王圣保

(哈爾濱理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080)

波紋鋼腹板PC組合箱梁是20世紀(jì)80年代法國(guó)首先提出并應(yīng)用于橋梁建設(shè)當(dāng)中.該組合箱梁是一種混凝土腹板由波紋鋼板代替的新型組合結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主梁的輕型化，提高了預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率，減少了溫度及混凝土收縮徐變等不利因素影響［1-4］.近些年來，在我國(guó)土木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.

剪力連接件是此類橋梁的最為關(guān)鍵部位之一，是能否發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)的一個(gè)決定性因素.當(dāng)前波紋鋼腹板PC組合梁常用的連接形式，主要有栓釘連接、PBL連接以及埋入式連接等［5-8］.當(dāng)前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者，對(duì)不同連接形式的各自特點(diǎn)以及對(duì)梁力學(xué)性能的影響的研究涉及較少.本文主要通過實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)波紋鋼腹板PC組合梁最常用的連接形式——栓釘連接、PBL連接以及外包鋼板型連接形式進(jìn)行研究，并且對(duì)不同剪力連接件對(duì)組合箱梁力學(xué)性能的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià).

1 波紋鋼腹板PC組合梁常用連接形式

目前，波紋鋼腹板PC組合箱梁常用的連接形式主要用以下幾種［9-11］:1)栓釘連接;2)型鋼連接;3)PBL連接;4)埋入式連接;5)外包鋼板型連接形式.不同連接形式見圖1.

圖1 波紋鋼腹板PC組合梁典型剪力連接件Fig.1 Shear connectors adopted in PC composite box girder bridge with corrugated steel webs

2 波紋鋼腹板PC組合梁實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了3片實(shí)驗(yàn)梁，分別為梁ZHL-Ⅰ(栓釘連接形式)、ZHL-Ⅱ(PBL連接形式)及 ZHL-Ⅲ(外包鋼板型連接形式).梁總長(zhǎng) 8 000 mm，梁高560 mm.跨中設(shè)置兩塊中橫隔板，梁兩端設(shè)置端橫隔板.波紋鋼腹板厚3 mm，波紋鋼腹板高400 mm(梁ZHL-Ⅲ波紋鋼腹板高480 mm).鋼翼緣板厚4 mm.混凝土上翼緣板厚80 mm，下翼緣板厚80 mm.栓釘10 mm×50 mm.采用C40混凝土.

2.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

采用液壓萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載.加載速度由位移控制，加載速率為0.2 mm/min.在整個(gè)加載過程中，可清楚聽到梁發(fā)出的清脆響聲.隨著荷載的逐漸增加，梁的撓度逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，隨著“砰”的一聲巨響，梁瞬間破壞.破壞時(shí)，組合梁混凝土頂板被壓潰，上翼緣鋼板發(fā)生屈曲，頂板混凝土剝落后，內(nèi)部鋼筋壓屈.在整個(gè)加載過程中，波紋鋼腹板沒有出現(xiàn)屈曲，波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装逯g沒有出現(xiàn)滑移現(xiàn)象.3根實(shí)驗(yàn)梁的最終破壞情況見圖2.

圖2 實(shí)驗(yàn)梁最終破壞圖Fig.2 Draw ing of test beams crushed

2.2.1 主要荷載

主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.表中Pcr、Py及Pu分別為開裂荷載、屈服荷載及極限荷載;My、Mu分別為屈服荷載、極限荷載作用下的彎矩;δy、δu分別為屈服荷載、極限荷載作用下梁跨中撓度，δu/δy稱為延性系數(shù).

表1 主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Main test results

2.2.2 荷載-位移曲線

圖3為實(shí)驗(yàn)梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ跨中荷載-位移曲線.從圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)梁受力過程大致分為3個(gè)階段:

圖3 荷載-位移曲線Fig.3 Load-deformation curves

1)彈性工作階段.

彈性工作階段在圖中為OA階段.在此階段，構(gòu)件各截面均處于彈性狀態(tài)，梁底板混凝土未發(fā)生開裂，鋼筋與混凝土各截面位置的應(yīng)力未達(dá)到屈服，彎矩-撓度基本呈直線關(guān)系，從圖中可以看出，應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系.

2)屈服工作階段.

隨著荷載的逐漸增大，波紋鋼腹板PC組合梁底板混凝土發(fā)生開裂，開裂后，底板混凝土退出工作，底板拉力主要由底板鋼筋(普通鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋)承受.隨著荷載繼續(xù)加大，開始進(jìn)入屈服階段，屈服工作階段為圖中AB階段，進(jìn)入屈服階段后，荷載-位移曲線開始彎曲，斜率減小，梁的剛度降低.

3)塑性工作階段.

隨著荷載的繼續(xù)加大，梁進(jìn)入塑性階段，即荷載-位移曲線的BC階段.進(jìn)入塑性階段后，混凝土底板普通筋完全屈服.此時(shí)，梁底板所受拉力主要由預(yù)應(yīng)力筋承受.由于預(yù)應(yīng)力筋仍然處在彈性范圍內(nèi)，所以荷載-撓度曲線基本上還是線性關(guān)系，只有當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力達(dá)到了其本構(gòu)關(guān)系中明顯的非線性段后，荷載-位移曲線才改變?yōu)榍€.

