型钢组合梁梁端构造连接性能试验与优化设计研究

鲁薇薇

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

组合结构中的连接构造是确保钢与混凝土之间共同受力的关键构造,对组合结构的力学性能具有重要影响[1]。目前组合结构通常通过机械连接、界面摩擦和粘合连接三种方式实现钢与混凝土之间的连接[2-4]。

梁端布置空间局促,钢与混凝土的结合面积有限,既要满足结构受力的传递,又要保证横梁混凝土的施工质量,因此必须在此处采用紧凑、高效的连接方式。为此,研究团队在既有钢与混凝土连接方式的基础上,提出了现浇钢骨混凝土和剪力钉协同的型钢-混凝土组合梁梁端连接新型构造。

桥梁运营期间,梁端可能要承受伸缩、转动、上翘和错动等作用效应,处于弯、剪、扭复合受力状态。但国内外学者普遍采用的推出试验无法较为真实地模拟梁端构造实际受力状态,目前关于复杂受力状态下组合结构连接构造受力连接性能的研究不足。文章通过开展工程桥梁梁端局部结构形式和实际受力状态子结构足尺模型试验研究,分析现浇钢骨混凝土和剪力钉协同的型钢-混凝土组合梁梁端构造连接力学性能,并针对试验和工程实践中发现的问题,探究梁端构造优化设计方法,从而提升该种新型组合梁梁端构造的工程实用性,并为该种梁端构造的推广应用提供研究参考。

1 工程概况

以某座位于辽宁省凌源—兴城线上的上部改建工程桥梁为依托,该桥采用热轧H型钢-混凝土组合梁替换原有空心板梁,开创热轧H型钢组合梁技术在我国公路桥梁上部结构应用的先例。该桥全长67.2m,桥梁跨径布置为13.2m+3m×13m+13.2m,该桥横向设置7片热轧H型钢主梁,主梁间距为1.9m,上部改建后桥面板净宽由原来的9m增至12m,桥面横坡为双向1.5%。桥梁设计安全等级为一级,桥梁设计基准期为100年。由于重载车辆通行需要,桥梁汽车荷载等级设计为1.3倍公路-I级。

2 试验研究

2.1 试验模型

图1所示为型钢-混凝土端部横向局部模型的构造形式,该试验模型基本还原依托工程桥梁沿纵向3.08m、沿横向3.8m(双型钢)局部区域的结构形式,主要由RC端横梁、2片热轧H型钢主梁、混凝土桥面板,桥面板连接剪力钉及横梁连接剪力钉组成。试验模型采用的热轧H型钢主梁与依托工程桥梁使用的热轧H型钢主梁,由专业钢材生产制造厂家同批生产制作。试验模型使用的混凝土(C40补偿收缩混凝土)和钢筋(HRB400)均依照依托工程桥梁选用。端横梁与桥面板钢筋绑扎,混凝土浇筑与养护均在实验室进行。

图1 型钢-混凝土端部横向局部模型构造形式(单位:mm)

2.2 加载方案

试验加载系统(见图2)主要由PC加载台座、反力架、加载设备以及三者之间的连接、传力装置构成。试验加载时,加载设备通过钢横梁将试验反力传递给反力架,反力架通过钢立柱将荷载传递给PC加载台座。

图2 试验加载系统、加载设备及试验加载实景图

试验采用YDT2000/31.5-300型顶推千斤顶(见图2)进行加载,千斤顶推力2080.6kN,拉力1091kN,行程300mm,千斤顶传感器为BK-1B型传感器,量程200t,精度等级0.5。

如图2所示,此次试验采用单点加载,加载点位于端横梁跨中梁宽中心顶部。试验采用分级加载和逐级卸载方式,每级加(卸)荷载时间通常在10～15min。

2.3 测试方案

试验采用电阻应变测试技术记录试验荷载作用下梁端构造受力连接性能,观测各级荷载作用下裂缝发生、发展、分布及走向。

3 试验结果

3.1 典型裂缝

由于端横梁弯剪复合区斜向主拉应力超过横梁混凝土抗拉强度,出现大致平行于支座中心与加载点连线的一条斜裂缝,见图3(a)。

图3 典型裂缝分布图

加载点下方混凝土局部承压效应显著,导致承压面周围混凝土承受较大拉应力作用,端横梁侧面出现由顶部向下延伸较短、分布相对较密的竖向裂缝,见图3(b)。

在端部横梁顶面压力荷载作用下,加载点下方横梁顶面出现明显的局部承压效应,导致加载点附近区域桥面板混凝土承受较大横、纵向拉应力作用,当横、纵向拉应力超过混凝土抗拉强度时,在桥面板顶面出现多条由加载点斜向开展的裂缝,见图3(c)。

