孫才志，何嬌陽，梁 健

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610041)

0 引言

為提升行車舒適性,多跨梁橋常采用橋面連續(xù)構(gòu)造或連續(xù)梁結(jié)構(gòu),然而由于橋墩頂部區(qū)域橋面板承受較大的負彎矩作用,易致橋面板混凝土頂部峰值拉應(yīng)力增加,發(fā)生受拉開裂[1-2],造成橋梁結(jié)構(gòu)承載力和耐久性降低。為避免橋面板混凝土受拉開裂,一般采用在板負彎矩區(qū)段施加預(yù)應(yīng)力和配置加強鋼筋。但是預(yù)應(yīng)力混凝土橋面板的接縫多、自重大、預(yù)制吊裝節(jié)段數(shù)量多[3-5],增加了造價和工期,且接縫質(zhì)量難以保證;采用常規(guī)鋼-混凝土組合橋面板則預(yù)應(yīng)力構(gòu)造受橋面板高度限制[6-7],板內(nèi)難以滿足配置預(yù)應(yīng)力和負彎矩鋼筋所需空間。為了解決橋面板受負彎矩作用受力難題,在常規(guī)鋼-混凝土組合橋面板研究的基礎(chǔ)上[8-9],提出了等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板結(jié)構(gòu)型式。

為研究等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板在車載作用下的負彎矩受力性能,本文開展了該型橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計,并通過模型試驗,進行了3塊同規(guī)格組合橋面板的靜力試驗,測試在負彎矩作用下組合橋面板的變形性能、極限應(yīng)變和抗彎極限承載能力,提出了負彎矩承載能力實用計算公式,并與混凝土橋面板、常規(guī)混凝土組合橋面板進行比較分析。

1 新型鋼-混凝土組合橋面板設(shè)計

等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板設(shè)計由底鋼板、帶孔T型加勁肋、縱橫向受力鋼筋,以及混凝土組成,如圖1所示。該橋面板采用在底鋼板上澆筑低收縮輕質(zhì)高韌性混凝土,底鋼板和混凝土板間通過焊接于底鋼板上間距40 cm的帶孔T型肋連接,達到底鋼板和混凝土板協(xié)同受力效果,帶孔T型肋布置方向為橋面板主受力方向,混凝土板內(nèi)布置縱橋向和橫橋向受力鋼筋,橋面板厚度僅10 cm～15 cm且為等厚,取消了常規(guī)橋面板負彎矩區(qū)加厚承托構(gòu)造(見圖2)。底鋼板厚8 mm～10 mm,T型肋高度為8 cm～11 cm,T型肋翼緣寬度11 cm～13 cm,縱橫向鋼筋直徑12 mm～16 mm。

2 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 試件設(shè)計

為研究等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板構(gòu)造實際工作性能,開展足尺橋面板模型靜載和疲勞試驗。3塊試件板采用上述設(shè)計用橋面板板厚尺寸及構(gòu)造,試件平面尺寸選取實橋橋面板的支撐尺寸1 900 mm×400 mm,支承間距為1 800 mm,鋼筋采用HRB335熱軋螺紋鋼筋,橋面混凝土為C40鋼纖維混凝土,鋼板材質(zhì)為Q235B,各材料性能試驗結(jié)果見表1—表3。

表1 混凝土強度實測值 MPa

表2 鋼筋性能測定結(jié)果

表3 鋼板材料試驗結(jié)果

2.2 試件加載和測點布置

采用跨中三分點雙荷載加載方式開展試驗(如圖3所示),將試件模型翻轉(zhuǎn),對跨中底鋼板施加向下集中力,使試件處于負彎矩區(qū)段實際受力狀態(tài),邊界條件采用沿單向板短邊方向支承的簡支條件。試件根據(jù)設(shè)計荷載的10%進行分級加載,每級荷載持續(xù)10 min,動態(tài)測試結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)變;當試件加載到設(shè)計荷載的1.2倍后,采用位移控制,直至結(jié)構(gòu)喪失承載能力。

3 負彎矩試驗結(jié)果

3.1 試件破壞過程

等厚超薄鋼-混凝土組合橋面板試件跨中截面的荷載-位移關(guān)系如圖4所示,試件的荷載-位移曲線呈現(xiàn)出典型彎曲破壞模式,其受力過程為:

1)彈性階段(0 kN～30 kN):在荷載加載初期為彈性階段,荷載-撓度曲線呈線性關(guān)系,斜率反映了試件的初始剛度,鋼板、剪力鍵與混凝土共同工作,混凝土板內(nèi)無裂縫出現(xiàn)。

2)帶裂縫工作階段(30 kN～150 kN):此階段混凝土受拉側(cè)開始出現(xiàn)豎向和底面橫向裂縫,隨著荷載的增加,裂縫條數(shù)逐漸增多且向上發(fā)展,組合板剛度有一定程度的降低,但板截面應(yīng)變沿板厚仍然呈線性比例變化,表明該橋面板近似滿足“平截面假定”(見圖5)。

