波钢—钢筋混凝土组合桥面板承载力试验研究

赵豪俊 徐海燕 许加其

0 引言

随着我国经济快速发展，对公路桥梁的要求越来越高，桥面板作为桥梁的重要组成部分，直接影响了桥梁能否正常使用。现有桥面板出现大量的劣化情况［1］，在分析了各种桥面板加固的方法［2］，以及现有钢—混凝土组合桥面的应用后，结合波纹钢这一材料，上官兴教授提出了波纹钢—钢筋混凝土新型桥面板。

由于对这种桥面板无参考资料，所以本文通过探索性试验的形式对这种组合桥面板进行了研究。由于受到场地，设备等条件的影响，试验工程采用应力等效原则［3］并参考大量前人做组合板的试验［4-6］。研究波形钢—钢筋混凝土组合桥面板作为单向板，在简支状态下两点对称加载的受力性能和破坏形态。

1 试件的制作

1.1 试件规格

试验设计一块与实桥横截面1∶1比例的波形钢—钢筋混凝土组合桥面板试件，试件以长度为2 800 mm，宽度为600 mm，高度为150 mm，厚度为6 mm的波形钢板为底板，并在其内部铺设HRB335钢筋。组合桥面板构件全长2 800 mm，跨径2 500 mm，板宽600 mm，板厚260 mm，其中波形板高150 mm，混凝土翼板高110 mm，在构件的内部铺设。试验材料:425号普通硅酸盐水泥，最大粒径25 mm的连续级配的碎石，中砂，二级粉煤灰，超量系数取1.3，聚羧酸系列减水剂，减水率为28%，水灰比为3.1。

1.2 钢筋布置

试验中选取的钢筋为直径16 mm的HRB335钢筋，由于对这种异形板的认识不够，故按照钢筋混凝土的构件来布置钢筋的位置:

1)为了协助底部钢板和混凝土抵抗下部拉应力，提升构件的刚度和抗弯承载力，在波形钢底板肋端纵向焊接2根钢筋。

2)由于下部钢板和钢筋提供足够的拉应力，为防止其出现超筋破坏，在上部混凝土中纵向布置7根钢筋，协助上部混凝土受压。

3)对于用在实际中的桥面板来说，必须考虑横向分布的问题，故在钢板的顶部布置横向分配筋，对集中荷载作用点的集中力分散，而且还可以防止温度应力和收缩应力的影响，还能固定上层纵筋。将其横向布置在钢板以上，与上部纵向钢筋焊接，间距为100 mm，保护层厚度为25 mm，共29根。

4)当波形钢板作为连续板使用时，在其横向方向也会承受很大的弯矩，但是在多个波段的连接处由于截面高度不够可能引起横向抗弯承载力不足，故在构件波形钢翼板之上横向焊接600 mm长的钢筋，以提升其横向抗拉能力，提升整体的受力性能。布置同横向分布筋，共29根。

5)由于钢—混凝土组合结构中钢板和混凝土的连接仅仅是依靠它们之间的化学粘结力，所以组合结构很容易发生纵向的剪切破坏，对于这种情况一般是依靠钢板上的抗剪连接件的作用，但是在这个构件的钢板中没有抗剪连接件，就沿板长方向布置了竖向钢筋，以抵抗它们的剪切滑移，同时，这些竖筋在剪跨段还能抵抗斜截面的破坏。竖筋分两种，高度为134 mm和229 mm。高度134 mm竖筋布置在跨中位置共9根，间距100 mm，直接焊接在底部钢板上，高度229 mm竖筋分别布置在构件的两侧各10根。

6)为了提升构件的抗剪承载力，在剪跨段布置了4根弯起钢筋，弯起角为45°，布置在构件两端，底部与钢板焊接。

2 试验测试和加载程序

2.1 试验测试

钢板和混凝土表面均贴应变片，内部钢筋的应变片在浇筑混凝土前进行粘贴，其余则在模型制作完后再粘贴。数据采集采用DH3815N静态自动电阻应变仪，电脑自动采集数据。

2.2 试验加载

试验加载采用500 t液压式压力试验机通过分配梁进行，具体加载程序如下:

1)预加载:

0 kN→50 kN→100 kN，共重复加载三次，以消除非弹性变形，同时检查仪表和机器的工作状态。

2)静载:

0 kN→400 kN按每级50 kN加载，以后每级按30 kN加载，观察板的变形和是否有裂缝出现。

3)静力破坏试验:

参照加载程序2)，加载到设计荷载后，继续加载至破坏。在各级荷载作用下，持荷5 min，进行应变和位移的测量，并仔细观察变形及裂缝情况。

3 试验现象和结果分析

前期按50 kN加载，构件处于弹性工作阶段，当加载至400 kN时，按每级30 kN加载，当荷载达到460 kN时，底部钢板的应变达到1 261个微应变，达到了钢板的屈服应变值，底部钢板进入屈服阶段，继续加载，在荷载达到640 kN时，构件的左端出现了纵向相对滑移0.11 mm，再加一级荷载到670 kN时，距腹板高30 mm的波形钢腹板位置达到屈服，并且突然发出纵向化学粘结破坏响声。荷载到达730 kN之前，组合板的跨中挠度一直在缓慢增加，但在730 kN停荷时，跨中挠度在持续的增大，由此判断此时构件达到屈服，730 kN为构件的屈服荷载。为了防止构件的突然损坏破坏下部百分表，故撤掉百分表后继续加载至构件破坏。当荷载达到1 070 kN时，构件跨中区波形钢翼缘上部混凝土出现微小裂缝，前后对称。当荷载达到1 150 kN时，左侧剪跨区混凝土出现45°的斜裂缝，之后，对称位置斜裂缝相继出现，当荷载达到1 210 kN时跨中纯弯段受压区混凝土压碎，承载力下降，构件并无大的下挠现象(见图1)。

图1 组合面板跨中截面应变沿截面高度分布图

构件的挠度曲线在730 kN之前近似为一条直线，说明构件一直处在弹性阶段，在730 kN时构件在停荷状态下，挠度不断增大，进入弹塑性阶段。从图2中可以看出，曲线的斜率在变小，这是因为下部混凝土达到极限强度产生了开裂，波形钢板和混凝土产生了滑移，以及下部的部分波形钢板已经进入屈服阶段造成了构件的刚度降低，所以挠度曲线斜率在变小。

图2 构件挠度变化曲线

构件在屈服荷载时的挠度为10.41 mm，是计算跨径的L/250。而根据JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范的要求，钢筋混凝土受弯梁式构件的最大挠度不应超过计算跨径的L/600，当按照规范的要求使用时，此构件的正常使用极限为400 kN，挠度为4.51 mm。由于构件为钢—混凝土组合结构，按照GB 50017-2003钢结构设计规范的要求，主梁的容许挠度值可以达到计算跨径的L/400，此时正常使用的极限为520 kN，挠度为6.51 mm，又因为构件将作为板结构来使用，所以在运用桥梁规范时，可将范围适当扩大。

最终的破坏特征:跨中挠度迅速的增大，在撤掉百分表之前，下挠为10.41 mm。两端的波形板和混凝土之间的纵向剪切滑移量一端为0.23 mm，另一端无滑移，滑移量较少。构件跨中上部混凝土出现多条微小裂缝，长度最长6 cm。构件剪跨区混凝土对称出现微小斜裂缝，自下向上沿45°方向向加载点处延伸，长度最长为15 cm。最终跨中区混凝土被压碎，总体判断为构件正截面受弯破坏。

4 结语

1)随着荷载增加，直到达到屈服荷载时，波形钢板和混凝土的应变沿截面高度分布基本保持直线，基本满足平截面假定，因此在波形钢—钢筋混凝土组合桥面板的抗弯承载力计算时可以采用平截面假定。

2)在荷载作用的初期，下部波形钢板和上部受压区钢筋、混凝土变形相协调，处于弹性工作状态，组合截面的应变沿高度方向呈现明显线性变化(见图3)，由此可知，组合结构的整体工作性能良好。

图3 底部钢板荷载—应变曲线

3)在荷载大于150 kN后，波形钢底部测点的曲线有明显的转折，此时底部钢板的应变只用500个微应变，应力103 MPa，尚未达到屈服阶段，但是下部混凝土的拉应力却达到了17.25 MPa，远远大于混凝土的抗拉强度标准值2.55 MPa，表明此时底部混凝土已经出现了开裂，开裂部分的混凝土退出工作，将所承受的拉应力传给底部钢板，使底部钢板的应力增加，应变也就增大了。

4)加载直至破坏荷载1 210 kN，在这个过程中，波形钢翼缘上部混凝土出现微小裂缝，波形钢腹板陆续达到屈服，最终上缘混凝土被压碎构件破坏。

本文对波纹钢—钢筋混凝土组合桥面板的应用提供了一定的实验依据。

［1］ 韩学义.关于混凝土桥面板裂缝［J］.东北公路，2001(6):13-15.

［2］ 姚国文.桥涵维护与加固技术［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 姚振纲，刘祖华.建筑结构试验［M］.上海:同济大学出版社，1998.

［4］ 聂建国.钢—混凝土组合梁结构［M］.北京:科学出版社，2005.

［5］ 聂建国，余志武.钢—混凝土组合梁在我国的研究及应用［J］.土木工程学报，1999(12):66-68.

［6］ 易卫华.闭口型压型钢板—混凝土组合板的试验研究［D］.北京:清华大学土木工程系，2003.