双层集中荷载作用腹板开孔混凝土简支箱梁模型试验研究

祝明桥，王 凡，汪建群

(湖南科技大学 土木工程学院,湘潭 411201)



双层集中荷载作用腹板开孔混凝土简支箱梁模型试验研究

祝明桥，王 凡，汪建群

(湖南科技大学 土木工程学院,湘潭 411201)

为揭示面向双层交通混凝土箱梁抗弯受力性能，对1/6比例腹板开孔、单箱三室混凝土箱梁模型，在弹性范围内进行了上下集中荷载抗弯受力性能试验研究.试验重点测试了不同荷载工况下的特征截面的应变分布及挠度变形；通过试验研究与分析，初步揭示了同样大小集中荷载作用在底板较顶板挠度大10%左右；截面应变分布不均匀，存在集中加载处应变较截面平均应变大20%～40%的现象.试验研究成果可为双层交通混凝土箱梁设计提供试验依据和参考.

集中荷载；简支箱梁；抗弯性能；双层交通

0 引 言

混凝土箱梁因具良好受力性能而特别适用于中等跨度城市桥梁.通过取消箱梁横隔板，使顶、底板均成为桥面系，同时在腹板上开设必要的孔洞以满足通风、采光及消防等要求，可实现双层交通[1-2].这种设计即能满足城市各类管线的布置可大大缓解城市交通的压力，对我国近年来构建资源节约型、环境友好型社会有积极作用.因需克服箱梁腹板开孔、取消横隔板等一系列难题，在混凝土箱梁室内实现交通较为困难.国外对双层荷载作用箱梁受力性能研究多见于钢箱梁；对于腹板开孔混凝土梁研究多限于T梁[3-4].在国内，有少数学者对双层荷载作用箱梁受力性能进行了探讨.福州大学郭建斌[5]运用有限元分析和有机玻璃模型试验方法对双层荷载连续箱梁的剪力滞效应进行深入研究；郑为明等[6]对上下行分层矮斜拉连续箱梁桥静力分析及畸变进行了研究.祝明桥等对其中六根腹板开有矩形孔的钢筋混凝土简支梁建立空间有限元模型进行非线性数值分析，并对孔洞高度、孔侧加强筋等因素进行了参数分析, 得出了一些有价值的结论[7].对于面向双层交通混凝土箱梁而言，抗弯受力性能为其最主要设计参数之一，而目前相关的试验数据较为缺乏.

本文按1∶6的比例浇筑试验模型，研究了双层均布荷载作用下模型简支箱梁不同截面顶、底板应变分布和荷载-挠度规律；探讨了双层均布荷载作用下单箱三室混凝土箱梁受力性能，得出了一些有益的结论，可为面向双层交通混凝土箱梁设计提供参考.

1 试验概况

1.1 试验模型及测点布置

本试验箱梁模型是采用C50等级的混凝土与HPB235、HRB335等级的钢筋，分别在跨中截面，1/4截面及支座截面设置了加劲肋，本文仅选跨中截面进行应变测试分析，试验模型实物图及模型平面图如图1所示.

图1 试验模型箱梁的实物与平面图

为测试模型箱梁在双层集中荷载作用下关键截面应变分布和变形规律，在跨中截面布置混凝土应变片；在支座截面及跨内八分点截面安装百分表，具体布置如图2所示.

图2 箱梁试验模型及截面尺寸

1.2 加载方案

试验采用二级分配梁四点对称加载模拟集中荷载，共有四种工况.具体加载制度如表1所示.工况一加载装实物如图3所示.

表1 加载制度(kN)

图3 工况一加载实物图

1.3 测试方法

考虑到混凝土受力处于弹性范围内，相同试验进行多次，同时利用截面的对称性，取其平均值作为最终的试验结果.

2 试验结果与分析

本双层交通混凝土简支箱梁的集中加载试验是在保证模型箱梁处于弹性变形的前提下进行的，分别做了顶板边梁集中加载、顶板中梁集中加载、底板边梁集中加载、底板中梁集中加载四种工况下的试验研究，在对实测数据进行科学整理分析的基础上，得到模型箱梁的挠度变形曲线及应变分布规律.

2.1 挠度结果

以下给出模型箱梁底板边梁在工况一及工况三作用下的荷载挠度曲线如图4a)所示，图4中利用了截面的对称性，以中间为对称轴，工况一与工况三作用下的荷载挠度曲线各取一半，左侧虚线表示顶板边梁加载，右侧实线表示底板边梁加载.模型箱梁底板中梁在工况二及工况四作用下的荷载挠度曲线如图4b)所示，表示方法与图4a)相同.

图4 底板荷载挠度曲线

由图4可知：

(1)在不同工况集中荷载作用下，模型梁的挠度随着荷载等级的提高呈比例增长，说明模型梁处在弹性工作阶段.

(2)对于底板边梁而言，荷载作用在顶板边梁(工况一)时底板边梁跨中挠度为0.29 mm，荷载作用于底板边梁(工况三)时为0.32 mm，较工况一而言增大10.3%；对于底板中梁而言，荷载作用在顶板中梁(工况二)时底板中梁3/8跨处产生的挠度是0.27 mm，荷载作用于底板中梁(工况四)时为0.31 mm，较工况二而言增大了14.8%，说明底板加载对腹板开孔简支箱梁的中梁挠度影响较大.

2.2 应变

2.2.1 不同工况作用下模型梁顶板跨中截面的纵向应变分布

随着每种工况荷载等级的增加，模型梁顶板跨中截面的纵向应变沿顶板横向宽度方向的分布规律如图5所示.

