不同连接形式对波纹钢腹板PC组合梁性能影响

王圣保

(哈尔滨理工大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150080)

波纹钢腹板PC组合箱梁是20世纪80年代法国首先提出并应用于桥梁建设当中.该组合箱梁是一种混凝土腹板由波纹钢板代替的新型组合结构.该结构实现了主梁的轻型化，提高了预应力导入效率，减少了温度及混凝土收缩徐变等不利因素影响［1-4］.近些年来，在我国土木结构领域得到广泛应用.

剪力连接件是此类桥梁的最为关键部位之一，是能否发挥其优势的一个决定性因素.当前波纹钢腹板PC组合梁常用的连接形式，主要有栓钉连接、PBL连接以及埋入式连接等［5-8］.当前国内外专家学者，对不同连接形式的各自特点以及对梁力学性能的影响的研究涉及较少.本文主要通过实验手段，对波纹钢腹板PC组合梁最常用的连接形式——栓钉连接、PBL连接以及外包钢板型连接形式进行研究，并且对不同剪力连接件对组合箱梁力学性能的影响进行了评价.

1 波纹钢腹板PC组合梁常用连接形式

目前，波纹钢腹板PC组合箱梁常用的连接形式主要用以下几种［9-11］:1)栓钉连接;2)型钢连接;3)PBL连接;4)埋入式连接;5)外包钢板型连接形式.不同连接形式见图1.

图1 波纹钢腹板PC组合梁典型剪力连接件Fig.1 Shear connectors adopted in PC composite box girder bridge with corrugated steel webs

2 波纹钢腹板PC组合梁实验研究

2.1 实验梁设计

共设计了3片实验梁，分别为梁ZHL-Ⅰ(栓钉连接形式)、ZHL-Ⅱ(PBL连接形式)及 ZHL-Ⅲ(外包钢板型连接形式).梁总长 8 000 mm，梁高560 mm.跨中设置两块中横隔板，梁两端设置端横隔板.波纹钢腹板厚3 mm，波纹钢腹板高400 mm(梁ZHL-Ⅲ波纹钢腹板高480 mm).钢翼缘板厚4 mm.混凝土上翼缘板厚80 mm，下翼缘板厚80 mm.栓钉10 mm×50 mm.采用C40混凝土.

2.2 实验过程及结果

采用液压万能实验机进行加载.加载速度由位移控制，加载速率为0.2 mm/min.在整个加载过程中，可清楚听到梁发出的清脆响声.随着荷载的逐渐增加，梁的挠度逐渐增大，当荷载达到极限荷载时，随着“砰”的一声巨响，梁瞬间破坏.破坏时，组合梁混凝土顶板被压溃，上翼缘钢板发生屈曲，顶板混凝土剥落后，内部钢筋压屈.在整个加载过程中，波纹钢腹板没有出现屈曲，波纹钢腹板与混凝土顶底板之间没有出现滑移现象.3根实验梁的最终破坏情况见图2.

图2 实验梁最终破坏图Fig.2 Draw ing of test beams crushed

2.2.1 主要荷载

主要实验结果见表1.表中Pcr、Py及Pu分别为开裂荷载、屈服荷载及极限荷载;My、Mu分别为屈服荷载、极限荷载作用下的弯矩;δy、δu分别为屈服荷载、极限荷载作用下梁跨中挠度，δu/δy称为延性系数.

表1 主要实验结果Table 1 Main test results

2.2.2 荷载-位移曲线

图3为实验梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ跨中荷载-位移曲线.从图中可以看出，实验梁受力过程大致分为3个阶段:

图3 荷载-位移曲线Fig.3 Load-deformation curves

1)弹性工作阶段.

弹性工作阶段在图中为OA阶段.在此阶段，构件各截面均处于弹性状态，梁底板混凝土未发生开裂，钢筋与混凝土各截面位置的应力未达到屈服，弯矩-挠度基本呈直线关系，从图中可以看出，应力应变表现出明显的线性关系.

2)屈服工作阶段.

随着荷载的逐渐增大，波纹钢腹板PC组合梁底板混凝土发生开裂，开裂后，底板混凝土退出工作，底板拉力主要由底板钢筋(普通钢筋及预应力钢筋)承受.随着荷载继续加大，开始进入屈服阶段，屈服工作阶段为图中AB阶段，进入屈服阶段后，荷载-位移曲线开始弯曲，斜率减小，梁的刚度降低.

3)塑性工作阶段.

