装配式组合连续刚构桥的负弯构件实验设计

高燕梅

(重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074)

目前国内工科院校在长期的教学探索与实践中,逐渐形成了“重视基础、强化工程素养与创新能力培养”的工程专业人才培养新理念[1]。实验教学对学生理论联系实际,实践能力、动手能力、创新能力的培养以及整个高等教育培养模式转换起着非常重要的作用[2-3]。龚良玉等[4]指出,综合性实验有利于学生将所学的理论知识和研究方法有机融合,锻炼学生动手实践能力,促进学生开动脑筋,解决问题。王玉芹等[5]在化学实验教学过程中指出,将科研和实验结合是培养学生创新能力的良好途径。李凤兰等[6]在机械专业中的“液压传动”课程实验里指出,应该在实验初期的设计中融入创新元素,这样才能引发和加深学生的兴趣,提高教学水平。本文结合当今桥梁发展的两大趋势:钢-混凝土组合梁桥[7-8]和装配式施工方法[9],为了增强学生动手能力和科研能力,培养创新性思维,促进学生对现代桥梁结构体系、关键构造、装配式施工方法的掌握,结合课题组科研项目,设计了新型的、采用全装配式施工的钢-混凝土组合连续刚构桥负弯矩区段力学性能的实验。

1 装配式钢桁-混凝土组合连续钢构桥

针对目前钢-混凝土组合桥梁中现浇混凝土桥道板收缩徐变大、预压应力难以施加等问题,结合当今桥梁发展的两大趋势，提出了尽量减少混凝土现浇工作,并对预制安装好的桥道板先施加足够的纵向预压应力,再与钢梁焊接为一体的全装配式钢-混凝土组合连续刚构桥(见图1)[10]。

图1 装配式钢桁-预应力混凝土组合连续刚构桥

本次实验依托跨径40 m+70 m+40 m钢桁-混凝土连续刚构桥——广佛肇高速公路青岐涌大桥,为考察其负弯矩区段的静力性能、开裂特征和其中剪力键的工作性能以及施工方法的可行性,制作了一根采用预制预应力混凝土桥道板的钢-混凝土组合梁,进行负弯矩作用下的力学性能实验。

2 实验梁设计

2.1 模型设计

为尽量简化模型,使实验梁受力明确、方便观测检算,本实验梁采用计算跨径L=7 000 mm、梁高h=770 mm等截面简支组合梁,与依托工程负弯矩最小的截面采用应力相似的原理进行模拟。采用在下端两点顶升钢桁梁的方式来模拟实桥负弯矩区段,梁两端顶面设置一端铰支,另一端滑动支座(如图2)。

图2 实验梁加载设计

实验梁的结构尺寸拟定如下:钢桁采用工厂全焊接法拼装,总高度630 mm,上下弦采用Π型截面,上弦顶板宽300 mm,下弦底板宽330 mm。考虑到上弦截面仅在施工阶段单独承受荷载,待组合梁形成后上弦与混凝土桥道板共同受力,所以上弦顶板厚度仅取8 mm,而下弦底板厚16 mm。为方便腹杆与上下弦杆之间的焊接,斜杆和竖杆采用[型截面,板厚16 mm。实验梁总体布置见图3。

图3 实验梁总体布置

预制混凝土桥道板分7块预制,标准长度1 000 mm/块,肋板式截面,高140 mm,顶宽500 mm。其中预埋5根纵向预应力钢束管道,预应力度12.6 Mpa(见图4和图5)。

图4 预制混凝土桥道板内钢筋布置

图5 预制完成的一块桥道板

水平栓钉剪力连接件位于混凝土桥道板与钢桁之间,用于传递混凝土桥道板与钢桁之间的水平剪力,按完全抗剪联结设计,采用圆头焊钉Φ10 mm×80 mm,材质为ML15,课题组已经针对该剪力连接件进行了推出试验,得到其抗剪性能[11-12]。

实验梁的施工工序:预制桥道板的同时预埋水平栓钉剪力连接件；安装预制桥道板(见图6)；处理桥道板板间环氧水泥浆接缝；张拉预应力钢束(见图7)；将桥道板下端剪力连接件竖钢板与钢桁梁焊接联结。板间无需设置企口或扣环现浇混凝土接缝构造,而代之以涂抹环氧水泥浆联结,简单快捷。

