等厚超薄T型肋钢-混组合桥面板力学性能研究

孙才志，何娇阳，梁 健

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610041)

0 引言

为提升行车舒适性,多跨梁桥常采用桥面连续构造或连续梁结构,然而由于桥墩顶部区域桥面板承受较大的负弯矩作用,易致桥面板混凝土顶部峰值拉应力增加,发生受拉开裂[1-2],造成桥梁结构承载力和耐久性降低。为避免桥面板混凝土受拉开裂,一般采用在板负弯矩区段施加预应力和配置加强钢筋。但是预应力混凝土桥面板的接缝多、自重大、预制吊装节段数量多[3-5],增加了造价和工期,且接缝质量难以保证;采用常规钢-混凝土组合桥面板则预应力构造受桥面板高度限制[6-7],板内难以满足配置预应力和负弯矩钢筋所需空间。为了解决桥面板受负弯矩作用受力难题,在常规钢-混凝土组合桥面板研究的基础上[8-9],提出了等厚超薄T型肋钢-混凝土组合桥面板结构型式。

为研究等厚超薄T型肋钢-混凝土组合桥面板在车载作用下的负弯矩受力性能,本文开展了该型桥面板结构设计,并通过模型试验,进行了3块同规格组合桥面板的静力试验,测试在负弯矩作用下组合桥面板的变形性能、极限应变和抗弯极限承载能力,提出了负弯矩承载能力实用计算公式,并与混凝土桥面板、常规混凝土组合桥面板进行比较分析。

1 新型钢-混凝土组合桥面板设计

等厚超薄T型肋钢-混凝土组合桥面板设计由底钢板、带孔T型加劲肋、纵横向受力钢筋,以及混凝土组成,如图1所示。该桥面板采用在底钢板上浇筑低收缩轻质高韧性混凝土,底钢板和混凝土板间通过焊接于底钢板上间距40 cm的带孔T型肋连接,达到底钢板和混凝土板协同受力效果,带孔T型肋布置方向为桥面板主受力方向,混凝土板内布置纵桥向和横桥向受力钢筋,桥面板厚度仅10 cm～15 cm且为等厚,取消了常规桥面板负弯矩区加厚承托构造(见图2)。底钢板厚8 mm～10 mm,T型肋高度为8 cm～11 cm,T型肋翼缘宽度11 cm～13 cm,纵横向钢筋直径12 mm～16 mm。

2 试验模型

2.1 试件设计

为研究等厚超薄T型肋钢-混组合桥面板构造实际工作性能,开展足尺桥面板模型静载和疲劳试验。3块试件板采用上述设计用桥面板板厚尺寸及构造,试件平面尺寸选取实桥桥面板的支撑尺寸1 900 mm×400 mm,支承间距为1 800 mm,钢筋采用HRB335热轧螺纹钢筋,桥面混凝土为C40钢纤维混凝土,钢板材质为Q235B,各材料性能试验结果见表1—表3。

表1 混凝土强度实测值 MPa

表2 钢筋性能测定结果

表3 钢板材料试验结果

2.2 试件加载和测点布置

采用跨中三分点双荷载加载方式开展试验(如图3所示),将试件模型翻转,对跨中底钢板施加向下集中力,使试件处于负弯矩区段实际受力状态,边界条件采用沿单向板短边方向支承的简支条件。试件根据设计荷载的10%进行分级加载,每级荷载持续10 min,动态测试结构的变形和应变;当试件加载到设计荷载的1.2倍后,采用位移控制,直至结构丧失承载能力。

3 负弯矩试验结果

3.1 试件破坏过程

等厚超薄钢-混凝土组合桥面板试件跨中截面的荷载-位移关系如图4所示,试件的荷载-位移曲线呈现出典型弯曲破坏模式,其受力过程为:

1)弹性阶段(0 kN～30 kN):在荷载加载初期为弹性阶段,荷载-挠度曲线呈线性关系,斜率反映了试件的初始刚度,钢板、剪力键与混凝土共同工作,混凝土板内无裂缝出现。

2)带裂缝工作阶段(30 kN～150 kN):此阶段混凝土受拉侧开始出现竖向和底面横向裂缝,随着荷载的增加,裂缝条数逐渐增多且向上发展,组合板刚度有一定程度的降低,但板截面应变沿板厚仍然呈线性比例变化,表明该桥面板近似满足“平截面假定”(见图5)。

