袁西貴

(成都職業(yè)技術學院 城建學院，四川 成都 611433)

0 引言

近年來，隨著工廠化、工業(yè)化裝配式技術的推廣，作為半裝配式的疊合板組合梁因其能夠充分利用材料的受力特性，具有抗震性能好、剛度大、不中斷交通、便于組織立體作業(yè)、現(xiàn)場濕作業(yè)少、施工速度快、造價低等優(yōu)點而在國內(nèi)外得到了廣泛的運用[1-3]，如城市立交橋、吊車梁等.近年來，國內(nèi)外對組合梁疲勞性能的研究較多.但主要限于有限元數(shù)值模擬，缺乏足夠試驗驗證.已有研究多集中于剪力連接件[3-9]，汪炳等總結了以往學者27組栓釘剩余強度推出試驗數(shù)據(jù)，建立了栓釘連接件疲勞后剩余承載力退化模型[6].但這不能完全代替整梁的疲勞性能.為數(shù)極少的整梁疲勞性能試驗研究也僅局限于現(xiàn)澆板組合梁的疲勞性能研究.對不同荷載循環(huán)后的疊合板組合梁整梁的荷載-變形性能以及對疲勞破壞發(fā)生后的殘余承載力的研究更不多見.究其原因，主要是疊合板組合梁疲勞試驗試件加工流程多，試驗成本高、強度大、時間長，對試驗設備要求高，試驗過程不穩(wěn)定，成果離散性大.少有科研院校和機構愿意對其疲勞性能試驗做出相關研究.目前疊合板組合梁整梁疲勞設計只能直接借用現(xiàn)澆板組合梁的疲勞試驗成果.為進一步推廣和應用組合梁，充分發(fā)揮它們在山區(qū)、丘陵以及大型運輸和吊裝設備不便到達的地區(qū)中小跨徑橋梁建設中的作用，本文基于栓釘被剪壞的疊合板組合梁進行了剩余靜力剛度試驗，以期了解其荷載-變形性能.

1 試件設計

1.1 材料性能

栓釘型號為16 Mn鋼經(jīng)冷拔、鍛造而成的Φ16×65 mm圓柱頭栓釘，其極限抗拉強度取為：fsu=450 MPa；鋼筋采用HPB300；混凝土材性試驗結果見表1.

鋼梁為上下翼緣不對稱的焊接Q235工字鋼梁；根據(jù)國標GB/T 2975—2018相關規(guī)定對鋼梁進行了材性試驗[7]，其翼緣屈服強度ff、腹板屈服強度fw及極限強度fu分別為：ff=286 MPa，fw=350 MPa，fu=450 MPa.

1.2 組件設計

試件構造如圖1.為量測梁端鋼梁和砼翼緣間相對滑移，鋼梁兩端各外伸100 mm.梁FSCB-6截面尺寸及配筋詳見圖2.其中，現(xiàn)澆板厚45 mm， 雙向配筋均取Φ6@75， 梁翼緣總寬900 mm；預制板和現(xiàn)澆板砼強度均取C40，預制板截面參數(shù)詳見圖3.預制板在鋼梁上支承長為20 mm， 板底留10 mm縫寬， 槽口上部凈寬50 mm；預制板端設“胡子筋”，板內(nèi)設結合筋穿過交界面，結合筋構造詳見圖3(b)和圖3(c).

圖1 組合梁試驗模型構造示意圖

圖2 疊合板組合梁FSCB-6配筋詳圖(單位：mm)

圖3 預制板截面及配筋詳圖

1.3 組合梁模型設計

1.3.1 栓釘?shù)脑O計

剪力連接件按塑性設計方法設計[8]，經(jīng)計算單個栓釘抗剪承載力取為：Vu=63 347 N.栓釘沿鋼梁上翼緣均勻?qū)ΨQ單列布置.為防止組合梁發(fā)生掀起等次生破壞，在純彎區(qū)段對稱布置了4個栓釘.本次發(fā)生栓釘剪壞的疊合板組合梁FSCB-6的剪力連接程度為γ=0.798，其剪彎區(qū)段設16個栓釘，詳見圖4所示.

圖4 梁FSCB-6栓釘布置(單位：mm)

1.3.2 組合梁FSCB-6抗力計算

取鋼板Es=2.06x105MPa，Es與混凝土彈性模量(Ec)比αE見表2.不計砼徐變，組合梁等效鋼截面如圖5所示.其中，b2=90、b3=5.8、b4=200、h1=80、h2=10、h3=220、h4=9.9(單位：mm).組合梁b1計算結果見表2.

