钢-混组合梁抗弯性能试验研究

鱼安卿　欧阳辉来

摘要：文章以钢-混组合梁为研究对象，对试验梁进行单梁加载试验，测定组合梁在静力荷载作用下的应变及挠度值，通过荷载试验对组合梁受力时的抗弯性能进行研究。结果表明：钢-混组合梁在加载过程中受力符合平截面假定，在加载过程中，组合梁交界面性能良好，钢梁和混凝土板在加载时可以较好地共同工作;在钢梁达到屈服时，整个梁体未产生破坏，说明组合梁受力状况较好。

关键词：钢-混组合梁;抗弯性能;应变;挠度

中国分类号：U441 +.5

0引言

钢-混组合结构通过钢结构和钢筋混凝土结构共同受力发挥作用，从而充分发挥两种结构的优点，其优势在于钢结构具有良好的抗拉性能，而混凝土结构具有较好的抗压性能[1]。传统的钢结构不仅用钢量大而且抗压性能差，传统的钢筋混凝土结构不仅自重大而且跨越能力小，钢-混组合梁结构则可以解决以上问题。同時，钢-混组合结构桥具有施工速度快、适合工厂化大批量生产等优点，减少了因施工工期长而带来的不便[2]。近年来，在我国桥梁设计中钢-混组合梁桥的数量不断增加，与城市其他结构桥梁相比节约了建设成本和施工工期，因此钢-混组合梁桥的研究成为国内外专家学者研究的重要课题[3]。本文以热轧H型钢钢-混组合梁为研究对象，通过单梁荷载试验，对钢-混组合梁受到荷载时的抗弯性能进行分析。

1试验梁概况

试验梁所采用的是热轧H型钢钢-混组合梁，跨径为13 m，宽度为1.9 m，全梁简支放置于橡胶支座上，H型钢的尺寸为708 mm×304 mm×15 mm×28 mm，现浇混凝土桥面板采用C40混凝土，H型钢采用Q345D钢，等级为D级，屈服强度为345 MPa，符合标准《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）以及《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带》（GB/T3274-2007），属于低合金高强度钢板。H型钢是整座简支钢-混组合梁的主梁，并作为主要承受荷载的构件。桥面板混凝土采用C40补偿收缩混凝土，绑扎钢筋后现浇在模板中。桥面板内钢筋采用HRB400钢筋，屈服强度为400 MPa;构造筋和其他钢筋采用HPB300钢筋，屈服强度为300 MPa;栓钉采用圆柱形剪力钉，设置在混凝土和钢主梁交界面，作为混凝土和钢梁的连接件，使组合梁受力时为一整体，同时提供一定剪力;支座采用双层橡胶支座，放置于端部横梁横截面正中位置，在加载过程中忽略橡胶支座的受力作用[4-5]。试验梁尺寸为12 920 mm×1 900 mm×220 mm，具体试件尺寸如图1～2所示。

2试验方案及过程

2.1试验方案

试验采用MTS多通道结构动态试验系统加载，作动器选用该系统中201.8型号，行程为500 mm，采用跨中对称加载的方式。为了保证试验安全，荷载可以均匀地传递到组合梁且不出现偏心受压现象。将作动器安置在分配梁正中，分配梁通过激光测距仪及尺量工具准确放在组合梁桥面板的正中。试验加载如图3所示[6]。

试验采用双点式分级加载，分配梁间距为2 000 mm。在正式加载前进行预加载，目的是为了保证试验安全性，保证测点准确无误及作动器和采集装置等可以正常运行，待预加载结束后，卸载至0 kN开始正式加载。本次试验正式加载时每30 kN加载一级，加载至钢-混组合梁破坏时停止加载，研究试验梁从加载的弹性阶段到钢梁开始屈服时的抗弯性能[7]。

2.2试验测点布置

2.2.1混凝土及钢梁表面应变测点

为了使数据可以更好地反映出钢-混组合梁的受力特性，此次测点分别在简支钢-混组合梁的跨中和四分点布置。混凝土及钢梁采用表面电阻式应变计，电阻为350Ω，灵敏度为0.43，试验采用东华DH3816 N和晶明JM3812数据采集仪[8]。各应变测点布置如图4所示。

2.2.2混凝土桥面板内钢筋应变测点布置

为了研究加载过程中钢-混组合梁桥面板与钢主梁之间的整体性，在混凝土桥面板内部钢筋上布置电阻应变片，分别在关键位置处布设上下两层应变片。

2.2.3挠度测点布置

挠度大小是可以反映钢-混组合梁整体受力性能的重要因素，为了研究静载持续加载情况下钢-混组合梁的下挠值，分别在组合梁的支点、1/4点、跨中位置加载布点。

2.3试验过程

本次加载采用两点式对称加载方式，在加载至535 kN时，混凝土桥面板产生裂缝;随着荷载的不断增加，裂缝的宽度及条数也不断增加，但加载至钢梁屈服阶段时，混凝土板的裂缝宽度也未超限。在加载值为535 kN之前处于完全弹性工作状态，之后混凝土板开始慢慢屈服，直到加载至955 kN时，钢梁底缘达到屈服。

3结果与分析

应变是反映桥梁在荷载作用下某一截面处变形量的重要参量，在试验结果中起到代表性作用，而挠度是反映桥梁整体变形的重要参量，二者能比较直观地反映钢-混组合梁的抗弯性[9]。

