波形钢腹板与顶板结合部横向抗弯静力性能研究

张晓亮

(1.中铁建云南投资有限公司 云南昆明 650041；2.中国铁建昆仑投资集团有限公司 四川成都 610040)

1 引言

波形钢腹板组合梁桥是一种新型的钢-混组合梁桥结构，其克服了传统的混凝土桥梁自重大、腹板易开裂等问题。这种结构用波形钢腹板代替混凝土腹板，合理地将钢、混凝土两种材料结合起来，提高了结构稳定性、强度和材料的使用效率[1-4]。

近些年来，国内外学者对波形钢腹板组合梁桥的纵向抗弯、抗剪以及横向受力做了许多研究工作。彭鲲等[5]对波形钢腹板组合箱梁疲劳性能进行了试验研究，得出结构的典型疲劳破坏特征，同时结合有限元和断裂力学，研究了波形钢腹板组合箱梁疲劳寿命的计算模式。陈海等[6]提出一种新型斜板PBL剪力键并对其受剪性能进行试验研究，发现斜板剪力键具有较高的抗剪刚度和较好的变形能力，同时对新型PBL剪力键的抗剪机理进行分析并提出了承载力计算公式。乔朋等[7]对单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力性能进行分析，发现单箱多室波形钢腹板箱梁的横向受力可近似简化为单室箱梁，同时提出了一种新的计算方法使计算结果更为精确。赵品等[8]对波形钢腹板单箱多室箱梁的横向受力进行分析，采用能量法建立波形钢腹板单箱双室箱梁横向受力计算模型，研究表明:波形钢腹板单箱多室箱梁顶板的横向内力随着腹板与顶板线刚度比的增大而减小。Feng Y等[9]对波形钢腹板箱梁的横向扭转屈曲进行研究，推导了弯矩载荷作用下波形钢腹板箱梁的中性平衡方程能量，得到了波形钢腹板箱梁侧扭屈曲临界弯矩的解析计算公式，并通过ANSYS数值分析证明了提出的解析计算方法和模型简化假设的准确性。Abbas H[10]对波形钢腹板工字钢的横向弯曲进行了理论、试验和有限元分析，提出了一种新的理论分析方法——虚拟载荷法，用于分析波形钢腹板工字钢的翼缘横向弯曲行为。Lin Z等[11]对钢腹板与底板之间的栓钉连接件的横向抗弯性能进行研究，重点考虑螺柱高度、纵向螺柱间距和螺柱位置对波形钢腹板与底板结合部的横向抗弯性能的影响。德国学者Jochen Röhm[12]对嵌入式连接件的横向抗弯进行了静力试验，得出了嵌入式连接件的横向抗弯静力破坏形态，同时通过有限元分析验证了试验结果的准确性；但其腹板开孔形式为新型“U”型孔且关于其他形式抗剪连接件的横向抗弯性能没有过多的研究。

以往研究表明，目前对波形钢腹板组合梁桥纵向性能的研究主要针对波形钢腹板组合梁桥的抗弯、剪力连接件的纵向抗剪等方面，对于横向性能的研究也大多为横向扭转屈曲和横向内力分布等方面，有关横向抗弯性能的研究仅局限于波形钢腹板与底板结合部的研究，关于波形钢腹板与顶板结合部的横向抗弯性能研究很少。本文依据实际工程，针对不同形式的连接件进行足尺试验，研究不同连接件对波形钢腹板与顶板结合部横向抗弯性能的影响，得到横向抗弯静力作用下结合部的破坏模态和承载力。

2 试验概况

2.1 试件设计与制作

试验依据实际工程，共设计三个长度为1 600 mm的足尺顶板结合部试件，混凝土顶板宽1 220 mm、厚400 mm。混凝土采用C55，穿孔钢筋采用直径20 mm的HRB400热轧钢筋，约束钢筋采用直径16 mm的HRB400热轧钢筋，栓钉采用150×22 mm型，波形钢腹板为1600型。试件的基本参数如表1所示，试件尺寸见图1。

