魯薇薇

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

組合結(jié)構(gòu)中的連接構(gòu)造是確保鋼與混凝土之間共同受力的關(guān)鍵構(gòu)造,對(duì)組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能具有重要影響[1]。目前組合結(jié)構(gòu)通常通過機(jī)械連接、界面摩擦和粘合連接三種方式實(shí)現(xiàn)鋼與混凝土之間的連接[2-4]。

梁端布置空間局促,鋼與混凝土的結(jié)合面積有限,既要滿足結(jié)構(gòu)受力的傳遞,又要保證橫梁混凝土的施工質(zhì)量,因此必須在此處采用緊湊、高效的連接方式。為此,研究團(tuán)隊(duì)在既有鋼與混凝土連接方式的基礎(chǔ)上,提出了現(xiàn)澆鋼骨混凝土和剪力釘協(xié)同的型鋼-混凝土組合梁梁端連接新型構(gòu)造。

橋梁運(yùn)營(yíng)期間,梁端可能要承受伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)、上翹和錯(cuò)動(dòng)等作用效應(yīng),處于彎、剪、扭復(fù)合受力狀態(tài)。但國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用的推出試驗(yàn)無法較為真實(shí)地模擬梁端構(gòu)造實(shí)際受力狀態(tài),目前關(guān)于復(fù)雜受力狀態(tài)下組合結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造受力連接性能的研究不足。文章通過開展工程橋梁梁端局部結(jié)構(gòu)形式和實(shí)際受力狀態(tài)子結(jié)構(gòu)足尺模型試驗(yàn)研究,分析現(xiàn)澆鋼骨混凝土和剪力釘協(xié)同的型鋼-混凝土組合梁梁端構(gòu)造連接力學(xué)性能,并針對(duì)試驗(yàn)和工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題,探究梁端構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,從而提升該種新型組合梁梁端構(gòu)造的工程實(shí)用性,并為該種梁端構(gòu)造的推廣應(yīng)用提供研究參考。

1 工程概況

以某座位于遼寧省凌源—興城線上的上部改建工程橋梁為依托,該橋采用熱軋H型鋼-混凝土組合梁替換原有空心板梁,開創(chuàng)熱軋H型鋼組合梁技術(shù)在我國(guó)公路橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)用的先例。該橋全長(zhǎng)67.2m,橋梁跨徑布置為13.2m+3m×13m+13.2m,該橋橫向設(shè)置7片熱軋H型鋼主梁,主梁間距為1.9m,上部改建后橋面板凈寬由原來的9m增至12m,橋面橫坡為雙向1.5%。橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí),橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年。由于重載車輛通行需要,橋梁汽車荷載等級(jí)設(shè)計(jì)為1.3倍公路-I級(jí)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖1所示為型鋼-混凝土端部橫向局部模型的構(gòu)造形式,該試驗(yàn)?zāi)Ｐ突具€原依托工程橋梁沿縱向3.08m、沿橫向3.8m(雙型鋼)局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式,主要由RC端橫梁、2片熱軋H型鋼主梁、混凝土橋面板,橋面板連接剪力釘及橫梁連接剪力釘組成。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎玫臒彳圚型鋼主梁與依托工程橋梁使用的熱軋H型鋼主梁,由專業(yè)鋼材生產(chǎn)制造廠家同批生產(chǎn)制作。試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂玫幕炷?C40補(bǔ)償收縮混凝土)和鋼筋(HRB400)均依照依托工程橋梁選用。端橫梁與橋面板鋼筋綁扎,混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)均在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

圖1 型鋼-混凝土端部橫向局部模型構(gòu)造形式(單位:mm)

2.2 加載方案

試驗(yàn)加載系統(tǒng)(見圖2)主要由PC加載臺(tái)座、反力架、加載設(shè)備以及三者之間的連接、傳力裝置構(gòu)成。試驗(yàn)加載時(shí),加載設(shè)備通過鋼橫梁將試驗(yàn)反力傳遞給反力架,反力架通過鋼立柱將荷載傳遞給PC加載臺(tái)座。