随着荷载的继续加大，梁进入塑性阶段，即荷载-位移曲线的BC阶段.进入塑性阶段后，混凝土底板普通筋完全屈服.此时，梁底板所受拉力主要由预应力筋承受.由于预应力筋仍然处在弹性范围内，所以荷载-挠度曲线基本上还是线性关系，只有当预应力筋的应力达到了其本构关系中明显的非线性段后，荷载-位移曲线才改变为曲线.

2.2.3 界面滑移值

图4为实验梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ的波纹钢腹板与混凝土顶底板界面间相对滑移曲线.数字 3-1、3-3、3-5、3-8、3-9、及 3-10 为实验梁安装的导杆引伸仪编号.其中实验梁ZHL-Ⅲ由于受到实验场地限制，梁底板导杆引伸仪很难安装，只测得波纹钢腹板与混凝土顶板界面间相对滑移值.

图4 波纹钢腹板与混凝土顶底板界面间滑移曲线Fig.4 Curves of slip between the corrugated steel web and the concrete upper/lower slab

从图4中可以看出，PBL连接件使产生的滑移最小，抗滑移性最好，混凝土与钢翼缘板之间的滑移值几乎为零;栓钉连接形式的抗滑移性能也较好，混凝土与钢板间产生的滑移也较小，特别是在加载初期，几乎没有发生滑移现象;外包钢板型连接形式，在整个加载过程中，滑移值几乎均为±0.01 mm，即使外荷载达到最大值，极限荷载时，最大的滑移值也未超过0.2 mm.

2.2.4 梁底板裂缝分布

由于实验梁ZHL-Ⅲ底板包有波纹钢腹板，观测不到底板裂缝发展情况.图5为梁ZHL-Ⅰ、梁ZHL-Ⅱ底板裂缝分布图.从图中可以看出，梁ZHL-Ⅰ、梁ZHL-Ⅱ裂缝间距及裂缝宽度均分布较均匀，且大多数裂缝贯通混凝土底板.属于典型的弯曲破坏情况.对比两片梁裂缝分布情况可知:梁 ZHL-Ⅱ较梁ZHL-Ⅰ裂缝间距更小，裂缝更加密集.

图5 实验梁ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ底板裂缝Fig.5 Cracks in concrete lower slab of test beam ZHL-Ⅰand ZHL-Ⅱ

2.3 实验结论

在实验过程中发现，采用该3种连接形式的波纹钢腹板PC组合梁，破坏模式均为首先顶板混凝土被压溃，受压钢筋及顶板翼缘钢板发生屈曲(见图2)，从而梁丧失工作能力，发生破坏.在整个实验过程中，剪力件连接完好，未发生破坏.这说明3种连接形式的抗剪强度均满足承载力的要求.另外，3种连接形式抗滑移性能均较好，波纹钢腹板与混凝土顶底板间几乎不产生相对滑移现象，满足抗滑移性能要求.

3 不同形式的剪力件对波纹钢腹板PC组合梁力学性能的影响

为了研究不同连接形式对梁力学性能的影响，文中主要从以下4个方面进行研究.

3.1 对梁的承载能力的影响

以实验梁ZHL-Ⅱ所采用的连接形式(即PBL连接件)为基准，其他2种连接形式与其相比，研究3种不同连接形式对梁极限承载力影响.不同连接形式的极限荷载见表2.

表2 极限荷载Table 2 U ltimate load

从表2可以看出，采用栓钉连接形式梁，较采用PBL连接形式梁的极限荷载降低10.20%.究其原因，是因为PBL连接件上的钢肋板起到纵向受力筋的作用，致使其极限承载力加大;比较实验梁ZHL-Ⅲ和实验梁ZHL-Ⅱ发现，实验梁ZHL-Ⅲ的极限荷载提高了11.19%，这是因为，其底板钢板起到纵向受力筋作用，加大了梁的内力偶臂，且梁底板钢板横截面积较大，所以梁的极限承载力有较大提高.

3.2 对梁的刚度、挠度及延性影响

图3为梁ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及ZHL-Ⅲ跨中荷载-位移曲线.从图中可以看出，处于弹性阶段时，3片梁的刚度基本相同.当混凝土开裂后梁ZHL-Ⅲ的刚度最大，梁ZHL-Ⅰ的刚度最小，梁ZHL-Ⅱ的刚度次之.由此可知，外包钢板型连接方式可以大幅度提高波纹钢腹板PC组合梁的刚度.

由表1可知，当到达屈服荷载时，梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ挠度值分别为 53.5 mm、54.5 mm及40.9 mm;当达到极限荷载时，梁ZHL-Ⅲ跨中最大挠度为282.3 mm，梁 ZHL-Ⅰ跨中最大挠度为467.1 mm，梁 ZHL-Ⅱ跨中最大挠度为479.8 mm.这表明采用PBL连接件、栓钉连接件梁的挠度较为相近，且该2种连接形式的梁挠度较大;而外包钢板型连接形式的梁的挠度较小.由此也可以看出，外包钢板型连接形式可以减小梁的挠度，提高梁的刚度.