图1 试件尺寸(单位:mm)

表1 试件基本参数

2.2 试件加载

加载系统采用成都生产的液压伺服系统，数据由东华3 816自动采集。试件加载装置见图2。

图2 试验加载

首先加载60 kN的荷载对模型梁进行预压，检查仪器。检查完毕后开始进行静力试验，测量模型梁应变、挠度初值并记录。静力试验采用分级加载方式，预计荷载范围为0～600 kN，每60 kN为一级，每级加载后稳定5～10 min采集应变和挠度数据。试验过程中要密切关注试件模型主要构件裂缝发展，以确定开裂荷载。试件开裂后，每一加载间隔利用记号笔描绘裂缝发展状态。试件开裂后，荷载级数进行加密，每30 kN为一级，并及时记录各测点挠度、界面滑移量、钢结构应变等，直至试件被破坏，确定极限荷载。

2.3 测点布置

位移计布置见图3。单个试件布置4个位移测点，各试件位移计布置方式相同。W1、W2测试加载点下位移，W3测试试件受压侧竖向位移，W4测试试件受压侧横向位移。

图3 位移计布置

3 试件破坏形态

3.1 双PBL试件

破坏过程大致可分为四部分:(1)在加载初期，承载力和位移基本呈线性关系；当加载至120 kN时，混凝土受压侧跨中及加载点处出现竖向裂缝，见图4a。(2)当加载至150 kN时，横向混凝土受拉侧开孔板顶部出现斜裂缝；随着荷载的增加，斜裂缝向混凝土顶面延伸，且混凝土与翼缘板出现明显剥离声，见图4b。(3)当加载至275 kN时，横向混凝土受拉侧开孔板中心处出现横向裂缝。横向裂缝出现后，斜裂缝发展缓慢，且随荷载的增加，横向裂缝迅速发展，混凝土局部被压碎，有混凝土块掉落，受拉侧开孔板与混凝土出现明显剥离，见图4c。(4)加载至310 kN时，试件屈服，荷载达到承载力峰值，底部出现较大纵向贯穿裂缝，试件破坏，见图4d。

图4 双PBL试件破坏形态

3.2 嵌入式试件

破坏过程大致可分为四部分:(1)在加载初期，承载力和位移基本呈线性关系；当加载至90 kN时，四面混凝土均出现出现裂缝，其中，纵向混凝土面为竖向裂缝，横向混凝土面为斜裂缝，见图5a和图5b。(2)当加载至130 kN时，混凝土有明显的劈裂声，受拉侧底部混凝土被拉裂，出现较大裂缝，横向混凝土斜裂缝延伸至梁顶；随着荷载增加，底部混凝土裂缝迅速发展，而侧面混凝土裂缝发展缓慢，见图5c。(3)当加载至200 kN时，混凝土有较大的劈裂声，受拉侧底部混凝土裂缝沿纵向贯穿，且顶面混凝土沿纵向贯穿，见图5c和图5d。(4)加载至230 kN时，试件屈服，荷载达到承载力峰值，底部出现较大纵向贯穿裂缝，试件破坏。

图5 嵌入式试件破坏形态

3.3 全栓钉试件

破坏过程大致可分为四部分:(1)在加载初期，承载力和位移基本呈线性关系；当加载至110 kN时，受压侧混凝土加载点下部出现对称竖向裂缝，见图6a。(2)当加载至155 kN时，横向混凝土受拉侧最外排栓钉处出现裂缝；随着荷载的增加，裂缝向混凝土顶面发展，见图6b。(3)当加载至200 kN时，横向混凝土受拉侧最外排栓钉顶部出现横向裂缝，并随荷载的增加发展至受拉侧，最终发展至受拉侧混凝土底部，见图6c。(4)加载至244.38 kN时，试件屈服，荷载达到承载力峰值，底部出现较大纵向贯穿裂缝，试件破坏，见图6d。