表2 試驗梁的混凝土翼板換算寬度b1取值

圖5 組合梁等效彈性鋼截面

不計混凝土抗拉強度，基于平截面假定并分不考慮滑移效應和考慮滑移效應兩種情況計算得到的組合梁FSCB-6抗力如表3所示：

表3 組合梁抗力計算匯總表

2 試驗裝置和加載方案

2.1 加力點的確定

采用跨中兩點對稱加載.試驗加載方案見圖6(單位：mm).

圖6 組合梁加載方案

2.2 加載設備

組合梁疲勞試驗由一臺500 kN的液壓脈動疲勞試驗機所控制的油壓千斤頂通過分配梁加載.最大動、靜負荷均為500 kN，荷載大小通過測力傳感器測量，加載裝置如圖7所示.

2.3 加載方式及測試裝置

本次疲勞試驗采用固定最小、最大應力水平的等幅正弦波加載，加載頻率為4 Hz.試驗分三步進行.首先以荷載下限預加載再卸載至零，然后按梁荷載上限的20%為荷載增量分五級做靜載試驗，每級均采集數(shù)據(jù).至荷載下限時增加一級.卸載也同法進行.試驗數(shù)據(jù)由計算機自動采集，疲勞加載方式如圖8所示.

圖7 試驗加載裝置示意圖

圖8 疲勞加載程序

數(shù)據(jù)采集設備包括：力傳感器，位移傳感器(界面滑移、跨中位移)；應變儀及數(shù)據(jù)采集設備和軟件.

2.4 測試內(nèi)容及測點布置

圖9給出了試驗梁的測點及儀表布置圖.圖中Ci及Si分別表示在翼緣板及鋼梁上電阻應變片(i表示離組合梁底面距離)；Di表示量測翼緣板與鋼梁間相對滑移以及跨中位移的動態(tài)位移傳感器.

圖9 測點布置圖/mm

量測設備通道共16個分別用于：測力系統(tǒng)及跨中大量程位移計(200 mm)；跨中截面砼翼緣板上5個電阻應變片；跨中截面鋼梁的翼緣下緣及腹板處4個電阻應變片；5個混凝土與鋼梁交界面相對滑移測點.

3 疊合板組合梁的試驗研究

3.1 試驗主要參數(shù)

取試驗梁FSCB-6的荷載上限Pmax=150 kN(約0.77 Py，0.59 Pu)，荷載下限Pmin=60 kN(約0.31 Py，0.24 Pu)相應荷載幅值為90 kN(約0.46 Py，0.35 Pu).

3.2 疊合板組合梁等幅疲勞荷載試驗

136萬次荷載循環(huán)后疊合板組合梁發(fā)生了疲勞破壞，破壞后的試驗梁如圖10所示.其梁南端(固定鉸處)滑移極小，其剪跨段中間滑移明顯但不大，各栓釘完好無損；北端剪跨段滑移很大，栓釘均已剪壞，其上方砼板與鋼梁脫開.砼板下緣未見裂縫，上表面也無壓碎，梁變形已不對稱，北端加力點附近撓度最大，這是因為北段梁基本沒了組合作用，截面抗彎剛度減小，最大撓度北移.卸載后梁的殘余變形較大.

3.3 疊合板組合梁殘余靜力剛度試驗

疲勞破壞完成后.緊接著進行了疊合板組合梁殘余靜力試驗，其靜力荷載-位移曲線如圖11所示.可見組合梁仍能表現(xiàn)出很好的延性和較高的殘余承載力(165 kN，約0.84 Py).

圖11 梁FSCB-6殘余力-跨中位移曲線

仔細觀測殘余靜力剛度試驗后的組合梁，可見在栓釘全部剪壞的北段剪跨端內(nèi)，預制板交接槽口處及組合梁北端加力點下混凝土均被拉裂開.同時，北端剪跨段內(nèi)鋼梁上翼緣以及腹板受壓區(qū)有明顯的壓屈現(xiàn)象.這是因為隨著栓釘?shù)募魤模摷艨缍蝺?nèi)梁的組合作用明顯減弱，鋼梁和砼板分別受力，鋼梁和混凝土板的負擔均有所加重，鋼梁內(nèi)中和軸不斷下移，逐漸接近鋼梁截面形心軸.由于試件為下寬上窄的不對稱焊接工字型鋼梁，因此鋼梁自身中和軸更接近其下翼緣受拉邊，相比拉區(qū)邊緣，鋼梁壓區(qū)邊緣離自身中和軸更遠，鋼梁壓區(qū)應變和應力增長加大更快，最終鋼梁壓區(qū)屈曲失穩(wěn).而在疊合板組合梁的南端剪跨段內(nèi)，除鋼梁與混凝土交界面的相對滑移較為明顯外，組合梁幾近完好無損，并沒有出現(xiàn)較大的殘余變形.殘余靜力承載力試驗后的組合梁如圖12所示.