为了研究采用3种连接形式波纹钢腹板PC组合梁的延性，首先要研究3种连接形式梁的延性系数.从表1中可以看出，实验梁ZHL-Ⅰ及ZHL-Ⅱ的延性系数较大，且较为接近.实验梁ZHL-Ⅲ的延性系数远小于实验梁ZHL-Ⅰ及ZHL-Ⅱ.这说明外包钢板型连接形式延性较栓钉及PBL连接形式差.

3.3 对抗裂性的影响

为了研究3种连接形式对波纹钢腹板PC组合梁抗裂性的影响，在施加预应力时，3个实验梁施加相同的预应力水平，均为3.0 MPa.3片梁的开裂荷载值见表3.

表3 开裂荷载Table 3 Crack load

从表3中可以看出，实验梁ZHL-Ⅰ的开裂荷载最小，约为120 kN，实验梁ZHL-Ⅲ的开裂荷载最大，约为210 kN.实验梁ZHL-Ⅲ较ZHL-Ⅰ的开裂荷载提高近66%，实验梁ZHL-Ⅲ较ZHL-Ⅱ的开裂荷载提高近51%，这说明外包钢板型连接形式的抗裂性最好，PBL连接形式的抗裂性稍差些，栓钉连接形式的抗裂性最差.造成此种结果的原因是因为外包钢板型连接形式混凝土底板钢板对混凝土起到约束作用，延迟了混凝土开裂.由此可见，外包钢板型连接形式可以大大提高混凝土底板的抗裂性.

3.4 对预应力导入效率的影响

由于波纹钢板、钢翼缘板存在纵向刚度.因此，对组合梁施加预应力时，混凝土底板、波纹钢腹板及翼缘钢板也承受预应力作用，所施加的预应力并未完全被混凝土底板承担，其中一部分预应力被钢翼缘板及波纹钢腹板吸收［12］.预应力导入效率是指:混凝土底板所受的有效预应力与施加于梁上的总预应力比值.不同连接形式的波纹钢腹板PC组合梁预应力效率值，见表4.

表4 预应力效率Table 4 Prestressing force efficiency

从表4可以看出，采用栓钉连接形式梁的预应力导入效率最高，其次是PBL连接形式，但栓钉连接形式与PBL连接形式的梁相差不大.预应力导入效率最低的是外包钢板型连接形式梁.其原因是，混凝土底板翼缘钢板截面面积较大，其纵向刚度较大，所承担的预应力也较大，因此，其会较大程度地分担施加于混凝土底板上的预应力.造成PBL连接形式预应力效率导入低的原因是，钢翼缘板上焊接肋板，加大了钢板纵向刚度，使其分担了施加于梁上的预应力.

4 评价不同形式剪力件对波纹钢腹板PC组合梁力学性能影响

为了评价不同连接形式对波纹钢腹板PC组合梁力学性能的影响，将以上研究结果列于下表5.

表5 不同连接形式对梁力学性能影响Table 5 Influence of different connecters on mechanical performance of test beam

由表5分析可知，采用栓钉连接形式的梁，刚度及抗裂性较差，在长期的使用过程中，可能会出现较大的挠度，并且可能会出现早期裂缝.但采用该剪力件连接形式的梁，预应力导入效率较大;采取PBL连接形式的波纹钢腹板PC组合梁，抗裂性差，预应力导入效率低.预应力导入效率低，会使施加在混凝土板上的有效预应力达不到设计值，从而影响梁的力学性能;比较其他2种连接形式，采用外包钢板型连接形式的波形钢腹板PC组合梁，具有更高的极限承载力、更高的刚度、更好的抗裂性，以及更好的抗滑移性能.因此，外包钢板型连接形式是更加适合于该类组合梁的连接形式.

5 结论

1)采取栓钉连接形式、PBL连接形式及外包钢板连接形式的波纹钢腹板PC组合梁，均满足极限承载力要求，且3种连接形式的抗滑移性能均较好.

2)采用外包钢板型连接形式的梁较其他2种连接形式的梁具有更大极限承载力、更好的抗裂性及更大的刚度.

3)在实验梁的制作过程中发现，外包钢板型连接形式波纹钢腹板与底板钢板可以起到模板作用，施工更为方便，更有利于提高施工速度，缩短施工工期，降低施工成本.

4)外包钢板型连接形式是更加适合波纹钢腹板PC组合梁的连接形式，在实际工程中，宜多采用该类型的连接形式.

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