2.2.3 界面滑移值

圖4為實(shí)驗(yàn)梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ的波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装褰缑骈g相對(duì)滑移曲線.數(shù)字 3-1、3-3、3-5、3-8、3-9、及 3-10 為實(shí)驗(yàn)梁安裝的導(dǎo)桿引伸儀編號(hào).其中實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅲ由于受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地限制，梁底板導(dǎo)桿引伸儀很難安裝，只測(cè)得波紋鋼腹板與混凝土頂板界面間相對(duì)滑移值.

圖4 波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装褰缑骈g滑移曲線Fig.4 Curves of slip between the corrugated steel web and the concrete upper/lower slab

從圖4中可以看出，PBL連接件使產(chǎn)生的滑移最小，抗滑移性最好，混凝土與鋼翼緣板之間的滑移值幾乎為零;栓釘連接形式的抗滑移性能也較好，混凝土與鋼板間產(chǎn)生的滑移也較小，特別是在加載初期，幾乎沒有發(fā)生滑移現(xiàn)象;外包鋼板型連接形式，在整個(gè)加載過程中，滑移值幾乎均為±0.01 mm，即使外荷載達(dá)到最大值，極限荷載時(shí)，最大的滑移值也未超過0.2 mm.

2.2.4 梁底板裂縫分布

由于實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅲ底板包有波紋鋼腹板，觀測(cè)不到底板裂縫發(fā)展情況.圖5為梁ZHL-Ⅰ、梁ZHL-Ⅱ底板裂縫分布圖.從圖中可以看出，梁ZHL-Ⅰ、梁ZHL-Ⅱ裂縫間距及裂縫寬度均分布較均勻，且大多數(shù)裂縫貫通混凝土底板.屬于典型的彎曲破壞情況.對(duì)比兩片梁裂縫分布情況可知:梁 ZHL-Ⅱ較梁ZHL-Ⅰ裂縫間距更小，裂縫更加密集.

圖5 實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ底板裂縫Fig.5 Cracks in concrete lower slab of test beam ZHL-Ⅰand ZHL-Ⅱ

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，采用該3種連接形式的波紋鋼腹板PC組合梁，破壞模式均為首先頂板混凝土被壓潰，受壓鋼筋及頂板翼緣鋼板發(fā)生屈曲(見圖2)，從而梁?jiǎn)适Чぷ髂芰?，發(fā)生破壞.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，剪力件連接完好，未發(fā)生破壞.這說明3種連接形式的抗剪強(qiáng)度均滿足承載力的要求.另外，3種連接形式抗滑移性能均較好，波紋鋼腹板與混凝土頂?shù)装彘g幾乎不產(chǎn)生相對(duì)滑移現(xiàn)象，滿足抗滑移性能要求.

3 不同形式的剪力件對(duì)波紋鋼腹板PC組合梁力學(xué)性能的影響

為了研究不同連接形式對(duì)梁力學(xué)性能的影響，文中主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行研究.

3.1 對(duì)梁的承載能力的影響

以實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅱ所采用的連接形式(即PBL連接件)為基準(zhǔn)，其他2種連接形式與其相比，研究3種不同連接形式對(duì)梁極限承載力影響.不同連接形式的極限荷載見表2.

表2 極限荷載Table 2 U ltimate load

從表2可以看出，采用栓釘連接形式梁，較采用PBL連接形式梁的極限荷載降低10.20%.究其原因，是因?yàn)镻BL連接件上的鋼肋板起到縱向受力筋的作用，致使其極限承載力加大;比較實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅲ和實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅱ發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅲ的極限荷載提高了11.19%，這是因?yàn)?，其底板鋼板起到縱向受力筋作用，加大了梁的內(nèi)力偶臂，且梁底板鋼板橫截面積較大，所以梁的極限承載力有較大提高.

3.2 對(duì)梁的剛度、撓度及延性影響

圖3為梁ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及ZHL-Ⅲ跨中荷載-位移曲線.從圖中可以看出，處于彈性階段時(shí)，3片梁的剛度基本相同.當(dāng)混凝土開裂后梁ZHL-Ⅲ的剛度最大，梁ZHL-Ⅰ的剛度最小，梁ZHL-Ⅱ的剛度次之.由此可知，外包鋼板型連接方式可以大幅度提高波紋鋼腹板PC組合梁的剛度.

由表1可知，當(dāng)?shù)竭_(dá)屈服荷載時(shí)，梁 ZHL-Ⅰ、ZHL-Ⅱ及 ZHL-Ⅲ撓度值分別為 53.5 mm、54.5 mm及40.9 mm;當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，梁ZHL-Ⅲ跨中最大撓度為282.3 mm，梁 ZHL-Ⅰ跨中最大撓度為467.1 mm，梁 ZHL-Ⅱ跨中最大撓度為479.8 mm.這表明采用PBL連接件、栓釘連接件梁的撓度較為相近，且該2種連接形式的梁撓度較大;而外包鋼板型連接形式的梁的撓度較小.由此也可以看出，外包鋼板型連接形式可以減小梁的撓度，提高梁的剛度.

