空间管桁架混凝土组合梁受弯性能试验研究*

陈荣，陈建兵，姚江峰，苏坤

(苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011)

空间管桁架混凝土组合梁是由混凝土板和钢管桁架(截面采用倒立三角形)通过剪力连接件形成的组合结构，具有受力合理、空间刚度大、整体性强、结构美观等特点。

目前国内外对空间管桁架混凝土组合梁的研究较少，并没有形成一套完整的设计理论和计算方法，从而限制了此类组合结构在实际工程中的推广及应用。因此，对空间管桁架混凝土组合梁的试验研究具有重要的理论意义和工程应用的价值。

1 试验概况

1.1 试验设计

本试验组合梁梁长为3 m，净跨为2.64 m，节点间距为440 mm。沿梁长方向腹杆之间的夹角为54°，沿板宽方向腹杆之间的夹角为71°。空间管桁架的尺寸选取如表1所示。为了防止支座处钢管的局部屈曲及受力时被压坏，在钢管桁架支座处20 cm范围内对上、下弦杆灌注混凝土。混凝土的设计强度为C40，采用商品混凝土，在现场浇筑并养护。钢筋采用双层配筋，上下层纵向受力钢筋和横向分布钢筋均采用φ8@100并形成钢筋网片。本试验采用的剪力连接件为开孔钢板连接件，开孔钢板与钢管桁架上弦杆通过焊接连在一起，将混凝土板下层横向钢筋穿过开孔钢板与管桁架形成可靠的连接。试验梁的设计图如图1所示。

1.2 加载方案

本试验加载点在试验梁计算跨径的三分点处，分别布置一个500 kN的手动液压千斤顶，通过分配梁的分配使试验梁受四点加载。在两个千斤顶的顶部各配置一个压力传感器，通过反力架的作用将荷载作用在试验梁上。荷载大小通过测力仪读取。试验组合梁两端的支座均采用圆形钢棒支撑，以约束竖向位移，来模拟铰接约束。试验梁加载装置如图2所示。

表1 试验梁管桁架基本参数

图1 组合梁截面尺寸

图2 试验梁加载装置图及照片

1.3 测量方案

1.3.1 位移测点布置

为了得到试件整体荷载-位移曲线，在跨中截面、两个对称的加载点处、1/8截面、7/8截面处各布置一个位移计，共5个，以测定其相应位置上的挠度。在两端支座处混凝土板表面各布置位移计一个，测定支座的沉陷位移，以求得梁的实际挠度。位移计布置如图3所示。

图3 位移计布置图

1.3.2 应变片测点布置

主要布置区域为跨中截面混凝土板和管桁架。在混凝土板的板顶、板侧、板底贴应变片;在管桁架上弦杆的侧面、下弦杆的上表面、侧面、底面贴应变片，以观测试验梁截面的应变分布情况。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象及破坏模式

开始加载时，由于荷载较小，混凝土翼板的混凝土未开裂，试件表现为弹性变形的特征。当荷载加载到300 kN时，混凝土板底翼缘边缘出现一条细小裂缝，裂缝的宽度约为0.3 mm，长度约为150 mm。随着荷载的不断增加，混凝土底板上的裂缝不断增多。当荷载加载至520 kN时，管桁架下弦杆跨中截面底面测得应变值为2554×10-6，大于钢材的实测应变值(2432×10-6)，表明跨中截面下弦杆底部屈服。当荷载加载至540 kN时，上弦杆与腹杆之间的焊接处出现了裂缝。当荷载加载至580kN时，管桁架节点处伴随巨大响声，上、下弦杆与腹杆之间的焊缝多处断开，试件加载破坏。组合梁的破坏形式为弯曲破坏，并且伴随有受拉腹杆在焊缝处的强度破坏。图4为组合梁的破坏图。