图5 顶板跨中截面应变分布

由图5可知：

(1)工况一～工况四作用下，双层交通混凝土简支箱梁顶板跨中截面随着每一级荷载的增加，应变规律也越来越明显，荷载直接作用的梁应变最大，荷载由此梁向两边传递，这与挠度的实测结果一致.

(2)在工况一作用下，顶板边梁的应变随着每级荷载的增加相差较大，最大相差5 με ，而中梁的应变随着荷载等级的增加相差较小，最大相差2.6 με，较顶板边梁小48%.在工况二作用下顶板中梁的应变随着每级荷载的增加相差较大，最大相差3.9 με，而边梁的应变随着荷载等级的增加相差较小，最大相差2.3 με ，较顶板中梁小43.6%.在工况三作用下，顶板边梁的应变随着每级荷载的增加最大相差6.6 με ，顶板中梁的应变随着荷载等级的增加最大相差4.6 με ，较顶板边梁小30.3%.在工况四作用下，顶板中梁的应变随着每级荷载的增加最大相差6.2 με ，顶板边梁的应变随着荷载等级的增加最大相差3.9 με，较顶板边梁小37.1%.引起这些现象的原因均是由于局部应力的影响.

2.2.2 不同工况下顶、底板跨中截面的应变对比分析

在四种不同工况下，在荷载等级是100 kN时顶、底板的纵向应变沿顶、底板横向宽度方向的分布规律如图6所示.为了使顶、底板应变分布图看起来方便，图中正数代表压应变，负数代表拉应变，这样使得顶板应变曲线在底板应变曲线之上.

图6 顶、底板跨中截面应变分布

由图6可知：在顶板边梁加载时，顶板边梁和中梁的应变分别是18.3 με和10.3 με ，底板边梁和中梁的应变分别是6.4 με 和5.6 με.在顶板中梁加载时，顶板边梁和中梁的应变分别是9.1 με 和15.5 με ，底板边梁和中梁的应变分别是3.2 με 和6.6 με.在底板边梁加载时，顶板边梁和中梁的应变分别是26.2 με和18.3 με，底板边梁和中梁的应变分别是-19.4 με和-1 με.在底板中梁加载时，顶板边、中梁的实测应变分别为15.3 με和24.5 με，底板边、中梁的实测应变分别为0.8 με和-17 με.说明在不同工况下，荷载直接作用的梁受力最大，荷载由此梁向两边分配，这与挠度的实测结果基本一致.

3 结 论

(1)本文对双层均布荷载作用腹板开孔混凝土简支箱梁在弹性范围内受力性能进行了大比例模型试验研究，并就腹板开孔与否对其受力性能影响进行了有限元分析，研究成果可为混凝土箱梁双层桥相关设计提供参考；

(2)对于底板边梁而言，荷载作用在顶板边梁(工况一)时底板边梁跨中挠度为0.29 mm，荷载作用于底板边梁(工况三)时为0.32 mm，较工况一而言增大10.3 %；对于底板中梁而言，荷载作用在顶板中梁(工况二)时底板中梁3/8跨处产生的挠度是0.27 mm，荷载作用于底板中梁(工况四)时为0.31 mm，较工况二而言增大了14.8 %，说明底板加载对腹板开孔简支箱梁的中梁挠度影响较大.

(3)荷载直接作用的梁受力最大，荷载由此梁向两边分配，这与挠度的实测结果基本一致.

[1] 孙建渊,陈阶亮.城市桥梁双层交通的概念设计[J].桥梁建设,2006,(2):39-42.

[2] 霍海强.单箱双室混凝土巨型截面箱梁设计及其抗弯性能数值分析[D].湖南科技大学硕士论文,2011.

[3] Javad V. A., Morteza H.. Effect of Small Circular Opening on the Shear and Flexural Behavior and Ultimate Strength of Reinforced Concrete Beams Using Normal and High Strength Concrete[P].13th World Conference on Earthquake Engineering,Vancouver, B.C., Canada,August 1-6, 2004, Paper No.3239.

[4] J. Warwaruk. Behavior of Prestressed Concrete T-Beams with Large Rectangular Web Openings[J].ACI Special Publication,1974,42: 399-424.

[5] 郭建斌. 双层荷载连续箱梁剪力滞效应研究[D].福州大学硕士论文，2003.

[6] 郑为明. 上下行分层矮斜拉连续箱梁桥静力分析及畸变研究[D].福州大学硕士论文，2005.

[7] 祝明桥，霍海强，蒋伟中，唐 磊. 腹部开孔钢筋混凝土简支梁非线性数值模拟[J]. 土木建筑与环境工程，2011，33(1)：199-202.

Experimental Study on Simple-supported Concrete Box Girder with Web Openings Under Double Concentrated Loads

ZHU Ming-qiao,WANG Fan,WANG Jian-qun

(College of Civil Engineering,Hunan Institute of Sicience and Technology, Xiangtan 411201, China)

To reveal the behaviors of bending about double-traffic of concrete box girder, experimental study on the model of concrete box girder of single box three rooms which is one-sixth scaling ratio and web opening on the concentrated loads up or down within the elastic range is done.The strain distribution and deflection of characteristics section under the different conditions are tested.By the experimental study and analysis,the same concentrated loads on the floor cause deflection about 10% larger than the roof and the uneven distribution of strain of cross-section. The strain of concentrated loads is larger than the cross-sectional average strain about 20% to 40%.Test results provide experimental basis and reference for the design of concrete box girder double traffic.

concentrated load; simply supported box girder; bending performance; double deck traffic

2014-06-28

湖南省自然科学基金联合项目(14JJ7055).

祝明桥(1968-)，男，博士，教授，研究方向：混凝土新材料及其应用.

U448.21

A

1671-119X(2015)01-0090-05