圖2 試驗(yàn)加載系統(tǒng)、加載設(shè)備及試驗(yàn)加載實(shí)景圖

試驗(yàn)采用YDT2000/31.5-300型頂推千斤頂(見圖2)進(jìn)行加載,千斤頂推力2080.6kN,拉力1091kN,行程300mm,千斤頂傳感器為BK-1B型傳感器,量程200t,精度等級(jí)0.5。

如圖2所示,此次試驗(yàn)采用單點(diǎn)加載,加載點(diǎn)位于端橫梁跨中梁寬中心頂部。試驗(yàn)采用分級(jí)加載和逐級(jí)卸載方式,每級(jí)加(卸)荷載時(shí)間通常在10～15min。

2.3 測(cè)試方案

試驗(yàn)采用電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)記錄試驗(yàn)荷載作用下梁端構(gòu)造受力連接性能,觀測(cè)各級(jí)荷載作用下裂縫發(fā)生、發(fā)展、分布及走向。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 典型裂縫

由于端橫梁彎剪復(fù)合區(qū)斜向主拉應(yīng)力超過橫梁混凝土抗拉強(qiáng)度,出現(xiàn)大致平行于支座中心與加載點(diǎn)連線的一條斜裂縫,見圖3(a)。

圖3 典型裂縫分布圖

加載點(diǎn)下方混凝土局部承壓效應(yīng)顯著,導(dǎo)致承壓面周圍混凝土承受較大拉應(yīng)力作用,端橫梁側(cè)面出現(xiàn)由頂部向下延伸較短、分布相對(duì)較密的豎向裂縫,見圖3(b)。

在端部橫梁頂面壓力荷載作用下,加載點(diǎn)下方橫梁頂面出現(xiàn)明顯的局部承壓效應(yīng),導(dǎo)致加載點(diǎn)附近區(qū)域橋面板混凝土承受較大橫、縱向拉應(yīng)力作用,當(dāng)橫、縱向拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),在橋面板頂面出現(xiàn)多條由加載點(diǎn)斜向開展的裂縫,見圖3(c)。

3.2 連接構(gòu)造應(yīng)變

圖4和圖5分別給出了端橫梁內(nèi)型鋼段腹板下緣的荷載-應(yīng)變曲線和橫梁連接剪力釘?shù)暮奢d-拉拔應(yīng)變曲線。

圖4 端橫梁內(nèi)型鋼段腹板下緣的荷載-應(yīng)變曲線

圖5 橫梁連接剪力釘?shù)暮奢d-拉拔應(yīng)變曲線

由圖4可知,端橫梁內(nèi)型鋼段腹板上產(chǎn)生豎向壓應(yīng)變和縱向拉應(yīng)變,且其豎向受壓特征更為顯著;腹板下緣分布豎向壓應(yīng)變較腹板中部要高。端橫梁內(nèi)型鋼段腹板下緣的荷載-應(yīng)變曲線在300～400kN加載階段出現(xiàn)明顯突變,腹板下緣沿豎向(縱向)壓(拉)應(yīng)變變化相對(duì)初期有所減緩,進(jìn)入近似線性變化階段。隨后的加載階段,曲線斜率有所起伏,但變化并不明顯;加載至1200kN時(shí),最大豎向壓應(yīng)變約為-125με,最大縱向拉應(yīng)變約為93με。

從圖5可以看出,橫向連接剪力釘拉拔應(yīng)變沿型鋼腹板上緣至下緣呈遞減趨勢(shì)分布。對(duì)于位于腹板上緣的剪力釘,加載至600kN時(shí),其周圍混凝土拉應(yīng)變達(dá)到50με,逼近混凝土抗拉強(qiáng)度而即將開裂;在600～700kN加載階段,剪力釘周圍混凝土拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)開裂;隨著施加荷載的增大,剪力釘拉拔力不斷增大,剪力釘周圍混凝土裂縫不斷延伸擴(kuò)展,混凝土約束作用逐步退化,當(dāng)加載至1000kN時(shí)達(dá)到臨界點(diǎn),剪力釘周圍大部分混凝土由于開裂退出工作;在1000～1100kN加載階段,剪力釘拉拔應(yīng)變隨荷載增長(zhǎng)而急劇減小,由93με降至45με,混凝土對(duì)剪力釘拉拔變形的約束作用嚴(yán)重退化;在1100～1200kN加載階段,剪力釘拉拔應(yīng)變隨荷載增長(zhǎng)進(jìn)一步減小。

