钢—混凝土组合连续梁裂缝的试验研究

周庆东

1 概述

简支组合梁桥能充分发挥钢材抗拉和混凝土抗压强度高的材料特性,但连续组合梁桥作为一种超静定结构在其中间支点附近区域内承受负弯矩,使混凝土桥面板因承受较大拉应力而开裂,引起钢筋及钢梁腐蚀等严重问题,影响了结构的承载能力和耐久性。因此,有必要对负弯矩区混凝土板开裂机理进行细致研究,以利于采取有效措施防止裂缝的产生或发展,来保证组合结构桥梁优越性的充分发挥,促进它在我国的应用和发展。

本文在试验的基础上,对钢—混凝土组合连续梁有关裂缝的问题进行了研究。

2 试验研究

本次试验共进行3根(SCB1,SCB2,SCB3)钢—混凝土组合梁的模型试验。考虑到实验室空间和加载设备的能力,根据简化塑性理论进行截面设计,将试验梁设计成2×2.9 m的两跨连续组合梁,采用完全剪力连接,试件编号分别为SCB1,SCB2和SCB3。试验梁截面形式如图1所示。

试验加载装置如图2所示。每级荷载加载完成时,要仔细查看试验梁是否出现裂缝。在小于0.7Pu(Pu为塑性极限荷载)前每间隔5 kN量测混凝土的最大裂缝宽度;其后连续加载至梁的破坏。同时通过混凝土和钢梁上的电阻应变片和位移计自动量测各点的应变值或变形值。

试验中可以发现,在荷载达到大概0.17Pu时,首先在中支座负弯矩截面附近的混凝土翼缘上表面中部出现第一条裂缝,并向板边缘发展。裂缝在宽度小于0.7 mm以前发展缓慢,钢筋处于弹性阶段;当裂缝宽度大于0.7 mm以后,部分梁的钢筋已经屈服,裂缝发展迅速,很快超过1.6 mm,同时梁的刚度急剧下降,达到或接近极限承载力。

3 开裂弯矩

现行的组合梁的弹性分析方法是把组合梁截面换算成同一种材料的截面,再根据材料力学的公式进行计算。

在计算中采用以下假定:

1)变形符合平截面假定;2)钢材与混凝土为理想的弹性体;3)钢与混凝土相互之间的连接是可靠的,虽有较微小的滑移,可忽略不计;4)受拉区混凝土不提供抗拉作用。

截面换算根据总正应力不变和正应变相同的条件,将面积为Ac,弹性模量为 Ec,在应力σc时有应变εc的混凝土部分换算成弹性模量为 Es,在应力为σs时有应变εs的等价钢截面As,即:

其中,αE为钢材的弹性模量Es与混凝土弹性模量Ec的比值,即Es/Ec在此等价原则下退出的截面面积和应力的等价关系为:

式(3)的意义是:若将由等价钢截面求得的钢材的应力σs除以αE,则又可还原到原来的混凝土应力σc。

式(4)的意义是:根据应变相同且总内力不变的条件,将混凝土单元的面积 Ac除以αE即可将混凝土截面部分换算成与之等价的钢截面。

开裂弯矩:

其中,ftk为混凝土的轴心抗拉强度;I0为中支座截面对中性轴的惯性矩。

模型梁开裂荷载实测值与计算值对比如表1所示。

表1 模型梁开裂荷载对比表 kN

4 结语

结果表明,影响组合梁裂缝的因素比较复杂,需要采取有效的措施加以控制。同时,结合试验和理论分析,进一步完善了钢—混凝土连续组合梁混凝土翼缘开裂弯矩和最大裂缝宽度的计算方法,计算结果与实测值吻合较好。

[1]聂建国.钢—混凝土组合梁结构:试验、理论与应用[M].北京:科学出版社,2005.

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