双幅钢—混组合梁抗弯性能研究

郝 皓

(苏州科技大学 江苏 苏州 215000)

一、引言

随着交通压力的不断增加，对桥梁的承载力、刚度和稳定性等要求也越来越高，因此学术界曲线钢-混凝土组合梁结构的应用，许多学者针对不同因素对组合结构的影响进行了研究。国内外学者[1-4]也进行了大量的研究。本研究通过对钢-混凝土组合梁的静载试验，探讨了试件的裂缝发展、抗弯性能、极限承载力进行对比，研究了平截面假定，理论公式的提出验证。

二、试件设计

本实验CB1曲线梁的曲线半径为26m。各试验梁参数见表1。

表1 试验梁参数

钢材为Q345钢，混凝土强度为C50，跨度为4.5+4.5m，一端设置固定铰支座作，中间横隔板下放设置活动铰支座，另一端也为活动铰支座。

三、加载和测点布置

采用液压千斤顶加载，加载过程中采集应变、位移数据，钢梁各位置的竖向位移，每15kN为一级，混凝土板裂缝出现时，改为10kN为一级持续3min。

四、试验结果和分析

(一)混凝土板破坏过程。CCB1的裂缝发展：加载初期没有混凝土板没有出现裂缝，6%极限承载力时，梁中支点东侧30cm处出现第一条裂缝，由外向内径向发展至梁中部，长约70cm；在28%极限承载力时，梁中东侧20cm出现第一条贯通裂缝；46%极限承载力时，梁中东侧80cm出现一条26cm的45度斜向裂缝，距梁内边缘42cm；58%极限承载力时，西侧受压区附近栓钉断开；90%极限承载力时，两侧受压区混凝土被压碎。1780KN达到极限承载力。

(二)荷载-挠度曲线。在弹性阶段，试件的荷载与挠度曲线是线性关系发展。当加载至非弹性阶段时，曲线均成非线性关系发展，随着荷载的增大，挠度的增加速度更为明显。进入塑性阶段后，荷载-挠度曲线表现出近似水平的状态，最后达到极限承载力。

同样的荷载作用在跨中位置处的挠度变化要大于作用于四分点位置处的挠度，在达到极限承载力时，跨中挠度约为四分点位置挠度的两倍，但不同位置的挠度-荷载曲线走势大体相同。

(三)应变变化曲线。测点分别选取同一平面的钢梁底、腹板从上向下四分之一和二分之一处、混凝土翼板下表面、混凝土翼板上表面处。

根据曲线图可以看到,在P/Pu<0.61时，应力-应变曲线大体上呈现线性分布关系，满足平截面假定，钢梁和混凝土板产生很小的相对滑移，中和轴在混凝土板内。P/Pu≥0.61时，曲线稍有弯曲，钢梁和混凝土板之间的相对滑移略微增加，中和轴略微上移。

五、理论计算与对比

(一)理论计算。由于在钢梁与混凝土连接处出现了滑移应变，中和轴上移到混凝土板内部，钢梁也达到了塑性状态，计算极限承载力时可使用塑性简化理论[8]。钢-混组合梁的承载力理论计算可以通过《钢-混凝土组合桥梁设计规范》GB50917-2013[6]中所使用的塑性理论进行极限承载力的计算，计算过程如下所示。

式中Aa是粘结层截面面积，As是钢梁的截面面积，Ac是混凝土板的截面面积，Asd是纵向钢筋的截面面积；na是粘结层换算系数，nc是混凝土板换算为刚材的换算系数5.98，nsd是纵向钢筋换算为钢材的换算系数1.03；Hs是试件的钢梁高度，Hc是试件的混凝土板高度；Fc是混凝土板的承载力，Fs是钢梁的承载力；y1是混凝土板形心到中和轴的长度，y2是钢梁形心到中和轴的长度；L0是有效跨度，as是受拉钢筋合力点到受拉区边缘的距离。

由于本试件的混凝土板与钢梁之间并没有使用粘结材料所以粘结层截面面积Aa取0，式中的nc是通过混凝土板弹性模量比钢梁弹性模量所得，nsd是通过纵向钢筋弹性模量比钢梁弹性模量所得。

组合梁的换算截面：

中和轴：

塑性弯矩：

Mu=Fcy1+Fsy2=2113KN·m

Fc是混凝土板的承载力，即混凝土板截面积与抗压强度乘积，Fs是钢梁的承载力，即钢梁截面积与抗拉强度的乘积。

极限承载力：

(二)试验与理论计算数值对比。表中的试验值为通过试验得到的极限承载力，理论值为通过计算得到的极限承载力。通过对比可以发现，试件的试验值均略小于理论值，误差率均小于5%说明了我国的钢-混组合桥梁设计规范[9]的计算方法可以进行实际的应用。

表3 极限承载力对比

六、结论

本研究对钢-混组合梁进行了受力性能的试验，对试件的开裂现象进行描述和分析，处理试验数据，得到以下结论：(1)梁的荷载-挠度曲线变化趋势正常，强于普通钢筋混凝土组合。(2)在钢-混组合梁的弹性阶段，截面应变沿梁高呈线性规律，说明钢梁和混凝土板组合较好，可以一同工作，符合平截面假定。(3)推算了钢-混组合梁极限承载力的计算公式，可以在实际工程中使用。