3)強化階段(150 kN～250 kN):鋼板與混凝土之間的協(xié)同工作減弱,試件撓度增長加快,混凝土裂縫向頂面擴展且裂縫逐漸加寬。

4)破壞階段(250 kN～280 kN):加載點位置處底鋼板受壓屈曲,與混凝土發(fā)生剝離,在荷載達到峰值后,試件的承載能力并未迅速喪失(見圖6),而是隨著承載力的下降變形迅速增長,表現(xiàn)為曲線平緩下降。橋面板試件裂縫分布圖見圖7。

3.2 力學(xué)性能指標分析

采用有限元軟件ANSYS對等厚超薄鋼-混凝土組合橋面板進行精細化模擬分析,計算模型采用耦合方式連接鋼板與混凝土,由圖8—圖11可知,鋼筋和T型肋均達到屈服應(yīng)力,混凝土達到最大抗壓強度,僅橋面板鋼底板最大應(yīng)力為36 MPa。

試件極限承載能力、屈服荷載、撓度的有限元計算值與試驗值對比結(jié)果如表4所示。

表4 鋼-混凝土組合橋面板有限元計算與試驗結(jié)果比較

由表4可見,試件極限承載能力、屈服荷載、撓度的有限元計算值均小于試驗值,結(jié)果偏差率為7%～15%,表明等厚超薄鋼-混凝土組合橋面板計算模型較為準確地模擬了橋面板受力。

4 承載能力計算方法

精細有限元計算和試驗結(jié)果表明,T型肋的布置使橋面板負彎矩區(qū)有效含筋率增加,截面中性軸向頂板側(cè)移動,橋面板負彎矩極限承載能力較采用傳統(tǒng)PBL加勁肋的鋼混組合橋面板顯著提升。基于負彎矩受彎試驗研究,驗證了等厚超薄鋼-混凝土組合橋面板的加載過程變形、應(yīng)力、裂縫等發(fā)展規(guī)律。根據(jù)平截面假定和力學(xué)平衡原理,通過計入T型加勁肋對負彎矩受力的貢獻,建立了等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板的截面抗彎承載能力計算公式如下:

工況1:當中性軸位于橋面板混凝土內(nèi)時,負彎矩抗彎承載力按式(1)計算,計算圖示見圖12。

(1)

工況2:當中性軸位于橋面板的底鋼板內(nèi)時,負彎矩抗彎承載力按式(2)計算,計算圖示見圖13。

(2)

根據(jù)上述公式計算橋面板負彎矩抗彎承載力,計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表5所示。

表5 負彎矩抗彎承載力計算結(jié)果對比

由表5可知,當材料性能取值與實測結(jié)果一致時,按照公式計算得到的負彎矩極限承載力與試驗實測承載力吻合度較好,偏差為1%～8%;若考慮材料安全儲備,將材料參數(shù)取為強度設(shè)計值,試驗實測承載力為公式計算值的1.27倍～1.36倍;表明利用上述公式計算等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板的截面負彎矩抗彎承載能力具有適宜的安全儲備,具有工程設(shè)計實用價值。

5 與常規(guī)橋面板對比

基于合理材料用量和負彎矩區(qū)橋面板受力狀態(tài)[10],對混凝土橋面板、普通鋼-混凝土組合橋面板、等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板進行了計算對比分析,分析結(jié)果見表6。

表6 橋面板的材料用量和負彎矩受力對比

與普通鋼-混凝土橋面板相比,由于取消橋面板負彎矩區(qū)加厚承托,等厚超薄T型肋鋼-混組合橋面板重量降低28%,負彎矩區(qū)橋面板受拉峰值應(yīng)力降低22%;同時,采用T型肋上翼板構(gòu)造增加了橋面板負彎矩區(qū)的有效含筋量,提升了橋面板負彎矩區(qū)承載能力30%以上,可以有效解決工程實踐中40 m～60 m跨徑橋梁橋面板負彎矩承載力低的難題。

6 結(jié)論

通過試驗研究和理論分析,得到主要結(jié)論如下:

1)負彎矩作用下等厚超薄T型肋鋼-混凝土組合橋面板呈現(xiàn)出典型彎曲破壞模式,破壞過程可分為:彈性階段、帶裂縫工作階段、強化階段和破壞階段。在65%極限承載力范圍內(nèi),橋面板近似滿足平截面假定。

2)T型肋構(gòu)造增加了橋面板負彎矩區(qū)的有效含筋量,取消常用橋面板負彎矩區(qū)的加厚承托,減輕了橋面板結(jié)構(gòu)自重,降低了負彎矩區(qū)橋面板彎曲內(nèi)力和受拉峰值應(yīng)力,提升了橋面板負彎矩抗彎承載能力,為橋梁橋面板負區(qū)段受彎開裂問題,提供了一種新的橋面板解決方案。

3)提出了該新型鋼-混凝土組合橋面板截面承載能力實用計算公式,公式計算值與試驗值偏差為1%～8%,吻合度較好,具有工程設(shè)計計算實用價值。