為了研究采用3種連接形式波紋鋼腹板PC組合梁的延性，首先要研究3種連接形式梁的延性系數(shù).從表1中可以看出，實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅰ及ZHL-Ⅱ的延性系數(shù)較大，且較為接近.實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅲ的延性系數(shù)遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅰ及ZHL-Ⅱ.這說明外包鋼板型連接形式延性較栓釘及PBL連接形式差.

3.3 對(duì)抗裂性的影響

為了研究3種連接形式對(duì)波紋鋼腹板PC組合梁抗裂性的影響，在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，3個(gè)實(shí)驗(yàn)梁施加相同的預(yù)應(yīng)力水平，均為3.0 MPa.3片梁的開裂荷載值見表3.

表3 開裂荷載Table 3 Crack load

從表3中可以看出，實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅰ的開裂荷載最小，約為120 kN，實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅲ的開裂荷載最大，約為210 kN.實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅲ較ZHL-Ⅰ的開裂荷載提高近66%，實(shí)驗(yàn)梁ZHL-Ⅲ較ZHL-Ⅱ的開裂荷載提高近51%，這說明外包鋼板型連接形式的抗裂性最好，PBL連接形式的抗裂性稍差些，栓釘連接形式的抗裂性最差.造成此種結(jié)果的原因是因?yàn)橥獍摪逍瓦B接形式混凝土底板鋼板對(duì)混凝土起到約束作用，延遲了混凝土開裂.由此可見，外包鋼板型連接形式可以大大提高混凝土底板的抗裂性.

3.4 對(duì)預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率的影響

由于波紋鋼板、鋼翼緣板存在縱向剛度.因此，對(duì)組合梁施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，混凝土底板、波紋鋼腹板及翼緣鋼板也承受預(yù)應(yīng)力作用，所施加的預(yù)應(yīng)力并未完全被混凝土底板承擔(dān)，其中一部分預(yù)應(yīng)力被鋼翼緣板及波紋鋼腹板吸收［12］.預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率是指:混凝土底板所受的有效預(yù)應(yīng)力與施加于梁上的總預(yù)應(yīng)力比值.不同連接形式的波紋鋼腹板PC組合梁預(yù)應(yīng)力效率值，見表4.

表4 預(yù)應(yīng)力效率Table 4 Prestressing force efficiency

從表4可以看出，采用栓釘連接形式梁的預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率最高，其次是PBL連接形式，但栓釘連接形式與PBL連接形式的梁相差不大.預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率最低的是外包鋼板型連接形式梁.其原因是，混凝土底板翼緣鋼板截面面積較大，其縱向剛度較大，所承擔(dān)的預(yù)應(yīng)力也較大，因此，其會(huì)較大程度地分擔(dān)施加于混凝土底板上的預(yù)應(yīng)力.造成PBL連接形式預(yù)應(yīng)力效率導(dǎo)入低的原因是，鋼翼緣板上焊接肋板，加大了鋼板縱向剛度，使其分擔(dān)了施加于梁上的預(yù)應(yīng)力.

4 評(píng)價(jià)不同形式剪力件對(duì)波紋鋼腹板PC組合梁力學(xué)性能影響

為了評(píng)價(jià)不同連接形式對(duì)波紋鋼腹板PC組合梁力學(xué)性能的影響，將以上研究結(jié)果列于下表5.

表5 不同連接形式對(duì)梁力學(xué)性能影響Table 5 Influence of different connecters on mechanical performance of test beam

由表5分析可知，采用栓釘連接形式的梁，剛度及抗裂性較差，在長(zhǎng)期的使用過程中，可能會(huì)出現(xiàn)較大的撓度，并且可能會(huì)出現(xiàn)早期裂縫.但采用該剪力件連接形式的梁，預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率較大;采取PBL連接形式的波紋鋼腹板PC組合梁，抗裂性差，預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率低.預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入效率低，會(huì)使施加在混凝土板上的有效預(yù)應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)值，從而影響梁的力學(xué)性能;比較其他2種連接形式，采用外包鋼板型連接形式的波形鋼腹板PC組合梁，具有更高的極限承載力、更高的剛度、更好的抗裂性，以及更好的抗滑移性能.因此，外包鋼板型連接形式是更加適合于該類組合梁的連接形式.

5 結(jié)論

1)采取栓釘連接形式、PBL連接形式及外包鋼板連接形式的波紋鋼腹板PC組合梁，均滿足極限承載力要求，且3種連接形式的抗滑移性能均較好.

2)采用外包鋼板型連接形式的梁較其他2種連接形式的梁具有更大極限承載力、更好的抗裂性及更大的剛度.

3)在實(shí)驗(yàn)梁的制作過程中發(fā)現(xiàn)，外包鋼板型連接形式波紋鋼腹板與底板鋼板可以起到模板作用，施工更為方便，更有利于提高施工速度，縮短施工工期，降低施工成本.

4)外包鋼板型連接形式是更加適合波紋鋼腹板PC組合梁的連接形式，在實(shí)際工程中，宜多采用該類型的連接形式.

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