曲线组合梁在负弯矩和扭矩联合作用下受力性能的试验研究

齐书瑜，　张彦玲，　张德莹

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄　050043；2.石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄　050043)



曲线组合梁在负弯矩和扭矩联合作用下受力性能的试验研究

齐书瑜1,2，张彦玲1,2，张德莹1,2

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄050043；2.石家庄铁道大学 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄050043)

以跨径比(计算跨度与曲线半径的比值)为参数，对2片钢-混凝土曲线组合梁进行了悬臂加载下的试验研究，得到了曲线组合梁在负弯矩与扭矩共同作用下的荷载-变形曲线、应变分布和钢梁与混凝土板间的相对滑移规律。试验结果表明：在负弯矩与扭矩共同作用下，曲线组合梁的抗弯刚度和抗扭刚度均随跨径比的增大而降低；切向应变沿截面竖向基本符合平截面假定；有横隔板处切向应变在曲线内侧小，外侧大，无横隔板处则相反；钢梁与混凝土板结合面上的切向和径向滑移均随跨径比的增大而增大，在支座间或支座与加载端之间达到最大。

钢-混凝土曲线组合梁；负弯矩；扭矩；静载试验；跨径比

0　引言

钢-混凝土连续曲线组合梁桥具有一般组合梁承载能力大、刚度大、自重轻等优点，但连续曲线组合梁的中间支座区域会处于负弯矩、剪力、扭矩和结合面相对滑移的多重作用下，受力情况非常复杂。

关于曲线组合梁在正弯矩与扭矩作用下的力学性能已经有较多报道[1-5]。组合梁在负弯矩与剪力联合作用下[6-8]和负弯矩与轴力联合作用下的受力性能也有部分研究成果[10-11]，但在负弯矩与扭矩联合作用下，则只有文献[12]对栓钉连接件推出试件的相关受力特性进行了报道，且仅针对推出试件的研究。

本文针对以横隔板作为横向连接系的钢-混凝土曲线组合梁，进行了悬臂加载的受力全过程加载试验，测试了其典型截面在负弯矩和扭矩共同作用下钢梁及混凝土板的应变、变形、以及结合面相对滑移规律，并分析了跨径比(计算跨径L与曲线半径R的比值)和横隔板对其产生的影响。

1　试验设计及加载方案

1.1试验目的及内容

试验目的是为了研究曲线组合梁负弯矩区的弯扭力学性能，试验内容包括：①曲线组合梁负弯矩截面径向和切向应变沿截面宽度和高度方向的分布规律；②负弯矩与扭矩共同作用下钢-混凝土曲线组合梁结合面的切向和径向滑移性能；③曲线组合梁负弯矩区的破坏形态和荷载-变形关系；④负弯扭状态下混凝土板开裂机理及弯扭相关关系。

限于篇幅，本文只对前3项进行研究，最后1项另文研究。

1.2试验设计与制作

以跨径比为参数，设计了2片钢-混凝土简支带悬臂的曲线组合梁。NCB2梁跨径比为0.15，NCB5梁跨径比为0.375。2片梁全长均为6.2m，简支计算跨径4.5m，悬臂长度1.6m。截面尺寸相同，混凝土板宽度为700mm，厚度为70mm；钢梁高200mm，下翼缘宽400mm，上翼缘宽60mm，上下翼缘厚度均为8mm，腹板厚度6mm。钢梁均采用Q235钢，混凝土板采用C30混凝土；纵筋与箍筋采用HPB235钢筋，纵筋横向间距120mm，配筋率0.82%；箍筋纵向间距100mm，配箍率0.27%。栓钉直径13mm，高50mm，布置在钢梁腹板上方，每列34个，每片梁布置2列，共68个，均为完全连接。2片试验梁均沿跨度方向设置5块横隔板，厚6mm。试验梁截面尺寸见图1。

图1　试验梁截面尺寸及布置详图(单位：mm)

1.3试验装置及加载方案

试验采用悬臂加载，简支侧支座采用活动铰支座，悬臂侧支座为固定铰支座(见图1(a))，均在钢梁腹板位置设置传感器以测试支座反力，其中NCB2梁简支侧曲线内侧和外侧传感器均置于混凝土板上方，悬臂侧2个传感器均置于钢梁下方；NCB5梁简支侧和悬臂侧的传感器在曲线内侧均置于钢梁下方，外侧均置于混凝土板上方。见图2。

图2　支座布置情况

试验前先进行3次预加载，每次最大加载到50 kN。正式加载时荷载分级施加，每级5 kN，当测试截面的荷载-挠度曲线斜率开始发生变化时，荷载等级减小为1 kN。试验中测试钢梁和混凝土板表面应变、箍筋及纵筋应变、试验梁混凝土板与钢梁结合面上的切向和径向滑移、以及试验梁径向位移、控制截面扭转角、以及混凝土板的裂缝间距和裂缝宽度。测试截面共4个，分别为距悬臂加载端0.75 m的Ⅱ-Ⅱ截面、1.5 m的Ⅲ-Ⅲ截面(悬臂端支座截面)、2.25 m的Ⅳ-Ⅳ和3 m的Ⅴ-Ⅴ截面。加载截面为I-I截面。测点布置图见图3。

