in Fig.2（a）

4 結(jié) 論

本文以實(shí)際剛構(gòu)連續(xù)混合梁為工程背景，對(duì)雙承壓板結(jié)合段受力特點(diǎn)與傳力機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，總結(jié)結(jié)論如下：

（1）試件破壞于近混凝土主梁側(cè)結(jié)合段端部混凝土截面，荷載作用下破壞截面混凝土底板開(kāi)裂，受壓區(qū)高度減小，荷載向底板鋼筋傳遞，最終底板鋼筋受拉屈服導(dǎo)致試件破壞失效。上述破壞模式驗(yàn)證了結(jié)合段受力的可靠性，但也提示了結(jié)合段梁中結(jié)合段附近的混凝土可能是關(guān)鍵控制部位。

（2）極限狀態(tài)下結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)板件大部分均處于彈性階段，結(jié)合段具有較大的安全儲(chǔ)備。

（3）相比于組合梁段，鋼-混凝土結(jié)合面后鋼板拉壓應(yīng)力具有較大幅度的降低，同時(shí)結(jié)合段內(nèi)混凝土具有較大應(yīng)力，表明部分荷載由鋼板向混凝土傳遞、焊釘及開(kāi)孔板連接件參與傳力。結(jié)合段應(yīng)力過(guò)渡較為平滑，結(jié)合段具有較好的傳力性能。