钢-UHPC 组合梁负弯矩区受弯性能研究

钟锰军，黄程亮，左海平，赖世锦

（1.柳州工学院土木建筑工程学院，广西 柳州 545616；2.柳州铁道职业技术学院建筑技术学院，广西 柳州 545616）

钢-混组合梁因其能充分发挥混凝土抗压性能以及钢材抗拉强度高、塑性好的优点，在桥梁工程中得到了广泛的应用[1]。然而传统的钢-混组合梁的负弯矩区混凝土易开裂等缺陷一直困扰该结构的设计与应用。针对此问题，有学者通过在负弯矩区施加预应力筋等方法来改善混凝土的抗裂性能和提高组合梁的刚度，但同时也容易导致钢梁发生屈曲等问题[2]。

因此，学者们开始寻找新型材料来替代普通的混凝土。超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）由于其内部钢纤维的桥联作用，能够有效抑制裂缝的发展[3]，具有更高的抗拉强度和韧性，能从材料属性解决负弯矩区混凝土易开裂的问题，在桥梁工程领域越来越受到青睐。学者们对正交异性钢桥面与UHPC 组合桥面结构、PK 截面与UHPC 的结合、钢-UHPC轻型组合梁等方向进行研究，结果表明，UHPC 替代普通混凝土可以很好地控制负弯矩区的开裂[4]。目前的研究中对于钢-UHPC 组合梁的负弯矩区的受力情况及参数分析涉及较少，有必要进一步研究。基于此，本研究基于有限元模拟方法，探究了钢-UHPC 组合梁负弯矩区在UHPC 材料、配筋率和型钢强度等因素下的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

本文对Bo Xu 等[5]开展的钢-UHPC 组合梁（工况UH PC-2）试件进行有限元分析。试件设计相关信息如图1所示[6]。钢梁采用工字钢，翼缘宽度为125mm，厚度为9mm；腹板高度为107mm，厚度为6.5mm，在支撑和荷载加载处设置8mm 厚的加劲肋。钢梁长度为2000mm，计算跨度为1800mm。栓钉的直径和高度分别为16mm 和70mm，间距为100mm，分两列布置。UHPC 桥面板的截面尺寸为300×90mm，长度为1900mm。UHPC 桥面板纵向钢筋由4 根直径为8mm 的HRB400 级钢筋制成，箍筋采用直径为8mm 的HRB400 级钢筋，间距为100mm。加载图如图2 所示[7]。

图1 试件横剖面（单位：mm）

图2 试件加载图（单位：mm）

1.2 材料性能

试验测得UHPC 立方体抗压强度为123MPa，HRB400级钢筋的材料力学性能参数如表1 所示[8]。

表1 材料力学参数

2 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS 有限元软件建立了钢-UHPC 组合梁的有限元模型，模型如图3 所示。采用T3D2 单元对钢筋进行建模，采用八节点线性六面体实体单元对桥面板、钢梁和栓钉进行建模。所有钢筋及栓钉嵌入在UHPC 桥面板内，抗剪栓钉采用“TIE”命令与钢梁进行绑定。模型中钢梁和UHPC桥面板采用20mm网格，栓钉采用5mm网格。

参考以下UHPC 拉伸[9]及压缩本构方程[10]，分别如公式（1）和公式（2），本文采用CDP（塑性损伤）模型来模拟钢-UHPC 组合梁的力学行为。

采用理想弹塑性的本构模拟HRB400 级钢筋及工字钢梁的力学行为。

3 有限元模型验证

通过有限元分析，提取钢-UHPC 组合梁的荷载-跨中挠度曲线，并与试验进行对比，如图4 所示。分析图4 可发现，有限元模拟的组合梁刚度略大于试验结果；有限元模拟屈服荷载值为159kN，试验屈服荷载值为149kN，有限元模拟结果略高于试验值，这可能是由于在进行有限元分析时未考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移，但总体上模拟的载荷-位移曲线仍然与实验结果是相吻合的，验证了本文所建立的有限元模型可以较好地分析钢-UHPC 组合梁负弯矩区受力性能。

图4 有限元分析与试验荷载挠度曲线对比

4 钢-UHPC 组合梁负弯矩区力学性能影响因素分析

本文基于有限元分析来研究不同桥面板纵向钢筋配筋率以及工字钢梁强度等主要因素对钢-UHPC 组合梁负弯矩区力学性能的影响。

4.1 桥面板纵向钢筋配筋率

通过有限元分析了配筋率，分别为0.74%、1.24%、1.74%、2.24%条件下钢-UHPC组合梁负弯矩区弯曲性能，其荷载-跨中挠度曲线如图5 所示。由图5 可得，组合梁的承载能力随着配筋率的增大而增大，配筋率从0.74%提高到1.24%时，增幅比较明显，之后随着配筋率的增大承载能力的增幅减小。因此，建议在工程设计中满足配筋率要求即可。

图5 配筋率影响下的荷载-挠度曲线

4.2 工字钢梁强度

以文献[11]的试验组合梁为基准，只改变钢梁的强度，分别取250MPa、290MPa、330MPa 和370MPa 的钢梁强度来研究该组合梁负弯矩区力学性能。通过有限元分析其荷载-跨中挠度曲线如图6 所示。由图6 可知，钢-UHPC 组合梁负弯矩区的承载力随着钢梁的承载能力增大而增大，可见钢梁强度对组合梁的弯曲性能影响较大。

图6 工钢梁强度影响下的荷载-挠度曲线

5 结论

本文通过有限元模拟分析了钢-UHPC 组合梁负弯矩区的受力性能，同时分析了不同HHPC 强度、配筋率及钢梁强度等因素对组合梁受力性能的影响，得到以下结论：

1.通过有限元模拟的荷载-挠度曲线及破坏形态与试验结果基本吻合。

2.组合梁的承载能力随着配筋率的增大而增大，但配筋率增大到一定程度后组合梁的承载能力提高不明显。

3.随着钢梁强度的增大，钢-UHPC 组合梁负弯矩区的承载力提升较为明显。