3.1钢-混组合梁应变试验结果分析

3.1.1跨中截面沿梁高的应变变化规律

由下页图5可知：

（1）钢-混组合梁在荷载作用下，跨中正截面应变在混凝土板顶部承受压应力，在钢梁底部承受拉应力。由于简支梁在加载作用下为受弯构件，即梁顶混凝土受到压力的作用，在梁底表现为受拉。

（2）钢-混组合梁在加载过程中，由于钢梁处于弹性工作阶段，跨中截面应力随高度大致为线性变化。混凝土顶板处的应力随着荷载的不断变大，在加载前期相邻荷载间应变间距大致相同，说明应变处于线性均匀递增状态;在加载到660 kN后相邻荷载间应变间距增大，此时说明混凝土应变已经开始进入非线性变化阶段。

3.1.2跨中截面混凝土顶板横桥向应变变化规律

由图6可知，在每级加载作用下，应变的变化较小，说明组合梁横桥向刚度较好，由于尺寸及剪力等各方面影响，剪力滞后效应不明显;随着荷载的增加，混凝土顶板应变处于均匀递增状态;当加载至300 kN时，不同位置处的混凝土应变开始出现细微差别，之后差别逐渐增大。这是因为加载方式为两点加载，跨中混凝土板在其加载时出现不均匀受压的现象，使得应变分布不均。

3.1.3混凝土顶板及钢梁梁底纵桥向应变变化规律

由图7～8可知：

（1）在加载过程中，混凝土顶板纵桥向各个位置均存在压应变，钢梁梁底各个位置均存在拉应变。这是由于简支梁在跨中两点加载时，顶部为受压状态，底部为受拉状态。

（2）在相同荷载作用下，压（拉）应变最大值位于跨中位置处，支点处最小。这是由于简支梁在受跨中位置荷载时，跨中弯矩和挠度是最大的，则跨中应力最大。由胡克定律可知，应力与应变成正比，所以跨中的应变是最大的。

（3）在不同荷載作用下，荷载越大，混凝土顶板和钢梁梁底变形越大，即混凝土顶板的压应变越大，钢梁梁底拉应变越大。

3.2钢-混组合梁挠度试验结果分析

3.2.1钢-混组合梁跨中荷载-位移曲线

由图9可知：

（1）组合梁整体在试验过程中受力共分为两个阶段，即线弹性阶段和非线弹性阶段。从应变角度看，在660 kN前处于线弹性工作阶段，荷载-位移曲线为一斜直线，应力和应变符合胡克定律，在此工作阶段混凝土及钢梁在荷载作用下受力分布为线性。

（2）在加载到660 ～960 kN时，组合梁处于屈服工作状态，斜率逐渐减小;加载至钢梁屈服时，钢梁最大下挠值为35.72 mm，组合梁曲线较为平滑，因此在受力过程中具有较好的延性;在加载前期，曲线不平顺所产生的原因在于加载级数之间间隔时间略短;在钢梁进入屈服之前，从荷载-位移曲线上已能看出钢-混组合梁有进入屈服阶段的前兆。

3.2.2钢-混组合梁纵桥向位移变化曲线

由图10可知，位于支点附近的梁底位移变化很小，当加载至960 kN时，支点位移为4.03 mm;不管是支点、四分点、加载点还是跨中位置，均有钢梁屈服的前兆，并且其所对应的荷载节点位置也大致相同。这说明组合梁纵桥向整体性和传力性较好，且未出现内部破损断裂的现象。

4结语

本文以钢-混组合梁为研究对象，通过单梁荷载试验，对钢-混组合梁受到荷载时的抗弯性能进行分析，得到以下结论：

（1）试验梁在加载至535 kN时出现第一条裂缝，之后组合梁开始进入非线弹性阶段，直到加载至955 kN钢梁屈服，试验与规范规定的设计荷载相比有很高的安全储备。

（2）组合梁在加载过程中受力符合平截面假定，屈服后组合梁跨中横桥向和纵桥向梁底应变曲线相对平滑，说明组合梁的整体性依然良好，延性也较好。

（3）在加载过程中，组合梁交界面性能良好，钢梁和混凝土板在加载时可以较好地共同工作;在钢梁达到屈服时，整个梁体未产生破坏，说明组合梁受力状况较好。

参考文献：

[1]刘君平，徐帅，陈宝春.钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能对比试验研究[J].工程力学，2018，35（11）：92-98，145.

[2]李文贤.不同连接程度下钢-混凝土组合梁的理论及试验研究[D].南京：东南大学，2018.

[3]葛海峰.钢-混凝土组合梁的试验研究及参数优化分析[D].西安：西安理工大学，2018.

[4]徐帅.钢-叠合板（RC+UHPC）组合梁抗弯性能试验研究[D].福州：福州大学，2016.

[5]邓轩.带剪力键的钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究[D].长沙：湖南科技大学，2017.

[6]聂建国，李红有，唐亮.高强钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究[J].建筑结构学报，2009，30（2）：64-69.

[7]樊健生，聂建国，张彦玲.钢-混凝土组合梁抗裂性能的试验研究[J].土木工程学报，2011，44（2）：1-7.

[8]葛云.简支钢-混组合梁桥设计[J].公路，2005（8）：205-209.

[9]郭志毅.钢-混凝土简支组合梁抗弯性能的试验与理论研究[D].西安：西安建筑科技大学，2007.