波纹钢腹板与预应力混凝土梁桥的弯曲性能研究

韦世令

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

0 引言

波纹钢腹板预应力混凝土组合箱梁桥是近年被提出的一种新型钢-混凝土组合结构桥梁［1］。在传统的钢-混凝土组合桥梁中，波纹钢腹板可以代替扁平钢腹板。与扁平钢腹板相比，波纹钢腹板具有更高的平面外刚度，并且不需要设置加劲肋，不仅可以减轻桥梁的重量，还具有较高的抗屈曲性、良好的桥面铺装性能等优点。同时，波纹钢腹板轴向压缩刚度几乎为零，可以显著提高施工效率。波纹钢腹板与预应力混凝土梁桥之间的连接部位是波纹钢腹板组合桥的关键传力部位，其结构直接关系到桥梁的承载能力［2］。连接处通过剪力连接器实现钢腹板与预应力混凝土梁桥的有效连接，连接器主要抵抗水平剪力和垂直拔力。目前，常用的连接件包括开孔板连接件（PBL）、螺栓连接件和嵌入式剪力连接件［3］。近年来的桥梁建设工程中，波纹钢腹板组合箱梁桥通常采用较大的腹板间距，由于波纹钢腹板的平面外弯曲刚度较大，对预应力混凝土梁桥的连接部位产生严重约束，连接部位在荷载作用下会产生较大的横向转角弯矩，因此连接部位必须具有足够的横向弯曲承载力和弯曲刚度。目前，对波纹钢腹板与混凝土梁桥连接处在横向弯矩作用下的弯曲性能的研究不够丰富，并且近年来桥梁的车辆超载和重型车辆增多等问题日益严重。在重型车辆偏心载荷等非对称载荷的反复作用下［4］，波纹钢腹板与混凝土梁桥连接处通常会表现出严重的疲劳损伤。因此，研究波纹钢腹板与混凝土梁桥连接处的静力和疲劳性能具有重要的意义和实用价值。本文结合实际工程案例，设计了4组共8个1∶1的全尺寸波纹钢腹板和混凝土梁桥连接试件，包括开孔板连接试件、螺栓连接件和嵌入型剪切连接件，并探讨3种不同类型连接试件的横向弯曲静态和疲劳性能，此外分析了横向预应力对双开孔板连接试件横向弯曲静态和疲劳性能的影响，为进一步的工程应用提供参考依据。

1 试验材料与方法

1.1 试样设计

对于波纹钢腹板的箱梁桥，由于腹板的平面弯曲刚度大于普通平板，因此在预应力混凝土梁桥与腹板的连接位置存在较大的横向转角弯矩。根据波纹钢腹板与预应力混凝梁桥连接处的实际结构尺寸，本试验设计了4 组连接试件，2 个试件为一组，共8 个试件。每组中的一个试件进行静态载荷试验，以确定极限承载力和载荷-挠度关系曲线，另一个试样进行疲劳载荷试验。本文采用的波纹钢腹板为1600型［5］，钢材为Q355C。连接件类型有3 种形式：开孔板连接试件（T-PBL）、嵌入型剪切连接件和螺栓连接件。试件参数见表1。采用表1 中的FPT 试件探讨预应力对节点横向弯曲静态和疲劳性能的影响。由于缺乏连接件横向抗弯能力的设计标准，试件的设计参考了实际工程，混凝土梁桥的尺寸为1 600 mm×1 220 mm×400 mm，内部布置2 层钢筋网。为了确保单一的实验变量，3 个不同连接试件的配筋率相同，并且3 个不同的连接试件使用相同的材料［6-7］。此外，预埋连接接头和T-PBL 接头的孔间距相同，钢板在混凝土中的埋深一致，均为200 mm。螺柱连接接头中螺柱纵向布置的间距也与其他两种类型接头的孔距一致［8］。