图3　测点布置图(单位：mm)

2　试验结果分析

2.1破坏过程及受力特性

试验梁Ⅰ-Ⅰ截面荷载-竖向挠度曲线和Ⅴ-Ⅴ截面荷载-扭转角及荷载-径向位移曲线如图4所示。

图4　荷载-位移曲线

由图4可以看出： ①两片悬臂加载的试验梁在负弯矩和扭矩共同作用下，其受力特性都经历了弹性阶段—弹塑性阶段—塑性阶段的发展过程，这与一般受正弯矩和扭矩共同作用的组合梁是一致的；②跨径比为0.15的NCB2梁与跨径比为0.375的NCB5梁相比，其抗弯刚度、屈服荷载和极限荷载都有所增加，这说明随跨径比的增大，曲线组合梁截面负弯矩与扭矩的综合效应增强，相同条件下，负弯扭作用下比纯负弯矩作用下截面会更早达到极限状态，负弯扭作用越强，承载力越低；③在相同荷载下，跨径比越大，曲线组合梁负弯矩区截面的扭转角和径向位移越大，说明曲线组合梁随跨径比的增加，其扭转效应增强。

2.2应变测试结果

2.2.1切向应变沿截面竖向的分布

2片试验梁在悬臂端支座截面(Ⅲ-Ⅲ截面)曲线外侧的切向应变沿截面竖向的分布规律见图5，图5中Pu指极限荷载。

图5　试验梁Ⅲ-Ⅲ截面切向应变沿截面竖向的分布

由图5可知：① 试验梁加载到0.8Pu以前，各截面切向应变沿截面竖向近似按直线分布，说明曲线组合梁在负弯矩和扭矩共同作用下，切向应变沿梁高基本符合平截面假设；② 2片试验梁均采用了完全连接，但应变图形均出现了一定程度的水平线，这说明钢梁与混凝土截面存在着相对滑移；③在相同荷载下，NCB5梁的切向应变比NCB2梁大，说明随着跨径比的增加，切向应变增大，弯扭效应增强。

2.2.2切向应变沿截面横向的分布

分析2片试验梁在50kN悬臂端荷载作用下，钢梁底板和混凝土板内上层钢筋(沿宽度方向共6根)的切向应变沿截面横向的分布规律(混凝土板很早就开裂，不再讨论)。

(1) Ⅲ-Ⅲ截面和Ⅴ-Ⅴ截面。 两片试验梁在Ⅲ-Ⅲ截面和Ⅴ-Ⅴ截面处均设有横隔板。相同荷载下，NCB2和NCB5梁在两截面的钢梁下表面的切向应变和上层纵向钢筋应变沿横截面的分布如图6所示，图6中横坐标y表示横截面上钢梁下表面或板内纵向钢筋距曲线内侧边缘的距离，以下同。

图6　Ⅲ-Ⅲ和Ⅴ-Ⅴ截面切向应变的横向分布

由图6可知，在负弯矩和扭矩共同作用下，钢梁底板和上层纵向钢筋的切向应变在有横隔板处沿截面宽度方向均表现出曲线内侧较小，外侧较大的趋势，具有明显的弯扭效应，且切向应变整体上随跨径比的增大而增大，这是由于在弯矩基本不变的情况下，扭矩的增加使翘曲正应变增大，故切向总应变也随之增大；另外，板内上层钢筋和钢梁下表面切向应变在外大内小的情况下还表现出了两侧大中间小的趋势，说明在负弯矩区截面应变存在剪力滞效应。

(2) Ⅱ-Ⅱ截面和Ⅳ-Ⅳ截面。 Ⅱ-Ⅱ截面和Ⅳ-Ⅳ截面处2片试验梁均无横隔板。相同荷载下， NCB2梁和NCB5梁两截面的钢梁下表面和上层钢筋的切向应变如图7所示。

图7　Ⅱ-Ⅱ和Ⅳ-Ⅳ截面切向应变的横向分布

由图7可知，在负弯矩和扭矩共同作用下，钢梁底板和上层纵向钢筋的切向应变在两个没有横隔板的截面均沿宽度方向表现出曲线内侧较大，外侧较小的趋势，与有横隔板的Ⅲ-Ⅲ截面和Ⅴ-Ⅴ截面趋势相反，与一般曲线梁切向应变在曲线外侧较大，内侧较小的趋势也相反，但仍能反映出明显的弯扭效应，且切向应变也随跨径比的增大而增大，同时也出现了一定的剪力滞现象。

由上述分析可知，钢-混凝土曲线组合梁在负弯矩区和扭矩共同作用下，在没有横隔板的Ⅱ-Ⅱ截面和Ⅳ-Ⅳ截面，切向应变在曲线内侧较大，外侧较小，而在有横隔板的Ⅲ-Ⅲ截面和Ⅴ-Ⅴ截面，则在曲线内侧较小，外侧较大。这一现象与文献[5]中对组合梁进行的正弯矩和扭矩作用下的试验结论相同。