3.2 连接构造应变

图4和图5分别给出了端横梁内型钢段腹板下缘的荷载-应变曲线和横梁连接剪力钉的荷载-拉拔应变曲线。

图4 端横梁内型钢段腹板下缘的荷载-应变曲线

图5 横梁连接剪力钉的荷载-拉拔应变曲线

由图4可知,端横梁内型钢段腹板上产生竖向压应变和纵向拉应变,且其竖向受压特征更为显著;腹板下缘分布竖向压应变较腹板中部要高。端横梁内型钢段腹板下缘的荷载-应变曲线在300～400kN加载阶段出现明显突变,腹板下缘沿竖向(纵向)压(拉)应变变化相对初期有所减缓,进入近似线性变化阶段。随后的加载阶段,曲线斜率有所起伏,但变化并不明显;加载至1200kN时,最大竖向压应变约为-125με,最大纵向拉应变约为93με。

从图5可以看出,横向连接剪力钉拉拔应变沿型钢腹板上缘至下缘呈递减趋势分布。对于位于腹板上缘的剪力钉,加载至600kN时,其周围混凝土拉应变达到50με,逼近混凝土抗拉强度而即将开裂;在600～700kN加载阶段,剪力钉周围混凝土拉应力超过其抗拉强度出现开裂;随着施加荷载的增大,剪力钉拉拔力不断增大,剪力钉周围混凝土裂缝不断延伸扩展,混凝土约束作用逐步退化,当加载至1000kN时达到临界点,剪力钉周围大部分混凝土由于开裂退出工作;在1000～1100kN加载阶段,剪力钉拉拔应变随荷载增长而急剧减小,由93με降至45με,混凝土对剪力钉拉拔变形的约束作用严重退化;在1100～1200kN加载阶段,剪力钉拉拔应变随荷载增长进一步减小。

对于位于腹板下缘剪力钉,加载至1000kN时,由于其周围混凝土承受拉应力超过其抗拉强度而出现开裂,部分混凝土退出工作;在1000～1100kN加载阶段,随着剪力钉周围混凝土裂缝开展,混凝土约束作用有所退化,剪力钉拉拔应变呈现出随外加荷载增大而减小的现象,由56με降至36με;在1100～1200kN加载阶段,剪力钉拉拔应变随荷载增大而略有增长,表明混凝土裂缝处于相对稳定的状态,其对剪力钉拉拔变形的约束作用未随荷载增大而进一步退化。

4 梁端构造受力行为特征及优化

4.1 连接构造受力行为特征

横梁内设置的无上翼缘型钢段承受了扭转、横纵向弯曲、剪切、支座及横梁混凝土约束等综合效应。

横向连接剪力钉承受沿纵向、竖向剪切作用和沿横向的拉拔作用,且位于腹板上缘首排横梁连接剪力钉承受的剪切、拉拔作用更为显著。

横梁内型钢段和横梁连接剪力钉自身保持了较好的受力状态,梁端构造连接性能退化主要表现为包裹混凝土局部损伤,从而削弱端部横梁对型钢腹板及其上剪力钉的约束作用。

4.2 梁端构造优化

针对梁端构造连接性能试验和工程实践中发现的问题,提出型钢-混凝土组合梁梁端构造优化设计方案:

(1)对端部横梁断面形式进行优化,将横梁中性层设置在桥面板厚度以外区域。

(2)在运营车辆荷载作用下,端部横梁承受反复扭转效应,易产生沿横梁跨度方向的水平裂缝和沿横梁高度方向的竖向裂缝。因此,适当加强端横梁在弯、剪、扭复合受力区域抗扭钢筋及构造钢筋配置。

(3)普通混凝土的抗拉性能较差,导致其对剪力钉拉拔和剪切的约束作用相对较弱,在布置剪力钉区域设置混凝土后浇带,并采用抗拉性能较强的高性能混凝土,增强梁端构造连接力学性能,从而充分发挥钢-混凝土组合梁的结构优势。

5 结论

现浇钢骨混凝土和剪力钉协同的组合梁梁端连接新型构造的形式合理,可以满足中小跨径组合梁桥设计要求,同时该构造增强了桥梁结构整体受力性能,避免梁端锈蚀劣化等问题。结合工程应用实际,可对端部横梁进行断面优化,增强端部横梁在弯、剪、扭复合受力区域的抗扭钢筋及构造钢筋配置,在剪力钉布置区域增设掺入钢纤维的高性能混凝土后浇带。