表1 试件参数

表1 中，FT 和FPT 试件为T-PBL 接头，波纹钢腹板为1600 型，高度为220 mm，厚度为20 mm。穿孔钢板的厚度为20 mm，高度为200 mm，2 块穿孔钢板之间的间距为320 mm，穿孔钢筋的直径为28 mm，法兰板宽420 mm，厚25 mm。FPT 试件使用的预应力筋为1 mm×7 mm 低应力松弛钢绞线，其直径为15.2 mm。FS试样为螺栓连接接头，螺栓为150 mm（长）×22 mm（直径），法兰板宽420 mm，厚25 mm。FE试件为嵌入型剪切连接件，波纹钢腹板为1600型，高度为220 mm，厚度为20 mm。从波纹钢腹板两端80 mm 处开始，每隔160 mm 开一个孔，孔的直径为50 mm，穿孔钢筋的直径为20 mm，孔的中心距波纹钢腹板上端120 mm。采用直径为16 mm 的HRB400 带肋钢筋作为约束钢筋［9］。

1.2 材料特性

混凝土强度等级为C55，在浇筑过程中制作8 块150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体试件，试件的加载速率为0.6 MPa/s。养护28 d 后，混凝土的平均立方体抗压强度为72.6 MPa。表2为混凝土的具体配合比。

表2 混凝土配合比（单位：kg·m-3）

1.3 试验方法

试验使用100 t 的MTS 试验机进行加载实验。根据横向弯曲静态加载试验确定每个试件的横向弯曲极限载荷（Mu），并以此确定疲劳加载振幅。最大疲劳极限载荷为0.35 kN·m，最小疲劳极限载荷为0.25 kN·m。加载频率为5 Hz，采用正弦加载。在正式加载之前，要进行预加载，检查测试仪器是否正常工作。在正式加载过程中，分10级施加静载荷至最大疲劳极限载荷，然后卸载至0；再次施加静载荷至最大疲劳极限载荷，卸载至中值疲劳载荷；再施加频率为5 Hz 的正弦疲劳载荷。在疲劳试验前的静态载荷状态下记录裂纹情况，当疲劳循环次数达到0、50、100、150、200 次时，试验停止并卸载至0［10］。分10 级施加静载荷至最大疲劳极限载荷，然后进入下一次疲劳循环。观察试件随时间变化的应力变化和变形情况，并记录每个测量点的挠度和钢材的应变。经过200次疲劳循环后，如果试件表面没有出现明显的大裂纹，试件的残余挠度没有明显增大，载荷-挠度曲线仍能保持线性关系，刚度也没有明显降低，则说明试件没有损坏，试件状态良好，则应继续进行静态加载试验，直到试件损坏为止。

2 试验结果分析与讨论

2.1 静态试验的极限承载力

表3 为静态试验中4 组试件的开裂载荷、极限载荷和相对分离值。开裂荷载是指加载过程中试件表面第一条裂纹对应的荷载值，在一定程度上可以反映构件在荷载作用下的整体抗裂性。极限载荷是指试件在加载过程中所能承受的最大载荷，可以反映构件的极限承载力。相对分离值表示加载过程中受拉侧混凝土与T-PBL 接头和螺柱连接接头中的钢法兰板之间的最大相对分离值。

表3 实验结果

由表3中的结果可以看出，预埋连接试件的开裂荷载略小于FT、FPT和FS试件，并且每个连接试件的开裂载荷相似，开裂荷载受纵向配筋率的影响。FT、FPT 和FS 试件的纵向配筋率相同，因此开裂荷载大致相同。与FT 试件相比，FPT 试件施加了横向预应力，对混凝土纵向受压侧的开裂影响不大，因此两组试件的开裂荷载相似。观察实验现象发现，FPT 试件横向侧的开裂载荷远大于FT 试样，表明施加横向预应力可以抑制连接处中裂纹的发展，进一步提高连接处的抗裂性。通过比较各试件的极限载荷，4 组试件的横向抗弯承载力顺序为FT＞FPT＞FS＞FE。其中，T-PBL 连接件的极限承载力明显高于其他两种连接件。FT 和FPT 试件的承载力大致相等。根据试验现象发现，施加横向预应力可以提高连接件的抗裂性，但对连接件的横向抗弯极限承载力影响不大。从表3中的相对分离值可以看出，每个试件的相对分离大致相同，这表明受拉侧混凝土与翼板之间的相对分离主要受钢板与混凝土之间的黏结性能影响，而连接件的形式和预应力对相对分离值的影响很小。