對(duì)于位于腹板下緣剪力釘,加載至1000kN時(shí),由于其周圍混凝土承受拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)開裂,部分混凝土退出工作;在1000～1100kN加載階段,隨著剪力釘周圍混凝土裂縫開展,混凝土約束作用有所退化,剪力釘拉拔應(yīng)變呈現(xiàn)出隨外加荷載增大而減小的現(xiàn)象,由56με降至36με;在1100～1200kN加載階段,剪力釘拉拔應(yīng)變隨荷載增大而略有增長(zhǎng),表明混凝土裂縫處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),其對(duì)剪力釘拉拔變形的約束作用未隨荷載增大而進(jìn)一步退化。

4 梁端構(gòu)造受力行為特征及優(yōu)化

4.1 連接構(gòu)造受力行為特征

橫梁內(nèi)設(shè)置的無上翼緣型鋼段承受了扭轉(zhuǎn)、橫縱向彎曲、剪切、支座及橫梁混凝土約束等綜合效應(yīng)。

橫向連接剪力釘承受沿縱向、豎向剪切作用和沿橫向的拉拔作用,且位于腹板上緣首排橫梁連接剪力釘承受的剪切、拉拔作用更為顯著。

橫梁內(nèi)型鋼段和橫梁連接剪力釘自身保持了較好的受力狀態(tài),梁端構(gòu)造連接性能退化主要表現(xiàn)為包裹混凝土局部損傷,從而削弱端部橫梁對(duì)型鋼腹板及其上剪力釘?shù)募s束作用。

4.2 梁端構(gòu)造優(yōu)化

針對(duì)梁端構(gòu)造連接性能試驗(yàn)和工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題,提出型鋼-混凝土組合梁梁端構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)方案:

(1)對(duì)端部橫梁斷面形式進(jìn)行優(yōu)化,將橫梁中性層設(shè)置在橋面板厚度以外區(qū)域。

(2)在運(yùn)營(yíng)車輛荷載作用下,端部橫梁承受反復(fù)扭轉(zhuǎn)效應(yīng),易產(chǎn)生沿橫梁跨度方向的水平裂縫和沿橫梁高度方向的豎向裂縫。因此,適當(dāng)加強(qiáng)端橫梁在彎、剪、扭復(fù)合受力區(qū)域抗扭鋼筋及構(gòu)造鋼筋配置。

(3)普通混凝土的抗拉性能較差,導(dǎo)致其對(duì)剪力釘拉拔和剪切的約束作用相對(duì)較弱,在布置剪力釘區(qū)域設(shè)置混凝土后澆帶,并采用抗拉性能較強(qiáng)的高性能混凝土,增強(qiáng)梁端構(gòu)造連接力學(xué)性能,從而充分發(fā)揮鋼-混凝土組合梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

現(xiàn)澆鋼骨混凝土和剪力釘協(xié)同的組合梁梁端連接新型構(gòu)造的形式合理,可以滿足中小跨徑組合梁橋設(shè)計(jì)要求,同時(shí)該構(gòu)造增強(qiáng)了橋梁結(jié)構(gòu)整體受力性能,避免梁端銹蝕劣化等問題。結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際,可對(duì)端部橫梁進(jìn)行斷面優(yōu)化,增強(qiáng)端部橫梁在彎、剪、扭復(fù)合受力區(qū)域的抗扭鋼筋及構(gòu)造鋼筋配置,在剪力釘布置區(qū)域增設(shè)摻入鋼纖維的高性能混凝土后澆帶。