图6 全栓钉试件破坏形态

4 试验结果及其分析

4.1 荷载位移曲线

荷载-位移曲线见图7。由图7可知，三种类型试件的荷载-位移曲线均大致可分为三个部分:(1)弹性阶段。此阶段荷载基本由混凝土承担，荷载和混凝土底部的位移成正比。(2)弹塑性阶段。此阶段混凝土已开裂，荷载由混凝土和钢筋共同承担，荷载与位移呈非线性增长，且速率逐渐降低。(3)屈服阶段。混凝土被压碎后，荷载基本全由钢筋承担。由于钢筋具有较好的延性，所以位移不断增加，荷载保持不变，试件达到屈服状态。而且，双PBL试件的承载力要显著高于全栓钉试件和嵌入式试件。

图7 荷载-位移曲线

4.2 极限承载力

对于波形钢腹板桥梁，由于腹板横向刚度大于普通平钢板，因此顶板和腹板结合面位置存在较大的横向角隅弯矩Mw，s，该弯矩值近似等于腹板顶部面外弯矩，见图8。

图8 结合部横向弯矩

4.2.1 双PBL试件

对于带贯穿钢筋的PBL连接件而言，大部分学者认为其承载力主要由孔洞内混凝土和贯穿钢筋承担。根据《波形钢腹板组合梁桥技术标准》(CJJ/T 272—2017)，双开孔板连接件的横向弯矩为:

式中:Md为弯矩设计值(N·mm)；n为与Md对应板宽内的单排开孔钢板的孔数量；b为开孔板间距(mm)；Vu为单个开孔钢板连接件受剪承载力设计值(N)，取Vu1和Vu2的较小值。

其中，Vu1和Vu2为:

根据式(1)计算得出试件的极限承载力设计值为211.25 kN·m，试验得出的极限承载力为310.19 kN·m。可见规范中的公式略有保守，且所设计的建筑物有一定的安全储备。

4.2.2 嵌入式试件

对于嵌入式试件，嵌入式连接件的极限承载力设计值计算，未见相关文献和规范介绍。根据本试验可知，嵌入式试件的承载力小于双PBL试件和全栓钉试件，但因未进行大量试验，故试验所得极限承载力存在偶然性。

4.2.3 全栓钉试件

对于全栓钉连接件而言，横向抗弯承载力主要由栓钉的拉拔力来承担。根据《波形钢腹板组合梁桥技术标准》(CJJ/T 272-2017)，全栓钉连接件的弯矩计算公式:

式中:Md为角隅弯矩设计值(N·mm)；n为与Md对应板宽内的单排栓钉数量；b为栓钉间距(mm)；Td为栓钉受拉承载力设计值(N)；H为栓钉长度(mm)。

根据式(4)计算得出试件的极限承载力设计值为230.94 kN·m，试验所得到的极限承载力为244.38 kN·m。可见计算公式与试验值吻合良好，且具有一定富裕度。

5 结论

(1)三种试件的最终破坏形态均为受拉侧混凝土底部出现较大纵向贯穿裂缝，试件达到承载力极限状态。不同的是双PBL试件和嵌入式试件从钢板顶部出现斜裂缝，全栓钉试件则从受拉最外侧栓钉处出现裂缝，类似于栓钉的拉拔破坏。

(2)三种类型试件的荷载-位移曲线趋势大致相同:首先是荷载与位移呈线性增长；然后荷载与位移呈非线性增长，且速率逐渐降低；最后试件屈服，位移不断增加，荷载保持不变。双PBL试件的承载力要显著高于全栓钉试件和嵌入式试件。

(3)规范中对于双PBL试件的抗弯承载力计算略有保守，试验值大于规范设计值；而全栓钉试件的抗弯承载力设计值与试验值吻合良好。