2.2 残余挠度

在4组试件的疲劳试验中，每隔一定循环次数对试件进行卸载，记录连接件受压侧底部的中跨挠度，即残余挠度。残余挠度是反映连接件在横向弯矩疲劳循环载荷作用下长期性能的重要指标之一。图1为疲劳加载过程中连接件残余挠度随疲劳循环次数的变化曲线。连接件残余挠度的发展大致可分为两个阶段：第一阶段为残余挠度快速增长期和第二阶段为缓慢增长期，表明连接件的疲劳累积损伤在疲劳过程中会缓慢发展。从图1 中可以看出，4 组试件残余挠度的发展趋势大致相同：挠度在0～200次循环之间快速增大，挠度在100～200 次循环之间缓慢增大，斜率基本相同。FT、FPT、FS 和FE 试样的最终残余挠度分别为3.03 mm、3.04 mm、2.90 mm和3.31 mm。3种不同连接器类型的连接件残余挠度差异不大，FT 和FPT试件的残余挠度基本相同。残余挠度受连接件类型和预应力的影响较小。

图1 残余挠度变化曲线

2.3 刚度退化

图2 为4 组试样在不同疲劳循环后的载荷-挠度曲线。在横向弯矩作用下，试件的抗弯刚度可以反映连接件在正常使用情况下的抗弯性能。复合材料结构在弹性阶段的应力状态与其密切相关，弯曲刚度可以通过荷载-挠度曲线的斜率反映。在实际测试过程中，受设备误差、材料不连续性和试样铸造误差等不确定因素的影响，试件弹性阶段测得的载荷-挠度曲线不是一条直线，因此其刚度可能不是一个固定值。为了便于分析，将弯曲刚度定义为图2中荷载-挠度曲线的割线斜率。对图2 中载荷-挠度曲线刚度进行计算和分析发现，FT、FPT和FE试件的曲线斜率没有显著变化，表明这3组试样的弯曲刚度没有随着疲劳循环加载次数的增加而显著降低。经过200次疲劳循环后，FT、FPT和FE组试件的弯曲刚度分别下降了2.35%、5.5%和9.14%，并且可以观察到经过100次疲劳加载循环后，3 组试件的刚度略有改善，主要是在疲劳加载初期，开孔与混凝土的接触不紧密，在早期疲劳加载后，骨料和孔洞之间的接触更紧密，因此刚度将略有提高。当疲劳循环次数为0 时，试件的挠度增量为6.7 mm，经过200 次疲劳加载循环后，试件的挠曲增量为9.4 mm，试件的刚度降低了28.72%。然而，在疲劳加载过程中，螺柱连接件的载荷-挠度曲线始终保持线性关系，没有明显的屈服，其疲劳性能也能满足设计要求。同时，各试件的荷载-挠度曲线在挠度方向上由稀疏变为密集，也显示了残余挠度的变化规律。

图2 载荷-挠度曲线

3 结论

本文结合实际工程案例，设计了4 组共8 个1∶1的全尺寸波纹钢腹板和混凝土梁桥连接试件，包括开孔板连接试件、螺栓连接件和嵌入型剪切连接件，并探讨3 种不同类型连接试件的横向弯曲静态和疲劳性能。主要结论如下：①疲劳损伤将对连接件的抗弯性产生不利影响。T-PBL 试件和嵌入式试件受疲劳损伤的影响较小，而螺柱连接试件受疲劳损坏的影响较大。预应力可以在一定程度上减少疲劳损伤的不利影响。②在疲劳加载作用下，残余挠度随着疲劳循环次数的增加而增大，这表明试件的累积疲劳损伤会在疲劳加载过程中缓慢增加。③在疲劳加载期间，T-PBL 试件和嵌入式试件的抗弯刚度没有明显下降，而螺栓连接件的刚度则明显下降，进一步反映出T-PBL 连接件和嵌入式连接件的横向抗弯疲劳性能优于螺柱连接件。本文重点研究波纹钢腹板与预应力混凝梁桥连接处在横向弯矩作用下的静力和疲劳性能，但未考虑连接处的抗震性能。在高发地震区域，连接处的抗震性能对建筑安全极为重要，下一步工作应重点研究连接处的抗震性能。