图6 安装预制桥道板

2.2 加载程序设计

由于本次实验的目的是考察采用预制预应力混凝土桥道板的钢-混凝土组合梁在负弯矩作用下,预制预应力混凝土桥道板与钢梁共同工作的性能、预制桥道板开裂特征及吨位、组合梁刚度性能及破坏特征,所以设计加载程序时,将其分为3阶段加载:弹性阶段加载实验、开裂阶段加载实验以及破坏阶段加载实验。其中弹性阶段按照实桥在极限使用状态时的应力设计,因此推算出实验梁弹性阶段最大加载吨位约为180 kN。

图7 张拉板内纵向预应力

加载时采用分级循环加载的方式,可考察循环荷载作用下,实验梁的弹性恢复性能和裂缝闭合情况,并且可以依据有限的实验,获得更多的数据。最后加载至破坏,考察梁的裂缝、应变和挠度的规律,以及梁的破坏特征。

计算得实验梁的开裂荷载为220 kN左右,在下弦杆屈服强度后达到620 kN停止加载。加载工况见表1。

表1 实验梁加载工况

2.3 测点布置设计

为获得实验梁在负弯矩作用下的挠度,应变及剪力连接件滑移特征,设计的实验梁测点位置见图8。测试内容如下:(1)不同加载工况时,桥道板、钢桁上下弦关键截面挠度和应变；(2)不同加载工况时,钢桁上弦和混凝土桥道板之间的滑移；(3)开裂荷载大小,裂缝闭合及重新开展数据；(4)破坏过程及破坏特征。

3 实验结果

实验梁在弹性阶段时,180kN荷载作用下,进行了3次加载卸载。结果表明实验梁处于良好的弹性工作阶段:(1)挠度应变与加载力呈线性关系；(2)卸载后残余值几乎为0；(3)循环荷载作用下,各次数据吻合较好；(4)混凝土桥道板均未发现开裂现象。实验梁加载到230kN时,桥道板顶面出现第一条可见受力裂缝,位置在加载点附近。卸载时,裂缝可以闭合,再加载时,开裂时间提前,且裂缝长度增加。此时预制桥道板间接缝未出现开裂。

实验梁破坏特征:加载至636 kN时,钢桁有啪的一声清脆异响,持荷不行,下弦跨中有下挠现象(见图9(a)),竖杆明显屈服现象(见图9(b))；跨中3片桥道板早已断成块状,③、④板缝宽2mm,④、⑤板缝宽1.4 mm,实验梁破坏，停止加载。

4 结论

实验设计是实验思想的具体体现。本次实验设计中,针对新的科研问题,在明确实验目的的基础上,有针对性地设计出了简洁适用、操作性强的实验模型和方案,并通过实验掌握了新桥型的静力性能。在实验设计过程中,加深了学生对理论知识的理解,激发了学生对专业的兴趣,锻炼了学生动手实践能力,使学生能够自主进行实验设计,并提高分析解决问题的能力、工程实践能力和科研创新水平,是培养研究生的良好途径。

图8 测点布置(单位:mm)

参考文献(References)

[1] 蔡国军, 巨能攀, 付小敏,等. 岩土工程勘察实习教学内容改革探讨[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31(6):164-167.

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[3] 李秀坤, 娄久, 张岩. “自适应”任务驱动实验教学模式研究与实施[J]. 实验技术与管理, 2015, 32(5):24-27.

[4] 龚良玉, 蒋海燕, 吴锦淑,等. 硫化钴/碳纳米管的固相合成及电容特性分析综合实验设计[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(12):179-182.

[5] 王玉芹, 丁益民, 张慧,等. 一个研究型综合化学实验的设计[J]. 实验室研究与探索, 2010, 29(5):48-49,75.

[6] 李凤兰, 许小庆. 机械专业验证性实验的设计与实践[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(12):138-140.

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[8] Ryu H K, Kim Y J, Chang S P. Crack control of a continuous composite two-girder bridge with prefabricated slabs under static and fatigue loads[J].stcel construction, 2008,29(6):851-864.

[9] 魏明. 节段预制拼装桥梁适用条件及若干关键技术研究[D]. 南京:东南大学, 2016.

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[11] 周志祥. PCSS剪力联结构造:德国. PCT/CN2014/075541[P].2014-07.

[12] 李成君, 周志祥, 苏慈,等. 预制装配式组合剪力钉试验研究[J]. 桥梁建设, 2015, 45(5):60-65.