2.2 荷载-挠度关系曲线

图5为跨中截面荷载-挠度关系曲线。从加载开始，曲线以较大的斜率接近直线上升，至A点时荷载P达520 kN，钢管应变最大值出现在跨中截面管桁架底部，应变值达到2 554×10-6，钢管开始屈服，OA段为弹性阶段。此后，曲线进入变形明显增长的非线性阶段，斜率不断的减小，至B点时荷载值P为560 kN，此阶段受拉腹杆与上、下弦杆焊接处出现裂缝，但组合梁还可以继续加载，曲线斜率未出现明显转折。至C点时，荷载达到峰值为580 kN，将此荷载值作为组合梁的极限荷载值。

图4 组合梁破坏图

图5 跨中截面荷载-挠度曲线

2.3 组合梁沿试件长度方向的挠度分布

图6为组合梁沿试件长度方向的挠度分布。由图可知:当组合梁在屈服之前，即荷载加载至520 kN之前，挠度的发展情况符合正弦半波曲线，而且随着荷载的增加，其竖向变形增量不断增大。当腹杆与上、下弦杆出现裂缝撕裂现象之后，由于该位置较严重的局部变形导致整体竖向挠度不再符合正弦半波曲线。试件破坏时，最大的变形并非跨中截面，而是加载点处，产生的原因为节点裂缝的产生以及拉断，使加载点处位移增加较快。

2.4 组合梁跨中截面应变沿梁高变化

在试验梁跨中截面沿梁高方向布置应变测点，可以了解随外荷载的增加应变沿梁高方向的分布情况，同时也可以观察塑性中和轴位置的变化。图7为跨中截面沿梁高方向应变分布试验结果。

图6 组合梁沿试件长度方向的挠度分布

图7 组合梁跨中截面沿梁高方向应变分布

分析可知，在加载过程中，混凝土板上表面受压，混凝土板板底受拉，但拉应变值很小，接近零，随着荷载的增加，拉应变增大。接近破坏时，混凝土板板底的拉应变变化值不大，说明连接性能虽然因混凝土板底开裂而有所降低，但整体连接性能并没完全丧失，进而保证了试件在整个受力过程中钢管桁架和混凝土板始终保持为一个整体。钢管桁架上弦杆侧面的应变与混凝土板板底的应变有相对错动，原因在于管桁架与混凝土板之间的滑移对应变值的影响。在忽略滑移的情况下，试件整体截面的应力-应变关系平截面假定符合较好。

3 有限元分析

3.1 单元模型

采用通用有限元软件ABAQUS对试验梁进行有限元分析。混凝土板采用实体单元建模，反映混凝土材料的断裂、压碎和塑性变形等行为。混凝土中配筋采用线单元建模，不考虑配筋与混凝土之间的滑移，混凝土板与配筋为嵌入区域约束。管桁架采用壳单元建模。模拟中不考虑混凝土板与管桁架之间的滑移，因此混凝土板与管桁架之间的约束为绑定约束。

采用位移加载的方式施加荷载，利用Amplitudes建立加载的规律，将位移加在耦合点处进行加载，加载方式与加载点与试验相同。对支座处施加边界条件，将支座底面耦合到一个点上，在点上加约束。约束组合梁一端的X、Y和Z三个方向的位移为零，约束组合梁另一端Y和Z两个方向的位移为零。对单元网格的划分，由于线单元默认为beam单元，因此需要对创建的线单元修改为Truss单元。

3.2 试验结果与有限元对比

3.2.1 跨中截面荷载-挠度曲线比较

图8为试验与有限元荷载-跨中挠度曲线比较。经过对比分析可知，试验值与模拟值在组合梁的线弹性阶段吻合较好。试验值曲线在后段偏离原来的直线而呈非线性发展的原因是由于腹杆与下弦杆节点处焊缝拉断使构件的变形增大。通过试验数据和模拟计算结果可知，跨中截面处管桁架下弦杆底部达到屈服应变时试验的屈服荷载为520 kN，模型模拟的屈服荷载为521 kN，随后组合梁进入弹塑性阶段，当荷载加载至580 kN时由于管桁架腹杆与上、下弦杆节点处拉断，致使试件破坏，试验终止。

通过试验值与模拟值对比可知，试验值和计算值在弹性阶段吻合较好，曲线的整体趋势吻合也较好。据此可认为，本文建立的有限元模型可以真实地反映实际结构的受弯承载力和挠度发展的情况，可以用于构件抗弯承载能力的参数分析。