2.2.3径向应变横向分布

试验梁各截面钢梁底板的径向应变沿截面横向的分布规律如图8所示。

图8　钢梁底板的径向应变沿横向的分布

由图8可知：试验梁NCB2和NCB5在负弯矩和扭矩的共同作用下，钢梁底板的径向应变沿截面横向在没有横隔板的Ⅱ-Ⅱ截面和Ⅳ-Ⅳ截面表现为曲线内侧大外侧小，而在有横隔板的Ⅲ-Ⅲ截面和Ⅴ-Ⅴ截面则略有内侧小外侧大的趋势，且有明显的应力分布不均匀现象，与切向应变的横向分布规律基本相同。

2.3滑移测试结果

2.3.1切向滑移

试验梁在Ⅱ-Ⅱ截面曲线外侧测得的钢梁与混凝土板之间的相对滑移随荷载的变化规律见图9。不同荷载下切向滑移沿梁轴的分布规律如图10所示，图10中横坐标x表示距梁端的距离。

图9　荷载-切向滑移曲线

图10　切向滑移沿轴向的分布

由图9可知,对于跨径比不同的两片试验梁，在相同荷载下，随着跨径比的增大，处于负弯矩区相同位置截面的切向滑移量增大。在Ⅱ-Ⅱ截面跨径比为0.375的NCB5梁最大滑移量为0.59 mm；而跨径比为0.15的NCB2梁最大滑移量为0.11 mm。

由图10可以看出，切向滑移随着荷载的增大而增大。2片试验梁切向滑移沿梁轴曲线的分布规律基本相同，在支座处和加载位置由于反力增加了钢梁与混凝土板结合面上的局部压力，使摩擦力增大，抑制了结合面的相对滑移，因此梁端和加载位置滑移反而较小，在支座间或支座与加载端之间达到最大。

2.3.2径向滑移

径向滑移的最大值发生在支座位置处，所以本文取悬臂端支座位置(Ⅲ-Ⅲ截面)的径向滑移来分析其随荷载的变化。径向滑移随荷载的变化曲线见图11。

图11　径向滑移随荷载的变化曲线

由图11可知，2片试验梁的径向滑移均是随着荷载的增大而增大，相同荷载下径向滑移比切向滑移值要小。

3　结语

通过对悬臂加载的曲线组合梁进行静载试验，得到钢-混凝土曲线组合梁在负弯矩与扭矩共同作用下的受力特征包括：

(1) 全过程受力特征经历弹性阶段—弹塑性阶段—塑性阶段的发展过程，且负弯扭作用越强，承载力越低。

(2) 各截面的切向应变沿截面竖向近似按直线分布，基本符合平截面假定；切向应变图形在混凝土与钢梁结合面处出现水平台阶，结合面存在相对滑移。

(3) 在负弯矩和扭矩共同作用下，曲线组合梁切向应变沿横截面在有、无横隔板处分布规律是不同的，无横隔板截面表现为曲线内侧大，外侧小，有横隔板处则相反；径向应变沿横截面的分布规律与之相同；无论有无横隔板，切向应变均随曲梁跨径比的减小而变小。

(4) 径向和切向滑移均随跨径比的减小而减小，切向滑移最大值没有出现在梁端和加载位置，而是在支座间或支座与加载端之间达到最大。

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Experimental Research on Negative Bending-torsion Characteristics of Steel-Concrete Curved Composite Beams

Qi Shuyu1,2,Zhang Yanling1,2, Zhang Deying1,2

(1.School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education,Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

With the span-radius ratio as the design parameters, two simple steel-concrete curved composite model beams were tested under the concentrated load at the cantilever end, the load-deformation curve, section strain, and interfacial slips were measured. The test results show that, under the negative bending-torsion action the bending and torsional stiffness of the steel-concrete curved composite beam all decrease with the span-radius ratio’s increase; The tangential strain satisfies the plane-section hypothesis along the vertical direction, and the tangential strain at the position with diaphragm is small at inside and large at outside of the curve, but reverse at the position without diaphragm. The tangential and radial slip between the concrete slab and steel girder increases with the span-radius ratio’s increase, the maximum slip appears between two bearings or bearing and loading end.

steel-concrete curved composite beam;negative bending moment;torsion moment;static load test;span-radius ratio

2015-09-24责任编辑:刘宪福DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.01

国家自然科学基金(51108281)；河北省自然科学基金(E2014210038)；河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2014025)

齐书瑜(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为组合结构桥梁。E-mail：328772671@qq.com

张彦玲(1973-)，女，博士，教授，研究方向为组合结构桥梁。E-mail：06mzhang@163.com

U448.21+6

A

2095-0373(2016)03-0001-07

齐书瑜，张彦玲，张德莹.曲线组合梁在负弯矩和扭矩联合作用下受力性能的试验研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(3):1-6.