3.4 等幅疲勞荷載下組合梁剛度分析

為了了解試件殘余靜力剛度隨反復荷載作用次數(shù)的影響，試驗中對于疊合板組合梁FSCB-6承受反復荷載分別達到0次、11.11萬次、22.22萬次、55.55萬次、99.99萬次時，都進行了數(shù)據(jù)采集，并立即卸載作剩余靜力剛度退化試驗，靜力剛度退化試驗加載均從0開始加至疲勞荷載設計上限.由于傳感器的線性關系很不穩(wěn)定，剩余靜力試驗時，跨中位移均改用百分表量測.一邊加力一邊人工讀取跨中位移值.

圖12 殘余靜力承載力試驗后的組合梁FSCB-6

需要說明的是，由百分表得到的剛度只能是剩余靜力剛度，也就是并不計入殘余變形，每次力與變形均從規(guī)0開始計.組合梁FSCB-6在不同時期荷載-位移實測值以及相應擬合直線如圖13及圖14所示.從圖中可見，組合梁的靜力剛度退化很不明顯，疲勞荷載開始之處的初始剛度與臨近疲勞破壞發(fā)生時疊合板組合梁FSCB-6(剪力連接程度為γ=0.798)的剛度相差甚微，這在很大程度上區(qū)別于普通鋼筋混凝土梁.靜力剛度總體上是隨著反復荷載循環(huán)次數(shù)的增加而降低，而且呈現(xiàn)近似直線關系.但從疲勞試驗開始直至75%(100萬次/136萬次)的壽命時期，疊合板組合梁的整梁剛度退化不足8.5%.相比其他完全剪力連接組合梁[1]，這種部分剪力連接組合梁的剛度退化最明顯.主要還是因為鋼梁和混凝土翼板交界面存在較大的滑移，滑移的累積在不斷降低截面的組合作用從而剛度逐漸下降所致.與梁FSCB-5相比，由于減少了荷載幅值[1]，因此剛度退化相對減弱.梁FSCB-6的截面剛度-加載循環(huán)次數(shù)的實測值及擬合直線如圖15所示.

圖14 梁FSCB-6荷載-位移實測值及其擬合直線

圖15 梁FSCB-6剛度-荷載循環(huán)次數(shù)實測值及其擬合直線

5 小結

對比參考文獻[4]和參考文獻[9]中現(xiàn)澆板組合梁的疲勞試驗，不難發(fā)現(xiàn)這類疊合板組合梁與現(xiàn)澆板組合梁在疲勞試驗中表現(xiàn)出了大致相同的性能.

參考文獻[4]中給出了應力幅指標作為疲勞破壞形態(tài)的判別標準，當應力幅指標超過疊合板組合梁的界限應力幅指標時，組合梁將發(fā)生栓釘剪壞的疲勞破壞.對于這類組合梁來說，剩余靜力剛度隨反復荷載作用次數(shù)的增加而略有減少，主要是因為內(nèi)部損傷隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增大而增大所致，兩者之間呈近似線性關系.但本次試驗梁剛度退化并不明顯，疲勞破壞發(fā)生前靜力剛度降低僅為8.5%，

相對于鋼梁發(fā)生拉裂的疲勞破壞形態(tài)(其他疲勞細節(jié))[10]，發(fā)生栓釘剪壞的疊合板組合梁疲勞破壞發(fā)生后，剛度退化則較明顯，本次試驗梁達到50%，但其殘余承載力卻較高.本次試驗梁高達依據(jù)材性試驗平均值計算而得的初始靜力承載力的84%.可見這類疲勞破壞形態(tài)延性較好，其脆性不明顯，破壞有一定的預兆，更適合承受反復荷載的結構構件.承受靜力的結構構件則宜首選剪力連接程度較高的組合梁.

無論是組合梁的剩余(或者殘余)靜力剛度還是殘余靜力承載力，都主要取決于組合梁的疲勞荷載幅、截面幾何參數(shù)、鋼梁的牌號以及剪力連接件型號及其連接程度.要得到精確的計算公式尚需進一步研究.