3.2.2 组合梁沿梁长方向的挠度曲线比较

选取当荷载加载至P=400 kN时对应的竖向位移，如图9所示。由图9可知，模拟值与试验值曲线发展规律一致，都是跨中变形最大，其竖向位移沿跨中向支座处不断减小。当荷载为400 kN时，模拟值跨中竖向位移为5.54 mm，试验值跨中竖向位移为5.32 mm，其相对误差为4.1%，试验值与模拟值吻合较好。

图8 试验与有限元跨中荷载-挠度曲线比较

图9 P=400 kN时试验与模拟对应的竖向位移

3.2.3 组合梁跨中截面应变沿梁高变化对比

从有限元分析的结果中取组合梁模型跨中截面混凝土板顶、板侧、管桁架上弦杆侧面、下弦杆侧面以及下弦杆底面的应变值，绘制出在不同荷载作用下对应的沿梁高方向的应变分布，如图10所示，图10中正值表示拉应变，负值表示压应变。与试验值的不同之处在于模拟时并未考虑混凝土板与管桁架之间的滑移，因此试验值结果中混凝土板底和管桁架上弦杆侧面的应变有相对错动，而有限元模拟没有。

图10 组合梁跨中截面沿梁高方向应变分布

与试验所得结果对比可知，当荷载达到屈服荷载之前，跨中截面应变沿梁高方向基本呈直线变化，而且塑性中和轴的位置并没发生变化;当荷载达到屈服荷载值后，截面内力发生重分布，此时管桁架下弦杆的应变值变化速度增快;当荷载达到极限荷载值，整个下弦杆全部屈曲，应变增加很快。模拟值整个截面近似符合平截面假定，试验值与模拟值吻合较好。

4 结论

(1)设计制作的空间管桁架混凝土组合梁，具有受力合理、空间刚度大、整体性强、结构美观等特点，具有较强的抗变形性能。

(2)空间管桁架混凝土组合梁的上弦杆通过新形式剪力连接件的完全抗剪连接，与混凝土翼板可以有效地连接在一起，其协同工作性能良好，在忽略截面滑移的情况下，组合梁纵向应变沿梁高近似符合平截面假定。

(3)空间管桁架混凝土组合梁的破坏模式为弯曲破坏并伴随有受拉腹杆与上、下弦杆节点处裂缝的强度破坏，因此节点强度是组合梁整体承载能力的控制因素。

(4)通过有限元模拟值与试验值的结果对比分析可知，本文建立的有限元模型可以真实地反映实际结构的受弯承载力和挠度发展的情况，可以用于构件抗弯承载能力的参数分析。

［1］黄文金，陈宝春.钢管混凝土桁梁受弯试验研究［J］.建筑科学与工程学报，2006，23(1):29-33.

［2］沃登尼尔J.钢管截面的结构应用［M］.张其林，刘大康，译.上海:同济大学出版社，2004.

［3］秦文，陈小才.空间钢管桁架结构的发展及应用［J］.科学之友，2011(3):6-7.

［4］丁大钧，蒋永生.土木工程概论［M］.2版.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［5］陈建兵，万水.新撒丁高架桥的实腹梁和桁架组合结构［J］.世界桥梁，2005(2):7-10.

［6］张联燕，李泽生.钢管混凝土空间桁架组合梁式结构［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［7］金建新.考虑滑移利掀起效应的钢-混凝士组合桁架试验与理论分析［D］.上海:同济大学，2000.

［8］刘永健，刘君平，张俊光.主管内填混凝土矩形和圆形钢管桁架受弯性能对比试验研究［J］.建筑结构学报，2010，31(4):86-93.

［9］成戎，王志浩.复合截面方钢管混凝土梁的抗弯性能试验研究［J］.建筑科学与工程学报，2010，26(9):17-20.

［10］李凤林，刘海富，计静.钢桁架混凝土组合梁受弯承载力试验［J］.低温建筑技术，2010(6):76-77.