3)强化阶段(150 kN～250 kN):钢板与混凝土之间的协同工作减弱,试件挠度增长加快,混凝土裂缝向顶面扩展且裂缝逐渐加宽。

4)破坏阶段(250 kN～280 kN):加载点位置处底钢板受压屈曲,与混凝土发生剥离,在荷载达到峰值后,试件的承载能力并未迅速丧失(见图6),而是随着承载力的下降变形迅速增长,表现为曲线平缓下降。桥面板试件裂缝分布图见图7。

3.2 力学性能指标分析

采用有限元软件ANSYS对等厚超薄钢-混凝土组合桥面板进行精细化模拟分析,计算模型采用耦合方式连接钢板与混凝土,由图8—图11可知,钢筋和T型肋均达到屈服应力,混凝土达到最大抗压强度,仅桥面板钢底板最大应力为36 MPa。

试件极限承载能力、屈服荷载、挠度的有限元计算值与试验值对比结果如表4所示。

表4 钢-混凝土组合桥面板有限元计算与试验结果比较

由表4可见,试件极限承载能力、屈服荷载、挠度的有限元计算值均小于试验值,结果偏差率为7%～15%,表明等厚超薄钢-混凝土组合桥面板计算模型较为准确地模拟了桥面板受力。

4 承载能力计算方法

精细有限元计算和试验结果表明,T型肋的布置使桥面板负弯矩区有效含筋率增加,截面中性轴向顶板侧移动,桥面板负弯矩极限承载能力较采用传统PBL加劲肋的钢混组合桥面板显著提升。基于负弯矩受弯试验研究,验证了等厚超薄钢-混凝土组合桥面板的加载过程变形、应力、裂缝等发展规律。根据平截面假定和力学平衡原理,通过计入T型加劲肋对负弯矩受力的贡献,建立了等厚超薄T型肋钢-混组合桥面板的截面抗弯承载能力计算公式如下:

工况1:当中性轴位于桥面板混凝土内时,负弯矩抗弯承载力按式(1)计算,计算图示见图12。

(1)

工况2:当中性轴位于桥面板的底钢板内时,负弯矩抗弯承载力按式(2)计算,计算图示见图13。

(2)

根据上述公式计算桥面板负弯矩抗弯承载力,计算结果与试验结果对比如表5所示。

表5 负弯矩抗弯承载力计算结果对比

由表5可知,当材料性能取值与实测结果一致时,按照公式计算得到的负弯矩极限承载力与试验实测承载力吻合度较好,偏差为1%～8%;若考虑材料安全储备,将材料参数取为强度设计值,试验实测承载力为公式计算值的1.27倍～1.36倍;表明利用上述公式计算等厚超薄T型肋钢-混组合桥面板的截面负弯矩抗弯承载能力具有适宜的安全储备,具有工程设计实用价值。

5 与常规桥面板对比

基于合理材料用量和负弯矩区桥面板受力状态[10],对混凝土桥面板、普通钢-混凝土组合桥面板、等厚超薄T型肋钢-混凝土组合桥面板进行了计算对比分析,分析结果见表6。

表6 桥面板的材料用量和负弯矩受力对比

与普通钢-混凝土桥面板相比,由于取消桥面板负弯矩区加厚承托,等厚超薄T型肋钢-混组合桥面板重量降低28%,负弯矩区桥面板受拉峰值应力降低22%;同时,采用T型肋上翼板构造增加了桥面板负弯矩区的有效含筋量,提升了桥面板负弯矩区承载能力30%以上,可以有效解决工程实践中40 m～60 m跨径桥梁桥面板负弯矩承载力低的难题。

6 结论

通过试验研究和理论分析,得到主要结论如下:

1)负弯矩作用下等厚超薄T型肋钢-混凝土组合桥面板呈现出典型弯曲破坏模式,破坏过程可分为:弹性阶段、带裂缝工作阶段、强化阶段和破坏阶段。在65%极限承载力范围内,桥面板近似满足平截面假定。

2)T型肋构造增加了桥面板负弯矩区的有效含筋量,取消常用桥面板负弯矩区的加厚承托,减轻了桥面板结构自重,降低了负弯矩区桥面板弯曲内力和受拉峰值应力,提升了桥面板负弯矩抗弯承载能力,为桥梁桥面板负区段受弯开裂问题,提供了一种新的桥面板解决方案。

3)提出了该新型钢-混凝土组合桥面板截面承载能力实用计算公式,公式计算值与试验值偏差为1%～8%,吻合度较好,具有工程设计计算实用价值。